Всё из ничего: Как возникла Вселенная

Если рассматривать квантовую динамику пространства и времени, можно представить себе, что в случае фейнмановских сумм нужно принять во внимание все возможные конфигурации, способные описать разные геометрии, которые в принципе может принять пространство на промежуточных стадиях любого процесса, где правит квантовая неопределенность. Это значит, что мы должны рассматривать пространства произвольно, сколь угодно сильно искривленные на коротких расстояниях и промежутках времени – таких коротких, что мы не можем их измерить, и квантовые странности делают там что хотят. Большие «классические» наблюдатели вроде нас с вами не могут наблюдать эти странные конфигурации, пытаясь измерить свойства пространства на больших расстояниях и за длительное время.

А теперь давайте рассмотрим еще более удивительные варианты. Вспомним, что, согласно квантовой теории электромагнетизма, частицы появляются из пустого пространства когда хотят, при условии что они снова исчезнут за время, заданное принципом неопределенности. По аналогии, если рассматривать квантовую сумму Фейнмана по всем возможным конфигурациям пространства – времени, нужно ли рассматривать возможность появления и исчезновения малых и, вероятно, компактных пространств? Давайте обобщим: а вдруг существуют пространства с «дырками» или с «ручками» вроде бубликов или пышек, погруженных в пространство – время?

На эти вопросы у нас нет ответов. Но пока никому не пришло в голову надежное обоснование, позволяющее исключить подобные конфигурации из квантово-механической суммы, определяющей свойства эволюционирующей Вселенной (а до сих пор, насколько мне известно, такого обоснования не существует), согласно общему принципу, которому подчиняется все, что мне известно в природе, – все, что не запрещено законами физики, должно произойти в действительности, – рассматривать такие возможности нужно обязательно.

Как подчеркивал Стивен Хокинг, квантовая теория гравитации допускает возникновение, пусть и на краткий миг, собственно пространства там, где его до этого не было. В научных трудах Хокинг не пытался разобраться с парадоксом «нечто из ничего», однако квантовая теория гравитации должна ответить именно на этот вопрос.

«Виртуальные вселенные» – а именно маленькие компактные пространства, которые могут то возникать, то исчезать так быстро, что мы не успеваем их зарегистрировать, – это очень интересная теоретическая конструкция, но она не объясняет, как нечто может возникнуть из ничего достаточно надолго, как не объясняют этого и виртуальные частицы, населяющие пустое в остальном пространство.

Однако вспомним, что ненулевое реальное электрическое поле, которое можно наблюдать на больших расстояниях от заряженной частицы, есть результат того, что заряд когерентно испускает множество виртуальных фотонов с нулевой энергией. Дело в том, что при испускании виртуальных фотонов, несущих нулевую энергию, не нарушается закон сохранения энергии. Поэтому принцип неопределенности Гейзенберга не требует, чтобы они существовали лишь очень недолго, а потом поглощались и снова исчезали. (Вспомним, принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что неопределенность при измерении энергии частицы, а следовательно, вероятность, что ее энергия может слегка изменяться при испускании и поглощении виртуальных частиц, обратно пропорциональна времени, в течение которого мы ее наблюдаем. Следовательно, виртуальные частицы, уносящие нулевую энергию, могут делать это, в сущности, безнаказанно: они могут существовать произвольно долго и улетать на произвольно большие расстояния, прежде чем снова будут поглощены, – а это допускает существование взаимодействия между заряженными частицами на больших расстояниях. Если бы фотон не был безмассовым и, имея массу покоя, всегда уносил с собой ненулевую энергию, то из принципа неопределенности Гейзенберга следовало бы, что электрическое поле должно быть короткодействующим, поскольку фотоны могли бы распространяться лишь короткое время, прежде чем поглотиться.)

Подобные рассуждения подводят к мысли, что можно представить себе вселенную особого вида, которая возникает спонтанно, но не исчезает почти сразу же из-за ограничений, налагаемых принципом неопределенности и законом сохранения энергии. А именно компактную вселенную с нулевой общей энергией.

Так вот, мне бы очень хотелось предположить, что именно в такой Вселенной мы и живем. Это был бы отличный выход из положения, однако я больше заинтересован в том, чтобы остаться верным нынешнему представлению о Вселенной, чем в том, чтобы придумать, как легко и просто создать ее из ничего.