Некоторые физики считают, что могут объяснить, как сформировалась наша Вселенная. Если они окажутся правы, то наш космос мог возникнуть из ничего.

Люди ведут споры о том, почему существует Вселенная, уже тысячи лет. Практически в каждой античной культуре люди придумывали собственную теорию сотворения мира – большинство из них включало в себя божественный замысел – и философы написали многие тома об этом. А вот наука может рассказать о сотворении Вселенной не так уж и много.

Однако в последнее время часть физиков и космологов начала вести дискуссию по этому поводу. Они отмечают, что сейчас мы неплохо знаем историю Вселенной и законы физики, которые объясняют, как она устроена. Ученые считают, что эта информация позволит нам понять и то, как и почему существует космос.
По их мнению, Вселенная, начиная от Большого Взрыва и заканчивая нашим многозвездным космосом, который существует на сегодняшний день, возникла из ничего. Это должно было случиться, говорят ученые, потому что «ничто» на самом деле внутренне нестабильно.

Эта идея может показаться странной или просто-напросто сказочной. Но физики утверждают, что она берет начало из двух самых мощных и успешных теорий: квантовой физики и общей теории относительности.

Как же всё могло возникнуть из ничего?

Частицы из пустого пространства

Для начала нам стоит обратиться к области квантовой физики. Это область физики, которая изучает очень маленькие частицы: атомы и даже ещё более мелкие объекты. Квантовая физика – чрезвычайно успешная теория, и она стала фундаментом для появления большинства современных электронных гаджетов.

Квантовая физика рассказывает нам о том, что пустого пространства вообще не существует. Даже самый идеальный вакуум заполнен колышущимся облаком частиц и античастиц, которые появляются из ничего и затем превращаются в ничто. Эти так называемые «виртуальные частицы» существуют в течение недолгого времени и поэтому мы не можем их увидеть. Однако мы знаем, что они есть из-за тех эффектов, которые вызывают.

К пространству и времени из отсутствия пространства и времени

Давайте теперь перенесём наш взгляд от мельчайших объектов – таких, как атомы, – к очень крупным штукам – таким, как галактики. Наша лучшая теория, объясняющая такие большие вещи, – это общая теория относительности, главное достижение Альберта Эйнштейна. Эта теория объясняет, как взаимосвязаны между собой пространство, время и гравитация.

Общая теория относительности сильно отличается от квантовой физики, и до настоящего момента никто не смог сложить их в единый пазл. Однако некоторым теоретикам удалось, используя аккуратно выбранное сходство, приблизить эти две теории друг к другу в конкретных задачах. Например, этот подход был использован Стивеном Хокингом в Кембриджском университете, когда он описывал чёрные дыры.

Физики обнаружили, что когда квантовая теория применяется к пространству в маленьких масштабах, пространство становится нестабильным. Пространство и время вместо того, чтобы оставаться гладкими и непрерывными, начинают бурлить и пениться, принимая форму лопающихся пузырей.

Другими словами, маленькие пузырьки времени и пространства могут формироваться спонтанным образом. «В квантовом мире время и пространство являются неустойчивыми, - говорит астрофизикЛоуренс Максвелл Краусс из Университета штата Аризона. – Таким образом, вы можете формировать виртуальное пространство-время так же, как вы формируете виртуальные частицы».

Более того, если эти пузыри могут возникнуть, вы можете быть уверены, что они возникнут. «В квантовой физике, если что-то не запрещено, это обязательно случится с определенной долей вероятности», - считает Александр Виленкин из университета Тафтса в штате Массачусетс.

Вселенная из пузыря

Итак, не только частицы и античастицы могут возникать из ничего и превращаться в ничто: пузыри пространства-времени могут проделывать то же самое. Однако существует большая пропасть между бесконечно малым пространственно-временным пузырём и огромнейшей Вселенной, состоящей из более чем 100 млрд галактик. Действительно, почему бы только что появившемуся пузырю не исчезнуть в мгновение ока?

И оказывается, есть способ как заставить пузырь выжить. Для этого нужен ещё один трюк, который называется космической инфляцией.

Большинство современных физиков считают, что Вселенная началась с Большого Взрыва. Сначала вся материя и энергия в космосе были сжаты в невероятно маленькую точку, которая затем начала быстро расширяться. О том, что наша Вселенная расширяется, учёные узнали в XX веке. Они увидели, что все галактики разлетаются друг от друга, а значит, когда-то они располагались близко друг к другу.

Согласно инфляционной модели Вселенной, сразу после Большого Взрыва Вселенная расширялась гораздо быстрее, чем в наши дни. Эта диковинная теория появилась в 1980-х гг., благодаря Алану Гуту из Массачусетского технологического института, и была доработана советским физиком Андреем Линде, который работает теперь в Стэнфордском университете.

Идея инфляционной модели Вселенной заключается в том, что сразу после Большого Взрыва маленький пузырь пространства расширялся с колоссальной скоростью. За невероятно короткий срок он из точки, меньшей по размеру, чем ядро атома, достиг объема песчинки. Когда же в конце концов, расширение замедлилось, вызвавшая его сила трансформировалась в материю и энергию, которые заполняют сегодняшнюю Вселенную.

Несмотря на свою кажущуюся странность, инфляционная модель Вселенной неплохо соответствует фактам. В частности, она объясняет, почему реликтовое излучение — космическое микроволновое фоновое излучение, сохранившееся со времен Большого Взрыва - равномерно распределено в небе. Если бы Вселенная расширялась не так быстро, тогда, скорее всего, излучение было бы распределено более хаотично, чем мы видим сегодня.

Вселенная плоская, и почему этот факт важен

Инфляция также помогает космологам определить геометрию нашей Вселенной. Оказалось, что знание геометрии необходимо для понимания, как космос мог возникнуть из ничего.

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна говорит, что пространство-время, в котором мы живем, может принимать три различные формы. Оно может быть плоским, как поверхность стола. Оно может быть искривленным, как площадь сферы, и поэтому, если ты начал движение из определенной точки, то обязательно в нее вернешься. И наконец, оно может быть вывернуто наружу, как седло. Так в какой форме пространства-времени мы живем?

Это можно объяснить следюущим образом. Возможно, вы помните из школьных уроков математики, что углы треугольника в сумме равны 180 градусам. Это верно только тогда, когда треугольник находится в плоском пространстве. Если вы нарисуете треугольник на поверхности воздушного шарика, сумма трех углов составит больше, чем 180 градусов. Если же вы нарисуете треугольник на поверхности, похожей на седло, сумма трех углов будет меньше, чем 180 градусов.

Для того, чтобы понять, что наша Вселенная плоская, нам необходимо измерить углы гигантского треугольника. И это тот случай, когда в дело вступает инфляционная модель Вселенной. Она определяет средние размеры холодных и горячих пятен в космическом микроволновом фоне. Эти пятна были измерены в 2003 году, и именно их астрономы смогли использовать в качестве аналогов треугольника. Как результат, мы знаем, что самые крупные из доступных нашим наблюдениям масштабов в нашей Вселенной – плоские.

Таким образом, оказалось, что плоская Вселенная является необходимостью. Это так, потому что только плоская Вселенная могла образоваться из ничего.

Все, что существует во Вселенной – начиная от звезд и галактик и заканчивая светом, который они вызывают, должно было из чего-то образоваться. Мы уже знаем, что частицы возникают на квантовом уровне, и поэтому мы могли бы ожидать, что во Вселенной есть кое-какая мелочёвка. Но для образования всех этих звёзд и планет требуется огромное количество энергии.

Но откуда Вселенная взяла всю эту энергию? Звучит, конечно, странно, но энергии не обязательно было откуда-то браться. Дело в том, что каждый объект нашей Вселенной обладает гравитацией и притягивает к себе другие объекты. И это уравновешивает энергию, необходимую для создания первой материи.

Это немного похоже на старые весы. Вы можете положить сколь угодно тяжёлый предмет на одну чашу весов, и весы будут в равновесии, если на другом конце находится объект такой же массы. В случае со Вселенной, на одном конце располагается материя, а «уравновешивает» её гравитация.

Физики подсчитали, что в плоской Вселенной энергия материи точно равна энергии гравитации, которую эта материя создаёт. Но это работает только в отношении плоской Вселенной. Если бы Вселенная была искривленной, баланса бы не было.

Вселенная или мультивселенная?

Теперь, «приготовление» Вселенной выглядит довольно простым делом. Квантовая физика говорит нам, что «ничто» является неустойчивым, и поэтому переход от «ничего» к «чему-то» должен быть практически неизбежным. Далее, благодаря инфляции из маленького пространственно-временного пузырька может образоваться массивная, плотная Вселенная. Как написал Краусс, «Законы физики, как мы понимаем их сегодня, допускают, что наша Вселенная образовалась из ничего – не было ни времени, ни пространства, ни частиц, ничего, о чем бы мы знали».

Но почему тогда Вселенная образовалась только один раз? Если один пузырь раздулся до размеров нашей Вселенной, почему этого не могут сделать другие пузыри?
Линде предлагает простой, но психоделичный ответ. Он считает, что Вселенные возникали и возникают непрерывно, и этот процесс будет продолжаться вечно.
Когда инфляция Вселенной заканчивается, считает Линде, её все равно продолжает окружать пространство, в котором существует инфляция. Она вызывает возникновение еще большего количества Вселенных, и вокруг них образуется еще больше пространства, в котором происходит инфляция. Однажды инфляция началась, и она будет продолжаться бесконечно. Линде назвал это вечной инфляцией. Наша Вселенная может быть всего лишь песчинкой на бесконечном песчаном пляже.

Другие вселенные могут сильно отличаться от нашей. У соседней вселенной может быть пять пространственных измерений, в то время как у нашей их всего три – длина, ширина и высота. Сила гравитации в ней может быть в 10 раз сильнее или в 1000 раз слабее. Или гравитации может и не быть вовсе. Материя может состоять из совершенно других частиц.

Таким образом, может существовать не укладывающееся в нашем сознании разнообразие Вселенных. Линде считает, что вечная инфляция это не просто «абсолютно бесплатный обед», но это и единственный обед, на котором доступны все возможные блюда.

Автор: Robert Adler

Перевод: Екатерина Шутова

Источник: Эконет