Является ли Вселенная квантовой флуктуацией?

Может ли наука выяснить, как возникла Вселенная? Модель Большого взрыва реконструировала историю Вселенной примерно с одной десятитысячной секунды после «взрыва» и вплоть до образования первых атомов водорода и разделение фотонов, когда Вселенной было около 400 000 лет.

Этот последний процесс породил космическое микроволновое фоновое излучение, открытое в 1965 году.

Разрушение физики, какой мы ее знаем

В своем младенчестве Вселенная была заполнена первобытным бульоном из излучения и элементарных частиц, которые яростно сталкивались. Эта картина ранней Вселенной оказалась удивительно удачной, что побудило физиков продвинуть свои модели настолько далеко назад во времени, насколько это возможно.

Но как далеко они могут забраться? Насколько близко к самому происхождению могут подойти научные модели? Могли ли они пройти весь путь до t = 0, до начала всего? Или понятие течения времени теряет свое значение по мере приближения к истоку?

Это старая проблема, которую иногда называют Первопричиной. Если действительно существует внезапное начало всего, Вселенная, которая становится самой собой в какой-то момент в прошлом, то она должна быть вызвана беспричинной причиной — причиной, которой не может предшествовать ничто другое.

Любая модель происхождения Вселенной использует установленные физические законы и помещает их в концептуальные рамки физики. Наука не может не использовать что-то для описания вещей, и это что-то предполагает существование материального субстрата.

Другими словами, чтобы увидеть, как что-то вылупляется, нам нужно начать с яйца, и вопрос в том, откуда взялось это яйцо. Легко впасть в бесконечную регрессию — проблему, известную как «Путь черепахи до самого низа».

Таким образом, построение работоспособной модели происхождения Вселенной не решает вопроса, почему Вселенная устроена именно так. Наука, безусловно, дает много ответов на вопросы о Вселенной, но мы не должны упускать из виду ее ограничения.

Математически экстраполяция любой из традиционных космологических моделей на время t = 0 приводит к тому, что называется сингулярностью. Плотность материи становится бесконечной, кривизна пространства-времени становится бесконечной, а расстояние между любыми двумя наблюдателями стремится к нулю.

Как бы тревожно это ни звучало, существование сингулярности не следует воспринимать слишком серьезно. Это свидетельствует о крахе общей теории относительности и физики, какой мы ее знаем, в экстремальных условиях, которые преобладали в самые первые моменты существования Вселенной.

По сути, сингулярность сигнализирует о нашем невежестве в физике в этих очень высоких масштабах энергии. Тут нужно что-то другое, а идей предостаточно. Наиболее многообещающие из них требуют сочетания общей теории относительности и квантовой механики.

Квантовая нечеткость в ранней Вселенной

Наиболее драматический эффект квантовой механики — это присущая материи нечеткость, которая проявляется на атомных и субатомных расстояниях. Вблизи сингулярности Большого взрыва вся геометрия Вселенной должна рассматриваться квантовой механикой, и поэтому сами понятия пространства и времени становятся размытыми. Возможно, квантовая механика притупит остроту сингулярности, сделав ее нечеткой.

Было много попыток совместить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой, но пока их обещания намного превосходят их успех.

Некоторые из лучших умов в области теоретической физики в настоящий момент заняты, пытаясь заставить все это работать. Все авторы, работающие в этой области, должны согласиться с тем, что любое заявление о понимании физических условий вблизи сингулярности следует встречать с существенным скептицизмом. И все же мы двигаемся вперед. Мы должны попытаться получить хоть какую-то информацию о своеобразной физике, которая господствовала в начале Вселенной.

В 1973 году Эдвард Трайон предложил новаторскую идею о том, как применить квантовую механику к зарождению Вселенной. Он предположил, что квантовая нечеткость возникает не только при измерении положений и скоростей, но также применима к измерениям энергии и времени.

В мире очень малых размеров возможно нарушение закона сохранения энергии на очень короткое время, предположил Трайон, даже если чистая энергия Вселенной равна нулю.

Это не так безумно, как кажется. Представьте себе бильярдный шар, спокойно лежащий на земле. Если он не движется, у него нет кинетической энергии. Если мы измерим гравитационную потенциальную энергию снизу вверх, он также не имеет потенциальной энергии. Шар покоится в состоянии нулевой энергии. Теперь превратите шар в электрон. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, мы не можем одновременно локализовать электрон и определить его скорость. Нечеткость, присущая электрону, запрещает это.

«Ничто» полно возможностей

Таким образом, в квантовой механике нет состояния с нулевой энергией. Существует только минимально возможное энергетическое состояние системы, ее основное состояние.

Теперь, если в энергии системы есть присущая ей неопределенность, то энергия основного состояния может колебаться. Если мы назовем это основное состояние квантовым вакуумом, то из этого следует, что квантовый вакуум всегда имеет некоторую структуру. Не существует такой вещи, как настоящий вакуум в смысле полной пустоты. Квантовая механика запрещает ничто.

Если в квантовом вакууме есть энергетические флуктуации, могут происходить очень интересные вещи.

Например, уравнение E = mc ² говорит нам о взаимопревращаемости энергии и материи. Флуктуации энергии вакуума могут быть преобразованы в частицы материи. Звучит странно? Возможно, но это происходит постоянно. Эти частицы называются виртуальными частицами, которые проживают мимолетное существование, прежде чем снова погрузиться в квантовый вакуум.

Эдвард Трайон экстраполировал идею квантовых флуктуаций на Вселенную в целом. Он рассудил, что если бы все, что существовало, было квантовым вакуумом, то флуктуация энергии из этого вакуума, подобная пузырю, могла бы породить Вселенную. Он предположил, что вся Вселенная является результатом флуктуаций вакуума, происходящих из того, что мы могли бы назвать квантовым небытием.

Предположение Трайона относится к категории вселенных, имеющих начало, но созданных из ничего. Однако небытие здесь, как и во всех других примерах квантово-сотворенных вселенных, последовавших за вдохновляющей идеей Трайона, следует понимать в терминах квантово-механического небытия, а не абсолютного небытия, которое переводится в полную пустоту. В физике просто невозможно получить что-то из ничего. Творение ex nihilo (лат. — из ничего) — это не путь природы.