Всё из ничего: Как возникла Вселенная

Как следствие, вы можете думать, что это «нечто», порожденное квантовой флуктуацией, эфемерно, его нельзя зарегистрировать, в отличие, скажем, от нас с вами или Земли, на которой мы живем. Однако и это эфемерное создание подвержено влиянию обстоятельств, которые связаны с тем, что мы нечто наблюдаем и измеряем. Рассмотрим, например, электрическое поле, которое создает заряженный объект. Оно, несомненно, реально. Можно ощутить силу статического электричества волос или пронаблюдать, как воздушный шарик прилипает к стене. Однако квантовая теория электромагнетизма говорит, что статическое поле появляется, потому что заряженные частицы, задействованные в его выработке, испускают виртуальные фотоны, полная энергия которых, в сущности, равна нулю. Поскольку энергия этих виртуальных частиц равна нулю, они могут распространяться по Вселенной, не исчезая, и поле, вызванное суперпозицией множества таких частиц, настолько реально, что его можно ощутить.

Иногда условия таковы, что из пустого пространства безнаказанно возникают самые настоящие массивные частицы. Например, когда две заряженные пластины подносят друг к другу и электрическое поле между ними становится достаточно сильным, в нем складываются нужные энергетические условия для возникновения из вакуума реальной пары «частица – античастица», причем отрицательный заряд движется к положительно заряженной пластине, а положительный – к отрицательной. При этом возможно, что уменьшение энергии, вызванное уменьшением общего заряда на каждой пластине, а следовательно, и электрического поля между ними, окажется больше, чем энергия, связанная с энергией массы покоя, необходимой для рождения двух реальных частиц. Конечно, для создания таких условий сила поля должна быть очень велика.

На свете есть места, где подобное явление возможно благодаря сильным полям другого рода – не электрическим, а гравитационным. Эта мысль в 1974 г. сделала Стивена Хокинга известным среди физиков: он показал, что черные дыры, вырваться из которых невозможно, по крайней мере если исключить соображения квантовой механики, на самом деле способны испускать физические частицы.

Есть разные способы понять это явление, и один из них поразительно напоминает наш эксперимент с электрическими полями. Вне ядра черной дыры расположен радиус, называемый горизонтом событий. Ни один предмет, который находится внутри горизонта событий, согласно классическим представлениям, не может вырваться за его пределы, поскольку скорость, необходимая для этого, превосходит скорость света. Таким образом, выйти за горизонт событий не сумеет даже свет, излученный внутри этой области.

А теперь представьте себе пару из частицы и античастицы, которая возникает из пустого пространства у самого горизонта событий в результате местной квантовой флуктуации. Если одна из частиц находится внутри горизонта событий, то может так сложиться, что с падением в черную дыру она потеряет столько гравитационной энергии, что эта энергия вдвое превзойдет массу покоя каждой из частиц. Это значит, что частица-партнер может улететь в бесконечность и стать наблюдаемой безо всякого нарушения закона сохранения энергии. Общая положительная энергия, связанная с излученной частицей, с лихвой компенсируется потерей энергии у частицы-партнера, упавшей в черную дыру. Поэтому черные дыры могут излучать частицы.

Но на самом деле все еще интереснее, и именно потому, что энергия, потерянная падающей в черную дыру частицей, оказывается больше, чем положительная энергия, связанная с ее массой покоя. В результате, когда частица падает в черную дыру, общая энергия системы, состоящей из черной дыры и частицы, оказывается меньше, чем до того, как частица упала за горизонт событий! Поэтому черная дыра после падения в нее частицы становится легче на величину, эквивалентную энергии, которую унесла с собой излученная частица. В конце концов черная дыра может совсем испариться. Пока что мы не знаем этого точно, поскольку физические процессы на финальных стадиях испарения черной дыры происходят на таких маленьких масштабах, что при помощи одной только ОТО получить окончательный ответ невозможно. На таких масштабах к гравитации надо относиться как к полностью квантово-механической теории, и нашего нынешнего понимания ОТО не хватает, чтобы в точности разобраться, что же тогда будет.

Тем не менее все эти явления указывают, что при удачном стечении обстоятельств нечто из ничего не просто может появиться – оно обязательно появляется.

Яркий пример из области космологии, показывающий, что «ничего» может быть нестабильным и формировать нечто, – это попытки разобраться, почему мы живем во Вселенной из вещества.