Так говорил физик Брайан Кокс (Brian Cox) в недавнем сериале BBC «Вселенная». Угасание этой последней звезды будет лишь началом бесконечно долгой тёмной эпохи. В конечном итоге вся материя будет поглощена чудовищными чёрными дырами, которые, в свою очередь, испарятся, превратившись в самые тусклые проблески света. Пространство будет расширяться все дальше и дальше, пока даже этот тусклый свет не станет слишком рассеянным, чтобы взаимодействовать. Активность прекратится.
Или будет так? Как ни странно, некоторые космологи полагают, что предыдущая холодная тёмная пустая Вселенная, подобная той, которая находится в нашем далёком будущем, могла быть источником нашего собственного Большого взрыва.
Первая материя
Но прежде чем мы перейдём к этому, давайте посмотрим, как впервые возникла «материя» — физическая материя. Если мы стремимся объяснить происхождение стабильной материи, состоящей из атомов или молекул, то, безусловно, ничего подобного не было ни во время Большого взрыва, ни в течение сотен тысяч лет после него. На самом деле у нас есть довольно подробное представление о том, как первые атомы образовались из более простых частиц, когда условия достаточно остыли, чтобы сложная материя стала стабильной, и как эти атомы позже слились в более тяжелые элементы внутри звёзд. Но это понимание не решает вопроса о том, возникло ли что-то из ничего.
Итак, давайте задумаемся. Первыми долгоживущими частицами материи любого рода были протоны и нейтроны, которые вместе составляют атомное ядро. Они возникли примерно через одну десятитысячную секунды после Большого взрыва. До этого момента действительно не было никакого материала в привычном понимании этого слова. Но физика позволяет нам проследить временную шкалу в обратном направлении — к физическим процессам, которые предшествовали любой стабильной материи.
Это переносит нас в так называемую «Эпоху Великого Объединения». К настоящему времени учёные уже далеко продвинулись в области спекулятивной физики, хоть в своих экспериментах они не могут производить достаточно энергии, чтобы исследовать процессы, происходившие в то время. Но правдоподобная гипотеза состоит в том, что физический мир состоит из супа короткоживущих элементарных частиц, включая кварки, строительные блоки протонов и нейтронов. Там были в равных количествах также и материя, и «антивещество»: у каждого типа частиц материи, таких как кварк, есть спутник — «зеркальное отражение» антивещества, который почти идентичен самому себе, отличаясь только в одном аспекте. Однако при встрече материя и антивещество аннигилируют во вспышке энергии, а это означает, что эти частицы постоянно создаются и разрушаются.
Но как эти частицы вообще появились на свет? Квантовая теория поля говорит нам, что даже вакуум, предположительно соответствующий пустому пространству-времени, полон физической активности в форме энергетических флуктуаций. Эти колебания могут привести к появлению частиц, которые появляются только для того, чтобы вскоре исчезнуть. Это может показаться скорее математической причудой, чем реальной физикой, но такие частицы были обнаружены в бесчисленных экспериментах.
Состояние вакуума в пространстве-времени переполнено частицами, которые постоянно создаются и разрушаются, по-видимому, «из ничего». Но, возможно, всё это действительно говорит нам о том, что квантовый вакуум (несмотря на своё название) является чем-то, а не ничем. Философ Дэвид Альберт (David Albert) незабываемо раскритиковал рассказы о Большом взрыве, которые обещают таким образом получить что-то из ничего.
Предположим, мы спрашиваем: откуда возникло само пространство-время? Затем мы можем повернуть часы ещё дальше назад, в поистине древнюю «Планковскую эпоху» — период настолько ранней истории Вселенной, что лучшие физические теории учёных просто рушатся. Эта эра произошла всего на одну десятимиллионную триллионную триллионную триллионную долю секунды после Большого взрыва. В этот момент само пространство и время стали подвержены квантовым флуктуациям. Физики обычно работают отдельно с квантовой механикой, которая управляет микромиром частиц, и с общей теорией относительности, которая применима к большим космическим масштабам. Но чтобы по-настоящему понять Планковскую эпоху, нам нужна полная теория квантовой гравитации, объединяющая их.
У человечества всё ещё нет совершенной теории квантовой гравитации, но есть попытки это объяснить — теория струн и петлевая квантовая гравитация. В этих попытках обыкновенные пространство и время обычно рассматриваются как возникающие, подобно волнам на поверхности глубокого океана. То, что мы воспринимаем как пространство и время, является продуктом квантовых процессов, действующих на более глубоком, микроскопическом уровне — процессов, которые не имеют особого смысла для нас, как существ, укоренённых в макроскопическом мире.
В Планковскую эпоху наше обычное понимание пространства и времени рушится, поэтому мы больше не можем полагаться на наше обычное понимание причины и следствия. Несмотря на это, все теории-кандидаты квантовой гравитации описывают нечто физическое, происходившее в эпоху Планка, — некий квантовый предшественник обычного пространства и времени. Но откуда это взялось?
Даже если причинно-следственная связь больше не применяется каким-либо обычным способом, всё ещё возможно объяснить один компонент Вселенной Планковской эпохи с точки зрения другого. К сожалению, к настоящему времени даже наша лучшая часть физики полностью не даёт ответов. Пока мы не продвинемся дальше в направлении «теории всего», мы не сможем дать никакого окончательного ответа. Максимум, что учёные могут с уверенностью сказать на данном этапе, — это то, что физика до сих пор не нашла подтверждённых примеров того, что что-то возникает из ничего.
Циклы практически из ничего
Чтобы правильно ответить на вопрос, как что-то могло возникнуть из ничего, нам нужно было бы объяснить квантовое состояние всей Вселенной в начале Планковской эпохи. Все попытки сделать это остаются в высшей степени спекулятивными. Некоторые из них обращаются к сверхъестественным силам. Но другие возможные объяснения остаются в сфере физики — например, Мультивселенная, содержащая бесконечное число параллельных Вселенных, или циклических моделей Вселенной, которая рождается и возрождается заново.
Лауреат Нобелевской премии 2020 года физик Роджер Пенроуз (Roger Penrose) предложил одну интригующую, но противоречивую модель циклической Вселенной, получившую название «конформная циклическая космология». Пенроуза вдохновила интересная математическая связь между очень горячим, плотным, маленьким состоянием Вселенной — каким оно было во время Большого взрыва — и чрезвычайно холодным, пустым, расширенным состоянием Вселенной — каким оно будет в далеком будущем. Его радикальная теория, объясняющая это соответствие, заключается в том, что эти состояния становятся математически идентичными, когда их доводят до предела. Как ни парадоксально это может показаться, полное отсутствие материи могло дать начало всей материи, которую мы видим вокруг нас в нашей Вселенной.
С этой точки зрения, Большой взрыв возникает практически из ничего. Это то, что осталось, когда вся материя во Вселенной была поглощена чёрными дырами, которые, в свою очередь, выкипели в фотоны — потерялись в пустоте. Таким образом, вся вселенная возникает из чего-то, что — если смотреть с другой физической точки зрения — настолько близко, насколько это вообще возможно ни к чему. Но это ничто по-прежнему является чем-то вроде чего-то. Это всё ещё физическая вселенная, какой бы пустой она ни была.
Как может одно и то же состояние быть холодной пустой Вселенной с одной точки зрения и горячей плотной Вселенной с другой? Ответ кроется в сложной математической процедуре, называемой «конформным масштабированием», геометрическим преобразованием, которое фактически изменяет размер объекта, но оставляет его форму неизменной.
Пенроуз показал, как холодное плотное состояние и горячее плотное состояние могут быть связаны таким масштабированием, чтобы они соответствовали формам их пространства-времени, хотя и не своим размерам. По общему признанию, трудно понять, как два объекта могут быть идентичными таким образом, когда они имеют разные размеры, но Пенроуз утверждает, что размер как понятие теряет смысл в таких экстремальных физических условиях.
В конформной циклической космологии направление объяснения идёт от старого и холодного к молодому и горячему: горячее плотное состояние существует благодаря холодному пустому состоянию. Но это «потому что» не является привычным — причина, за которой во времени следует её следствие. В этих экстремальных состояниях перестает иметь значение не только размер, но и время. Холодное плотное состояние и горячее плотное состояние фактически расположены на разных временных шкалах. Холодное пустое состояние будет продолжаться вечно с точки зрения наблюдателя в его собственной временной геометрии, но горячее и плотное состояние, которое оно порождает, эффективно обитает на новой временной шкале самостоятельно.
Это может помочь понять горячее плотное состояние, возникающее из холодного пустого состояния каким-то непричинным образом. Возможно, нам следует сказать, что горячее плотное состояние возникает из холодного, пустого состояния, основывается на нём или реализуется в нём. Это явно метафизические идеи, которые широко исследовались философами науки, особенно в контексте квантовой гравитации, где обычные причины и следствия, похоже, не работают. На пределе наших знаний физику и философию трудно отделить друг от друга.
Экспериментальные доказательства?
Конформная циклическая космология предлагает некоторые подробные, хотя и умозрительные, ответы на вопрос о том, откуда произошёл наш Большой взрыв. Но даже если видение Пенроуза подтвердится будущим прогрессом космологии, остаётся вероятность, что мы всё равно не ответим на более глубокий философский вопрос — вопрос о том, откуда взялась сама физическая реальность. Как возникла вся система циклов? Тогда мы, наконец, приходим к чистому вопросу о том, почему существует что-то, а не ничего — один из самых больших вопросов метафизики.
Но мы сосредоточены здесь на объяснениях, которые остаются в области физики. Есть три широких варианта ответа на более глубокий вопрос о том, как начались циклы. Это вообще не могло иметь физического объяснения. Или могут существовать бесконечно повторяющиеся циклы, каждый из которых представляет собой отдельную Вселенную, с начальным квантовым состоянием каждой Вселенной, объяснённым какой-либо особенностью Вселенной ранее. Или может существовать один единственный цикл и одна повторяющаяся Вселенная, причём начало этого цикла объясняется какой-то особенностью его собственного конца. Последние два подхода исключают необходимость в каких-либо беспричинных событиях — и это придаёт им особую привлекательность. Физика не оставит ничего необъяснимого.
Пенроуз предполагает последовательность бесконечных новых циклов по причинам, частично связанным с его собственной предпочтительной интерпретацией квантовой теории. В квантовой механике физическая система существует в суперпозиции множества различных состояний одновременно и только случайно «выбирает одно», когда мы её измеряем. Для Пенроуза каждый цикл включает случайные квантовые события, происходящие по-разному — это означает, что каждый цикл будет отличаться от тех, которые были до и после него. На самом деле это хорошая новость для физиков-экспериментаторов, потому что она может позволить нам взглянуть на старую Вселенную, которая дала начало нашей, по слабым следам или аномалиям в остатках излучения от Большого взрыва, наблюдаемого спутником Планка.
Пенроуз и его коллеги полагают, что они, возможно, уже заметили эти следы, приписывая закономерности в данных Планка излучению сверхмассивных чёрных дыр в предыдущей Вселенной. Однако их заявленные наблюдения были оспорены другими физиками, и в данном случае жюри остаётся в стороне.
Бесконечные новые циклы являются ключом к собственному видению Пенроуза. Но есть естественный способ преобразовать конформную циклическую космологию из многоцикловой в одноцикловую форму. Тогда физическая реальность состоит в одном цикле, проходящем через Большой взрыв до максимально пустого состояния в далёком будущем, а затем снова до того же самого Большого взрыва, снова порождающего ту же самую Вселенную.
Эта последняя возможность согласуется с другой интерпретацией квантовой механики, получившей название многомировой интерпретации. Многомировая интерпретация говорит нам, что каждый раз, когда мы измеряем систему, находящуюся в суперпозиции, это измерение не выбирает состояние случайным образом. Вместо этого результат измерения, который мы видим, является лишь одной возможностью — той, которая имеет место в нашей собственной Вселенной. Все остальные результаты измерений воспроизводятся в других Вселенных Мультивселенной, фактически отрезанной от нашей. Поэтому независимо от того, насколько мала вероятность того, что что-то произойдёт, если у этого есть ненулевая вероятность, то это происходит в каком-то квантовом параллельном мире. В других мирах есть такие же люди, как вы, которые выиграли в лотерею, или были унесены в облака чудовищным тайфуном, или спонтанно воспламенились, или сделали всё это одновременно.
Некоторые люди считают, что такие параллельные вселенные также могут наблюдаться в космологических данных, поскольку они являются следами столкновения другой Вселенной с нашей.
Квантовая теория многих миров даёт новый поворот конформной циклической космологии, хотя и не тот, с которым согласен Пенроуз. Наш Большой взрыв может быть возрождением одной единственной квантовой Мультивселенной, содержащей бесконечно много различных Вселенных, происходящих вместе. Происходит всё возможное — потом это происходит снова, и снова, и снова.
Древний миф
Для философа науки видение Пенроуза завораживает. Это открывает новые возможности для объяснения Большого взрыва, выходящие за рамки обычных причин и следствий. Поэтому это отличный тест для изучения различных способов, которыми физика может объяснить наш мир. Это заслуживает большего внимания со стороны философов.
Для любителей мифов видение Пенроуза прекрасно. В излюбленной многоцикловой форме Пенроуза он обещает бесконечные новые миры, рождённые из пепла их предков. В своей одноцикловой форме это поразительное современное повторение древней идеи уробороса, или мирового змея. В скандинавской мифологии змей Ёрмунганд — ребёнок Локи, ловкого обманщика, и великанши Ангрбоды. Ёрмунганд пожирает свой собственный хвост, а созданный круг поддерживает равновесие в мире. Но миф об уроборосе был задокументирован в разных уголках мира, в том числе ещё в Древнем Египте.
Уроборос единой циклической вселенной поистине величественен. Он содержит в своём чреве нашу собственную Вселенную, а также каждую из странных и чудесных альтернативных возможных Вселенных, допускаемых квантовой физикой, — и в точке, где его голова встречается с хвостом, он полностью пуст, но также наполнен энергией при температурах в сто тысяч миллионов миллиардов триллионов градусов Цельсия. Этим, возможно, был бы даже впечатлён меняющий обличья Локи.
