Физика возникновения из Ничего

Возможно, Вселенная имеет бесконечное множество предысторий. Иллюстрация NASA

Парадигмальный свинг

В классической картине мира, открытой Исааком Ньютоном, оставалась неразгаданной природа света. Скорость света впервые измерил датский астроном Олаф Рёмер за 11 лет до публикации «Начал натуральной философии» (1687) Ньютона. Англичанин понимал свет как поток частиц, некоторые его опыты этому соответствовали, а другие – противоречили. Парадокс, связанный с движением вдоль луча света, возник потому, что теория Ньютона не предполагала ограничений скорости тела.

Другой нерешенный вопрос, парадокс – ультрафиолетовая катастрофа, – возник из-за того, что теория электромагнетизма Джеймса Максвелла не устанавливала нижнего предела для длины волны. Ограничение на скорость света в теории Альберта Эйнштейна обуздало бесконечно большую скорость распространения волн, а квантовая теория Макса Планка сумела разрешить парадокс бесконечно малых длин этих волн.

Все это свидетельствует о том, что рано или поздно для объяснения фактов, выходящих за рамки «нормальной» науки, приходится менять само основание научного знания, то есть научные парадигмы. Смена парадигм ведет к научной революции.

В физике произошло несколько научных революций, не один раз менялась и господствующая парадигма. Механическая картина мира была сформирована Галилеем и Ньютоном; в начале XIX века французский ученый Садди Карно дополнил ее термодинамическим аспектом, в конце XIX века Максвелл, Эрстед и Фарадей указали на волновую (электромагнитную) природу происходящих взаимодействий.

Если в теории Ньютона время и пространство жестко зафиксированы, то Эйнштейн поставил такую картину мира под сомнение – в итоге научной революции первой половины XX века время и пространство теперь понимается как единое проявление гибкого четырехмерного пространственно-временного континуума. Это дало толчок к еще одному парадигмальному сдвигу, связанному с иным взглядом на природу вещества и фундаментальных взаимодействий. Появилась квантовая механика, в которой частицы больше не считаются твердыми, катящимися по неподвижному пространству шариками, а представляются размытыми по ткани времени и пространства волнами.

В науке первых десятилетий XX века формируется принцип модельно-зависимого реализма, восходящий к Нильсу Бору. Согласно модельно-зависимому реализму, для того чтобы наиболее точно описать физический объект, относящийся к микромиру, его нужно описывать во взаимоисключающих, дополнительных системах описания, например одновременно и как волну, и как частицу.

Классическая логика оказывается недостаточной для понимания квантового микромира. К тому же корпускула не остается статичной, а постоянно «волнится», находясь одновременно во всех состояниях, которые может принимать в течение космической истории. Разнятся лишь вероятности, с которыми ее обнаруживает физик при измерении.

Синергетика не спасает

Из этого постулата о роли измерения берет начало третья крупная физическая парадигма, пришедшая на смену классической и неклассической физике. Обращение к сложноорганизованным эволюционирующим и неравновесным системам привело исследователей к принципиально новой теории – синергетике. Термин ввел немецкий физик Герман Хакен от греческого sinergeia – сотрудничество, содействие.

Вопрос возникновения простого из сложного, живого из неживого, на который пытается ответить синергетика, считается в науке одним из самых трудноразрешимых. Ученым все чаще приходится изучать явления, где более интенсивные внешние воздействия приводят к качественному скачку в поведении системы. Идеи синергетики, к примеру, позволяют оценить взаимодействие элементов неживой системы и познающего мозга. Эта проблема появления качественно новых характеристик имеет большое значение для всего научного знания, и в частности для медицины, потому что она изучает наиболее сложную систему – человеческий организм.

Синергетика обратила внимание на вклад одной частицы в поведение гигантского массива частиц. Прежняя же физическая парадигма описывала законы микромира в условиях созданной в лаборатории искусственно заниженной энтропии. Синергетика изучает, как взмах крыльев бабочки может вызвать цунами за тысячи километров, или как сказал физик Пол Дирак, «сорванный цветок на Земле сдвигает с места дальнюю звезду».

С обнаружением элементарной «частицы бога» – бозона Хиггса, удалось завершить так называемую Стандартную модель частиц (12 строительных блоков материи – шесть кварков и шесть лептонов). Бозон Хиггса, вернее, поле частиц Хиггса – это то, что придает массу всем другим частицам, делает материю материей. Все силы, что действуют на Земле, известны. В космосе существуют темная материя частицы и темная энергия, которые могут полностью перевернуть наши представления о физике.

В какой-то момент наши знания резко обрываются, подталкивая науку на уровень глубже. У ученых остается один выход: держаться за известное как можно дольше, а затем прыгнуть в неизведанное.

Мы стоим на пороге новой физической теории, которая будет развертываться в науке XXI века. Эта четвертая парадигма ставит вопрос о том, как Вселенная сумела появиться и развиться в целом, как Нечто вообще способно появиться из Ничего, как внутри Вселенной самопроявляется не существовавшая прежде материя, а отрицательная энергия вакуума и гравитации создает огромные скопления масс и энергий.

Четвертая парадигма

Если все прежние научные подходы были позитивистскими, то есть изучали «реально» существующую, «положительную материю», то четвертая научная парадигма сосредоточится на исследовании природы темной энергии и космического вакуума, или, в терминах философии, Ничто, или даже того, что еще меньше, чем Ничто.

Существует несколько стратегий поиска более глубокой, всеобъемлющей и истинной теории, которая стала бы основой четвертой, объединяющей парадигмы. Если мы посмотрим на историю развития науки, то появление новых теорий в физике похоже на открывание матрешек. Внутри каждой матрешки находится еще одна, поменьше, а внутри каждой изящной и непротиворечивой теории – более глубокая и не менее изящная. Так что сделать из одной частной теории другую, более развитую и всеобъемлющую, вряд ли получится: чтобы такая теория родилась, нам надо произвести новую революцию.

Уже сейчас в физике прослеживаются теории и подходы, которые не вписываются в образец «нормальной науки». Какая тема современной физики могла бы стать предметом рассмотрения четвертой научной парадигмы? Самым вероятным кандидатом является темная энергия.

Темная энергия – это неясный космологический параметр, введенный в уравнения теории относительности еще Эйнштейном. В новом столетии на смену Большому взрыву приходит теория инфляции. Согласно теории Большого взрыва, масса вещества в момент сингулярности, когда Вселенная родилась, должна была превосходить 1083 кг – практически бесконечная масса.

Возникает вопрос: откуда взялось это количество вещества, если до момента возникновения Вселенной ничего не было? Мы натыкаемся на препятствие, непреодолимое в рамках прежней физики. Инфляционная теория научилась объяснять, как можно всю эту массу получить из меньше чем 1 мг вещества. Вся материя в теории инфляции возникает из отрицательной энергии гравитационного поля.

Важное открытие, сделанное нобелевским лауреатом Солом Перлмутером в 1998 году, свидетельствует о факте ускоренного расширения Вселенной. Окружающий космос не только не замедляет своего расширения, но и двигается (удаляется от нас) все быстрее и быстрее. В процессе расширения Вселенной появляется дополнительное пустое пространство. Квантовый вакуум (его еще называют «ложным» вакуумом) имеет структуру, подчиняющуюся сложным и глубоким законам физики. Мы предполагаем, что в каждом кубическом сантиметре пространства содержится определенная энергия в дополнение к энергии частиц, бозонов и объектов, «реально» присутствующих в этом маленьком объеме. Эта минимальная порция энергии, в отличие от гравитации, не притягивает, а расталкивает объекты Вселенной. В этом и заключается открытие Сола Перлмутера. Эту энергию физики назвали «темной».

Но почему вообще существует такое явление, как квантовый, или ложный вакуум, наполненный «темной энергией»? Как заметил физик, один из авторов инфляционной теории Алан Гут: «Предположение, что Вселенная появилась из пустого пространства, выглядит не более фундаментальным, чем предположение, что Вселенная родилась из куска каучука. Оно может быть верным, но все равно возникает вопрос о том, откуда взялся кусок». Другими словами, нам нужно иное, более универсальное объяснение – открыть еще одну матрешку.

Материя – это математика

Как Вселенная могла возникнуть из Ничего и причем здесь энергия гравитации? Положительной энергии, запертой в телах в электромагнитных, слабых и сильных связях, мы можем противопоставить равное количество отрицательной энергии самого пространства-времени. Возникают ли положительная энергия вещества и отрицательная энергия гравитации одновременно?

Вселенная имеет равное количество энергий – положительной и отрицательной. Максимально искривленное и сжатое гравитацией протосостояние Вселенной в момент инфляционного расширения увеличилось в диаметре с нескольких сантиметров до размера галактики Млечный Путь и далее. Комок сингулярности раскрылся, словно бутон тюльпана, пространство выпрямилось и стало плоским. Исходя из наблюдений за реликтовым излучением, в настоящий момент космической истории мы наблюдаем плоскую Вселенную, в которой если и есть кривизна, то совсем незначительная – она составляет не больше одного градуса. «Положительная» материя в такой Вселенной полностью уравновешивается тяготением.

Структура физических, химических и биологических связей в таком универсуме – исключительно виртуальная. Возможно, она действительна лишь в математическом смысле, не нуждается ни в каком физическом носителе, чтобы существовать. Физик и математик Макс Тегмарк высказал предположение, согласно которому каждая непротиворечивая физическая или математическая теория работает в отдельном реально существующем мире. В качестве подтверждения этой мысли он приводит гипотезу множественных миров, согласно которой наша Вселенная имела бы слишком большую привилегию, если бы существовала в единственном числе.

Если таких универсумов бесконечно много, то значение математики – умозрительной, не существующей в физическом смысле сущности – приобретает воистину колоссальный масштаб. Любая ее аксиома, теорема и гипотеза будет априори верна, но для какого-то особого специфического мира. Остается лишь выяснить, существует ли наша Вселенная в единственном числе, или здесь ее видимая уникальность ограничена тем, что мы не можем вырваться за границы физического космоса.

В мире, где каждая частица связана с любой другой частицей по механизму квантовой сцепленности, такое фундаментальное понятие, как пространство, становится необязательным. Нам не нужно иметь дополнительную арену для того, чтобы на ней разворачивалась космическая игра полей и частиц. Заметьте, что до этого момента мы принимали пространство вполне всерьез. В новой парадигме, если вся Вселенная является одной неразделимой волновой функцией, нам для ее развертывания вовсе не обязательно иметь даже трехмерие. Достаточно лишь практически бесконечного набора отдельных двумерных плоскостей.

Число измерений в таком пространстве в соответствии с голографическим принципом нобелевского лауреата Герарда Тхофта редуцируется до двух или вообще одного. Теории струн, суперструн, бран и М-теория пытаются описать физическую реальность как состоящую из крохотных энергетических струн, вибрирующих в многомерном пространстве.

Открытие аргентинского физика Хуана Малдасены, которое он совершил в 1998 году, состоит в том, что мы живем в голографическом мире, окруженном четырехмерной границей по краям, как двумерную поверхность воздушного шара окружает воздух, содержащийся внутри сферы. Уравнения границы содержат ту же информацию и описывают те же физические явления, что и более сложные уравнения для всей остальной Вселенной.

Иными словами, влияние гравитации на внутреннюю часть такого мира математически эквивалентно теории квантового поля на его границе. Мы живем на двумерной поверхности горизонта, но верим, что находимся внутри него, а видимая Вселенная – проекция трехмерной голограммы на двумерную поверхность.

Мы на пути создания новой объединяющей теории, о которой всю жизнь мечтал Стивен Хокинг. Выходит, что гравитация – если придерживаться постулата о конечной скорости распространения взаимодействия и открытия Хуана Малдасены – это не реально существующая сила, которая вызвана колоссальным искривлением ткани пространства-времени, произошедшим в момент Большого взрыва (или инфляции), а лишь некая информация о том, что эта сила наличествует.

Физика самовозникновения

Такая новая физика самовозникновения, или возникновения из Ничего, основана на существовании эмерджентных феноменов – тех феноменов, которых нет на низших уровнях рассмотрения системы.

Приведем лингвистическую аналогию. Если мы посмотрим, как устроен текст, в каком порядке расставлены слова или связаны между собой предложения, то мы нигде не найдем объемной трехмерной структуры, хотя у текста может возникать дополнительная смысловая нагрузка, «химическая» связь между словами, разнесенными далеко по странице. Эти неожиданные «валентные» отношения не заложены в самих словах или в их нагромождении. Так же и в мозге – в огромном дереве с триллионами дендритов: информация в нейронах связана с другой информацией во всех плоскостях трехмерной структуры. При этом, когда мы передаем мысли собеседнику, мы сообщаем их линейно, последовательно, слово за словом, предложение за предложением, и в такой передаче нет той объемной структуры, какая присутствует в нейронах живого мозга.

Раз мы поняли, как Вселенная могла появиться из флюктуаций вакуума, растянутых на огромные расстояния инфляционным расширением пространства, давайте перейдем к логическому объяснению, почему причина ее существования в целом может и отсутствовать.

Куммулятивный эффект виртуальных частиц с учетом бесконечности пространства в итоге приводит к тому, что замороженные квантовые флюктуации, пары виртуальных частиц разносятся на гигантские расстояния и застывают, создавая те массы и энергии галактик, которые мы наблюдаем сейчас. Каждое новое состояние Вселенной может и не иметь зачатка в прошлом. В момент Большого взрыва теория относительности Эйнштейна прекращает работать и не может предсказать начало Вселенной – только то, как она развивалась позже: в состоянии первоначальной сингулярности частицы движутся всеми возможными путями, а Вселенная имеет бесконечное множество предысторий.

Если гравитация – это информация, то в будущем мы сможем изменить саму структуру информации и ту силу притяжения, которую создает тело. Кто знает, что даст нам теория Эйнштейна, согласованная с квантовыми эффектами: возможно, мы получим власть над самим Пространством и Временем. «Наша способность путешествовать во времени зависит от законов квантовой гравитации, – заявляет физик Кип Торн, лауреат Нобелевской премии и первооткрыватель гравитационных волн. – И мы всего в нескольких шагах от их полного понимания. Нам нужно всего лишь 20–30 лет, а может, и того меньше».

Итогом крупномасштабной научной революции станет понимание того, что для разных событий во Вселенной нет единого блока настоящего момента. Традиционная же теория времени, которая применяется и в квантовой механике, утверждает, что континуум представляет собой четырехмерный пространственно-временной блок, растущий во временном измерении. Мы больше не сможем иметь дело с единым мигом настоящего, все, что у нас есть, – это мириады отдельных условных настоящих моментов в миниатюре. Единое плато настоящего – умозрительное творение человеческого ума. На нем и происходит весь тот обмен опытом, идеями и культурой, которыми богат человеческий род. Альберт Эйнштейн в связи со смертью близкого друга написал: «Сейчас он ушел из этого странного мира немного раньше меня. Это ничего не означает. Для нас, убежденных физиков, различие между прошлым, настоящим и будущим – не более чем иллюзия, хотя и весьма навязчивая».

Мы можем свидетельствовать рождение четвертой крупной физической парадигмы вслед за классической, неклассической и постклассической теорией хаоса и синергетики – парадигмы эмерджентной физики, физики возникновения материального из бесформенности несуществующего. Это событие – великий объединяющий шаг, потому что новая теория закроет зияющую брешь между квантовым миром и физикой теории относительности. В начале XXI века мы стоим на пороге новой, возможно, уже не очередной революции.

Ростов-на-Дону