Что такое «ничего»? Рассказывает астрофизик Мартин Рис
Философы обсуждали природу «небытия», «ничего», «ничто», «пустоты» тысячи лет, но что может современная наука об этом рассказать? На этот вопрос ответит Мартин Рис, астроном Королевского общества и почетный профессор космологии и астрофизики Кембриджского университета. Он объясняет, что когда физики обсуждают «ничто», они имеют в виду пустое пространство (вакуум). Это может показаться вполне заурядным, но эксперименты показывают, что пустое пространство на самом деле не пустое - в нем скрывается загадочная энергия, которая может рассказать нам что-то о судьбе вселенной.
Интервью с Мартином Рисом представил журнал The Conversation.
Пустое пространство - то же самое, что ничего?
Пустое пространство кажется нам ничем. По аналогии, вода может казаться «ничем» для рыбы - именно она остается, когда вы убираете все остальное, что плавает в море. Точно так же и пустое пространство оказывается довольно сложным на поверку.
Мы знаем, что Вселенная очень пустая. Средняя плотность пространства составляет примерно один атом на каждые десять кубических метров - среда гораздо более разреженная, чем любой вакуум, который мы можем получить на Земле. Но даже если убрать всю материю, пространство обладает своего рода эластичностью, которая (как было недавно подтверждено), позволяет гравитационным волнам - ряби самого пространства - распространятся по нему. Более того, мы узнали, что в самом пустом пространстве есть экзотический вид энергии.
Впервые мы узнали об этой энергии вакуума в 20 веке с появлением квантовой механики, которая объясняет поведение атомов и частиц на мельчайших масштабах. Из нее следует, что пустое пространство состоит из поля флуктуаций фоновой энергии - которая дает жизнь волнам и виртуальным частицам, то и дело появляющимся и исчезающим в никуда. Они даже могут создать крошечную силу. Но как насчет пустого пространства на больших масштабах?
Тот факт, что пустое пространство создает крупномасштабную силу, был обнаружен 20 лет назад. Астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Это был сюрприз. О расширении было известно более 50 лет, но все думали, что расширение будет замедляться из-за гравитационного притяжения, которое галактики и другие структуры оказывают друг на друга. Поэтому для всех стало большим сюрпризом то, что замедление вследствие гравитации было смещено чем-то, что «расталкивало» расширение. Оказалось, что в самом пустом пространстве присутствует энергия, которая создает своего рода отталкивание, которое перевешивает притяжение гравитации на этих больших масштабах. Это явление - темная энергия - самое невероятное проявление того факта, что пустое пространство не лишено морщин и не является пустым. Более того, этот факт определяет дальнейшую судьбу нашей Вселенной.
Существует ли предел тому, что мы можем узнать? В масштабах, в триллион триллионов раз меньше атома, квантовые флуктуации пространства-времени могут родить не только виртуальные частицы, но и виртуальные черные дыры. Это в пределах, которые мы наблюдать не можем и для понимания которых хотя бы гипотетического нам нужно совместить теории гравитации с квантовой механикой - а это невероятно сложно.
Существует несколько теорий, направленных на то, чтобы понять это, среди которых самая известная - это теория струн. Но ни одна из этих теорий пока не связана с реальным миром - поэтому они все еще являются беспочвенными. Я думаю, что практически каждый признает, что пространство само по себе обладает сложной структурой на крошечных масштабах, где встречаются гравитационные и квантовые эффекты.
Мы знаем, что у нашей Вселенной есть три пространственных измерения: вы можете двигаться налево и направо, вперед и назад, вверх и вниз. Время - это как бы четвертое измерение. Однако есть сильное подозрение, что если вы увеличите крошечную точку в пространстве до тех пор, пока не пощупаете этот крошечный масштаб, вы обнаружите, что она будет плотно сжатым оригами из пяти дополнительных измерений, которых мы не видим. Как если бы вы смотрели на шланг издалека и думали, что это просто линия. Подходя ближе, вы бы увидели, что одно измерение является по сути тремя. Теория струн включает сложную математику - так же как и конкурирующие теории. Но это именно та теория, которая нам понадобится, если мы захотим понять на самом глубоком уровне самое близкое к пустоте, что можно вообразить: пустое пространство, очевидно.
В рамках нашего нынешнего понимания, как мы можем объяснить, что вся наша вселенная расширяется из ничего? Неужели она могла начаться с небольшой флуктуации энергии вакуума?
Некоторые таинственные переходы или колебания могли внезапно привести к тому, что часть пространства начала расширяться - так полагают некоторые теоретики. Флуктуации, присущие квантовой теории, могли бы встряхнуть всю Вселенную, если бы она была сжата до достаточно малых масштабов. Это должно было произойти в течение примерно 10 -44 секунд - это планковское время. На этих масштабах время и пространство переплетены, поэтому идея тикающих часов не имеет смысла. Мы можем экстраполировать нашу вселенную с высокой степенью уверенности обратно до наносекунды и с высокой долей вероятности вернемся ближе к планковскому времени. Но после этого наши догадки уже не имеют силы - физика на этом масштабе заменяется какой-то другой, более сложной теорией.
Если может ли быть так, что флуктуация в некой случайной части пустого пространства дала жизнь вселенной, почему то же самое не может произойти с другой частью пустого пространства - и дать жизнь параллельным вселенным в бесконечной мультивселенной?
Идея о том, что наш Большой Взрыв - не единственный, и что то, что мы видим в наши телескопы - это крошечная часть физической реальности, весьма популярна среди физиков. И существует много версий цикличной вселенной. Всего 50 лет назад появились мощные доказательства того, что Большой Взрыв вообще произошел. Но с тех пор ходят предположения, что он мог быть лишь эпизодом в цикличной вселенной. Также есть тенденция к пониманию того, что физическая реальность - это намного больше, чем объем пространства и времени, который мы можем пощупать, даже при помощи мощнейших телескопов.
Поэтому мы понятия не имеем, был Большой Взрыв один или их было много - существуют сценарии, предсказывающие множество Больших Взрывов, и сценарии, предсказывающие один. Думаю, мы должны изучить их все.
Какой конец ждет Вселенную?
Самый простой прогноз на далекое будущее - вселенная продолжит расширяться все быстрее и быстрее, становясь все более холодной и пустой. Частицы в ней могут распадаться, бесконечно растворяясь в пустоте. Мы можем оказаться в огромном объеме пространства, но оно будет даже более пустым, чем космос сейчас. Это один из сценариев. Есть и другие, которые прогнозируют «разворот» направления темной энергии, от отталкивания до притяжения, в результате которого нас ждет сжатие в плотную точку.
Есть еще идея Роджера Пенроуза о том, что вселенная продолжит расширяться, становясь все более разбавленной, но каким-то образом - когда в ней не будет ничего кроме фотонов, частиц света - объекты в ней перекалибруются и пространство станет в некотором роде генератором нового Большого Взрыва. Это будет весьма экзотическая версия старой цикличной вселенной - но, пожалуйста, не просите меня объяснять идеи Пенроуза.
Насколько вы уверены в том, что наука однажды раскроет тайну того, что такое это «ничто»? Даже если бы мы могли доказать, что Вселенная появилась из странной флуктуации в вакуумном поле, разве нам не стоило бы задать вопрос, откуда взялось это вакуумное поле?
Наука пытается дать ответы, но каждый раз, когда мы их находим, появляются новые вопросы - у нас никогда не будет полной картины. Когда я начал заниматься исследованиями в конце 1960-х, были сомнения в том, что Большой Взрыв вообще был. Теперь сомнений уже нет и мы можем сказать с точностью примерно в 2%, что вселенная была такой же все 13,8 миллиардов лет, до самой первой наносекунды. Это большой прогресс. Нелепо оптимистично полагать, что в следующие 50 лет мы разберемся в сложных вопросах о том, что происходит в квантовую или «инфляционную» эпоху.
Но, конечно, возникает другой вопрос: насколько наука будет постижима для человеческого мозга? Может оказаться так, что математика теории струн в некотором смысле является верным описанием реальности, но мы никогда не сможем понять ее достаточно хорошо, чтобы проверить на фоне любого подлинного наблюдения. Тогда нам, возможно, придется ждать появления каких-нибудь пост-людей, чтобы получить более полное понимание.
