Что взорвалось в Большом взрыве?

Александр Виленкин,

директор Института космологии при Университете Тафтса,

автор книги «Мир многих миров. Физики в поисках иных вселенных»

С чего и как началось мироздание? Ответы на этот старый как мир вопрос предлагают едва ли не все религии, вероучения и культы. А вот наука всерьез занялась им совсем недавно — только в XX веке.

Самый простой ответ будет и самым коротким — все началось с Большого взрыва. Об этом свидетельствуют решения всех разумных моделей эволюции Вселенной, построенных на базе общей теории относительности. Если их прокрутить назад во времени, мы неминуемо упремся в момент, когда плотность и температура материи делаются бесконечными. Его и приходится брать за начало отсчета, нулевую временную точку. Продолжить решения в область предшествующих времен невозможно: математика не позволяет.

Единственный выход

Физикам эта ситуация никогда не нравилась. С тех пор, как они научились строго просчитывать мировые модели, не исчезали надежды избавиться от бесконечностей и заглянуть, если так можно выразиться, в прошлое Большого взрыва. Но все попытки найти разумные модели «безначальной», иначе говоря, вечной Вселенной оказывались безуспешными. Такое положение дел сохранилось и после того, как в начале 1980-х годов были разработаны модели инфляционного расширения ранней Вселенной, которые опирались не только на ОТО, но и на гипотезу ложного вакуума, позаимствованную у квантовой теории поля.

Инфляция — сверхбыстрое расширение Вселенной в самом начале ее существования. Оно возникает из-за того, что вакуум в этот момент находится в состоянии с очень большой положительной плотностью энергии, неизмеримо превышающей ее минимальное значение. Вакуум с наименьшей плотностью энергии называется истинным, с более высокой — ложным. Любой положительный вакуум действует как антигравитация, то есть заставляет пространство расширяться. Ложный вакуум с экстремально высокой плотностью энергии к тому же и крайне нестабилен, он быстро распадается, а его энергия идет на образование радиации и частиц, нагретых до чрезвычайно высоких температур. Этот вакуумный распад и есть то, что называют Большим взрывом. Он оставляет за собой обычное пространство, заполненное гравитирующей материей, которое расширяется с умеренной скоростью.

Однако существует один сценарий, который позволяет преодолеть тупик математических бесконечностей. Согласно этому сценарию, Вселенная возникла из ничего, точнее, из состояния, где нет ни времени, ни пространства, ни материи в классическом смысле этих терминов. Эта идея на первый взгляд кажется нелепой — как может ничто породить нечто? Или, если перейти от метафор к физике, как можно обойти фундаментальные законы сохранения? Скажем, закон сохранения энергии, который считается абсолютным. Энергии вещества и излучения всегда положительны, так как же они могли возникнуть из состояния с нулевой энергией.

О пользе замкнутости

К счастью, это затруднение вполне разрешимо — правда, не для любых вселенных, а только для замкнутых. Можно доказать, что полная энергия любой замкнутой вселенной в точности равна нулю. Как это может быть, коль скоро вселенная заполнена веществом и излучением? Однако есть еще энергия гравитации, которая, как известно, отрицательна. Оказывается, что в замкнутой вселенной положительный энергетический вклад частиц и электромагнитных полей точно компенсируется равным по величине и обратным по знаку вкладом поля тяготения, так что полная энергия всегда равна нулю. Этот вывод относится не только к энергии, но и к электрическому заряду. В замкнутой вселенной любому положительному заряду непременно сопутствует такой же заряд со знаком минус, так что полная сумма всех зарядов опять-таки оказывается нулевой. То же самое можно сказать и о прочих физических величинах, подчиняющихся строгим законам сохранения.

Что же из этого следует? Если замкнутая вселенная возникает из абсолютной пустоты, все сохраняющиеся величины как были, так и остаются нулевыми. Выходит, что фундаментальные законы сохранения вовсе не запрещают такого рождения. Теперь вспомним, что любой квантово-механический процесс, не запрещенный этими законами, может произойти, пусть даже и с очень малой вероятностью. Так что рождение замкнутой вселенной из ничего в принципе возможно. Этим квантовая механика отличается от класcической, где пустота сама по себе ничего рождать не может.

К началу времен

Шансы спонтанного рождения различных вселенных по такому сценарию можно вычислить: у физики есть для этого математический аппарат. Интуитивно очевидно, что они падают с увеличением размера вселенной, и уравнения это подтверждают: вселенные-лилипуты возникают с большей вероятностью, нежели вселенные покрупнее. При этом размер вселенной связан со свойствами ложного вакуума, который ее заполняет: чем выше плотность его энергии, тем меньше вселенная. Так что максимальные шансы на спонтанное рождение получают замкнутые микровселенные, начиненные высокоэнергетичным вакуумом.

Теперь допустим, что вероятность сработала в пользу этого сценария и на свет из ничего родилась замкнутая вселенная. Ложный вакуум создает отрицательную гравитацию, которая вынуждает новорожденную вселенную не сжиматься, а расширяться. В результате она будет эволюционировать от начального момента, который фиксирует ее спонтанное рождение. При подходе к этому моменту со стороны будущего мы не упираемся в бесконечности. Но вопрос о том, что было перед этим моментом, не имеет смысла, поскольку тогда не существовало ни времени, ни пространства.

Обязан иметь начало

Несколько лет назад я вместе с двумя соавторами доказал теорему, которая имеет прямое отношение к нашей проблеме. Грубо говоря, она утверждает, что любая вселенная, которая в среднем расширяется, обязательно имеет начало. Уточнение «в среднем» имеет тот смысл, что на каких-то этапах вселенная может сжиматься, но на протяжении всего своего существования она все-таки преимущественно расширяется. А вывод о существовании начала означает, что у этой вселенной есть истории, которые при продолжении в прошлое обрываются, их мировые линии имеют определенные начальные точки. Напротив, любая вселенная, которая существует вечно, таких мировых линий иметь не может, все ее истории непрерывно уходят в прошлое на бесконечную глубину. А поскольку вселенные, которые рождаются в результате инфляционных процессов, удовлетворяют условиям теоремы, они обязаны иметь начало.

Можно также математически смоделировать замкнутую вселенную, которая бесконечно долго находилась в статичном состоянии, а потом стала расширяться. Понятно, что наша теорема к ней не относится, ведь усредненная по времени скорость ее расширения равна нулю. Однако у такой вселенной всегда будут шансы сколлапсировать: этого требует квантовая механика. Вероятность коллапса может быть очень малой, но поскольку вселенная пребывает в статичном состоянии бесконечное время, он непременно произойдет, и такая вселенная просто не доживет до расширения. Так что мы вновь приходим к выводу, что расширяющаяся вселенная обязана иметь начало. Естественно, что он относится и к нашей собственной Вселенной.

Дата добавления: 2015-06-28