Содержание
Big Think (США): что было до Большого взрыва?
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ
Что вызвало возникновение Вселенной? Первопричина должна быть особенной, считают ученые. Но если приписывать начало всего Большому взрыву, напрашивается вопрос: а что было до этого? Автор предлагает увлекательное рассуждение о начале времен.
Марчело Глейзер (Marcelo Gleiser)
Спрашивать науку, что было до начала времени, подобно вопросу «Кем вы были до рождения»
— Наука позволяет нам определить, что произошло за одну триллионную долю секунды после Большого взрыва.
— Но мы вряд ли когда-нибудь узнаем, что вызвало Большой взрыв.
— Это вызывает разочарование, но некоторые вещи совершенно непознаваемы. И это хорошо.
Давайте скажем честно: довольно странно думать о том, будто история Вселенной началась со своеобразного дня рождения 13,8 миллиарда лет тому назад.
Это соответствует многим религиозным постулатам, согласно которым космос был создан благодаря вмешательству свыше, хотя наука ничего об этом не говорит.
Что случилось до начала времени?
Если все произошедшее имеет причинно-следственную связь, то что вызвало возникновение Вселенной? Чтобы ответить на очень сложный вопрос о Первопричине, в религиозных мифах о сотворении мира используют то, что антропологи культуры порой называют «позитивным бытием» или сверхъестественным явлением. Поскольку у времени в какой-то момент в далеком прошлом было начало, Первопричина должна быть особенной. Это должна быть беспричинная причина, явление, которое просто произошло, и ему ничто не предшествовало.
Но если приписывать начало всего Большому взрыву, напрашивается вопрос: а что было до этого? Когда мы имеем дело с бессмертными богами, это совсем другое дело, так как для них неподвластность времени не вопрос. Боги существуют вне времени, а мы нет. Для нас нет такого понятия как «до времени».
Следовательно, если задать вопрос, что происходило до Большого взрыва, он будет в определенной степени бессмысленным, даже если нам необходимо найти смысл. Стивен Хокинг как-то раз приравнял его к вопросу «Что находится севернее Северного полюса?» А мне нравится фраза «Кем вы были до рождения?»
Аврелий Августин выдвинул гипотезу о том, что время и пространство появились вместе с сотворением мира. Для него это был, конечно же, божий промысел. А для науки?
В науке мы, чтобы понять, как Вселенная зарождалась, развивалась и взрослела, возвращаемся назад во времени, пытаясь реконструировать происходившее. Подобно палеонтологам, мы идентифицируем «окаменелости», то есть остатки вещества из давно минувших дней, а потом с их помощью узнаем о существовавших в те времена различных физических явлениях.
Мы с уверенностью исходим из того, что Вселенная расширяется на протяжении миллиардов лет, и что этот процесс продолжается сейчас. В данном случае «расширение» означает, что расстояния между галактиками увеличиваются; галактики отдаляются друг от друга со скоростью, зависящей от того, что было внутри Вселенной в разные эпохи, то есть, какая материя заполняла пространство.
Большой взрыв не был взрывом
Когда мы говорим о Большом взрыве и расширении, мы представляем себе взрыв, положивший начало всему. Поэтому мы его так и назвали. Но это неверное представление. Галактики удаляются друг от друга, потому что их буквально разводит растяжение самого пространства. Подобно эластичной ткани, пространство растягивается и несет с собой галактики, как течение реки уносит с собой бревна. Так что галактики нельзя назвать осколками, разлетающимися от взрыва. Не было никакого центрального взрыва. Вселенная расширяется во всех направлениях, и она вполне демократична. Каждая точка важна в одинаковой степени. Кто-то в далекой галактике видит удаление других галактик так же, как и мы.
(Примечание: У близких к нам галактик есть отклонения от этого космического потока, которые называются «локальным движением». Это вызвано гравитацией. Например, Туманность Андромеды приближается к нам.)
Возвращение в прошлое
Если крутить космическое кино назад, мы увидим, как материя все больше и больше сдавливается в сокращающемся пространстве.
Температура растет, давление увеличивается, и начинается распад. Молекулы распадаются на атомы, атомы на ядра и электроны, атомные ядра на протоны и нейтроны, а затем протоны и нейтроны на кварки. Такое последовательное разложение материи на самые базовые и элементарные составные части происходит по мере того, как часы тикают в обратном направлении в сторону взрыва.
Например, атомы водорода распадаются примерно за 400 000 лет до Большого взрыва, ядра атомов примерно за одну минуту, а протоны с нейтронами за сотую долю секунды (при просмотре в обратном направлении, конечно). Откуда это нам известно? Мы нашли остатки радиации из того времени, когда сформировались первые атомы (реликтовое микроволновое фоновое излучение), и выяснили, как возникли первые ядра легких атомов, когда Вселенной было всего несколько минут от роду. Это как раз те космические окаменелости, которые показывают нам путь в обратном направлении.
В настоящее время мы в ходе экспериментов можем смоделировать условия, существовавшие в тот момент, когда возраст Вселенной составлял одну триллионную долю секунды.
Нам это может показаться ничтожно малой величиной, однако для световой частицы фотона это продолжительное время, позволяющее ему пролететь расстояние, в триллион раз превышающее диаметр протона. Когда мы говорим о ранней Вселенной, нам следует забыть про человеческие мерки и представления о времени.
Безусловно, мы хотим как можно ближе подобраться к моменту, когда время было равно 0. Но в какой-то момент мы утыкаемся в стену незнания и можем лишь экстраполировать свои нынешние теории в надежде на то, что они дадут нам хоть какие-то намеки на происходившее в начале времени, при таких энергиях и температурах, которые мы не можем создать в лаборатории. Но одно мы знаем наверняка. Когда время близко к 0, наша нынешняя теория о свойствах пространства и времени, какой является общая теория относительности Эйнштейна, не действует.
Это сфера квантовой механики, в которой расстояния настолько малы, что мы должны представлять себе пространство не как непрерывный лист, а как зернистую структуру.
К сожалению, у нас нет качественной теории, описывающей такую зернистость пространства, как нет и физических законов гравитации в квантовом масштабе (известной как квантовая гравитация). Кандидаты, конечно, есть, например, теория суперструн и петлевая квантовая гравитация. Но в настоящее время отсутствуют доказательства того, что они верно описывают физические явления.
Квантовая космология не дает ответ на вопрос
Тем не менее, любознательность человека требует приблизить границы к нулевому значению времени. Что можно сказать? В 1980-х годах Александр Виленкин, Андрей Линде и Джеймс Хартл со Стивеном Хокингом предложили три модели квантовой космологии, в которых Вселенная существует как атом, а уравнение похоже на то, что используется в квантовой механике. В этом уравнении вселенная есть волна вероятности, которая по сути дела связывает вневременную квантовую область с классической, где есть время, то есть, со вселенной, в которой мы обитаем, и которая сейчас расширяется.
Переход от кванта к классике буквально означает возникновение космоса, то, что мы называем Большим взрывом. Таким образом, Большой взрыв является беспричинной квантовой флуктуацией, такой же случайной, как радиоактивный распад: от отсутствия времени к его присутствию.
Если исходить из того, что одна из этих простых моделей верна, будет ли она научным объяснением Первопричины? Можем ли мы вообще избавиться от необходимости существования причины, пользуясь вероятностями квантовой физики?
К сожалению, нет. Конечно, такая модель стала бы поразительным интеллектуальным подвигом. Это был бы колоссальный шаг вперед в понимании происхождения всего. Но этого недостаточно. Наука не может существовать в вакууме. Ей нужен понятийный аппарат, такие понятия как пространство, время, материя, энергия. Ей нужны расчеты, нужны законы сохранения таких величин как энергия и количество движения. Из идей небоскреб не построишь, как не создашь модель без понятий и законов. Требовать от науки «объяснений» Первопричины — все равно что просить ее объяснить собственную структуру.
Это просьба представить научную модель, в которой не используются прецеденты, нет более ранних концепций, которыми можно оперировать. Наука не может этого сделать, как человек не может думать без мозга.
Загадка Первопричины остается неразгаданной. В качестве ответа можно выбрать религию и веру, а еще можно считать, что наука со временем все разгадает. Мы также можем, подобно древнегреческому скептику Пиррону, смиренно признать, что существуют пределы нашего познания. Мы можем радоваться достигнутому и продолжать постигать, осознавая при этом, что нет необходимости знать все и понимать все. Достаточно того, что мы продолжаем пытливо интересоваться.
Любознательность без загадки слепа, а загадка без любознательности ущербна.
Ученые рассказали, что было до Большого взрыва: 27 декабря 2018, 06:06
Ученые из Оксфордского университета (Великобритания) выдвинули гипотезу, согласно которой пространство и время существовали еще до Большого взрыва, породившего Вселенную.
Свои доводы космологи опубликовали в журнале Physics Letters B, сообщает РИА Новости.
«Мы не вводим никаких новых понятий, не меняем теорию относительности, а только интерпретации некоторых ее постулатов. Наши расчеты показывают, что Большой взрыв не был началом времени: в этот момент просто поменялась ориентация пространства. Иными словами, «сломалась» не физика, а карта мира», — говорит Дэвид Слоан.
Ученый и его коллеги пришли к такому выводу, пытаясь найти ответ на извечный вопрос: что собой представляла Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва и как она выглядела до этого катаклизма, родившего наше мироздание.
Сегодня есть два научных подхода к данной проблеме. Большая часть специалистов считает, что Вселенная родилась из сингулярности, начавшей стремительно расширяться в первые мгновения после Большого взрыва. Другая группа астрофизиков полагает, что рождению Вселенной предшествовала смерть ее «прародительницы», которая, вероятно, случилась в ходе так называемого Большого разрыва.
Первый вариант проще с теоретической точки зрения, так как существование некой формы пространства-времени до Большого взрыва ставит массу почти неразрешимых вопросов. К примеру, непонятно, как она избавилась от сверхвысокого уровня энтропии и «родила» энергетически чистую современную Вселенную.
Другая проблема заключается в том, что сегодня космологи даже не могут предположить, как выглядел этот «старый мир». Дело в том, что теория относительности перестает работать при экстремально высоких энергиях, характерных для Большого взрыва и породившей его сингулярности.
Это заставляет ученых спорить о том, какие законы управляли мирозданием в первые мгновения его «новой» и последние секунды «старой» жизни, если она существовала. Многие космологи, в том числе покойный Стивен Хокинг, предпочитают обходить этот вопрос стороной. Они предполагают, что время не существовало до Большого взрыва, и поэтому проблема не имеет смысла.
Слоан и его команда предложили новую интерпретацию этой загадки, которая разрешает вопрос о существовании «старой Вселенной» оригинальным способом, не «нарушая» при этом выкладок Эйнштейна и не вводя никаких новых сущностей, таких как струны или квантовые петли.
Они обратили внимание на одну простую вещь. Находясь внутри Вселенной, мы не можем точно измерить ее размеры и сравнить ее с чем-то за ее пределами. Соответственно, фактически все величины и феномены, которые описываются ОТО и другими космологическими теориями, имеют относительный характер.
Эта идея, как отмечает Слоан, позволяет обойти фактически все неразрешимые проблемы, связанные с бесконечной плотностью энергии и кривизной пространства, которые нельзя просчитать в рамках классической теории Эйнштейна и связанной с ней структурой пространства-времени.
Руководствуясь этой идеей, ученые построили компьютерную модель «безразмерной» Вселенной и изучили, как в ней выглядит начальная точка Большого взрыва. Она, по словам космолога, оказалась не сингулярностью, а иной структурой, которую Слоан и коллеги назвали «точкой Януса».
В отличие от «обычного» Большого взрыва, ткань пространства-времени не прекращает существовать за точкой его рождения. Она, как показывают расчеты британских исследователей, просто становится «зеркальной».
Грубо говоря, до рождения Вселенной время текло в противоположную сторону, а пространство было «ориентировано» несколько иначе.
Все подобные преобразования, отмечают исследователи, не противоречат теории относительности и никак не сказываются на самой материи: по сути, меняются «карта» ее распределения и ее координаты, а не внутреннее содержимое. Эти сдвиги, в свою очередь, могут объяснять отсутствие антиматерии во Вселенной и некоторые другие ее странности.
Что было до Большого взрыва?, Алан Лайтман
В среду, 11 февраля 1931 года, Альберт Эйнштейн более часа встречался с небольшой группой американских ученых в уютной библиотеке обсерватории Маунт-Вилсон, недалеко от Пасадены. Калифорния. Предметом была космология, и Эйнштейн был готов сделать одно из самых важных заявлений в истории науки.
Благодаря давно подтвержденным теориям относительности и гравитации и десятилетней давности получения Нобелевской премии, он стал самым известным ученым в мире. «Фотографы бросились на меня, как голодные волки», — записал он в своем дневнике, когда два месяца назад его корабль приземлился в Нью-Йорке.
Фотографии Томаса Аллена
В течение многих лет Эйнштейн, подобно Аристотелю и Ньютону до него, настаивал на том, что Вселенная — это величественный и бессмертный собор, укрепленный на всю вечность. На этой картине время движется от бесконечного прошлого к бесконечному будущему, и между ними мало что меняется. Когда в 1927 году видный бельгийский ученый предположил, что Вселенная растет подобно расширяющемуся воздушному шару, Эйнштейн назвал эту идею «отвратительной».
Однако к 1931 году великий физик столкнулся с телескопическими доказательствами того, что далекие галактики находятся в полете. Возможно, еще более убедительно, что его математическая модель статической Вселенной была подобна карандашу, балансирующему на острие: слегка подтолкните его, и он начнет двигаться. Прибыв в Пасадену, Эйнштейн был готов признать, что космос находится в постоянном движении. Он сказал собравшимся в библиотеке мужчинам в костюмах и галстуках, что наблюдаемое движение галактик «сломало мою старую конструкцию, как удар молота».
Затем он взмахнул рукой, чтобы подчеркнуть эту мысль.
Из осколков этого удара молота возникла космология Большого взрыва: идея о том, что Вселенная не статична и не вечна — что она «началась» около 14 миллиардов лет назад в состоянии чрезвычайно высокой плотности и расширялась. и с тех пор истончается. Согласно современным данным, наша Вселенная будет расширяться вечно.
Шон Кэрролл, профессор физики Калифорнийского технологического института, занимается космологией Большого взрыва. Он также является одним из небольшого отряда физиков, называющих себя квантовыми космологами. Он хочет знать, что произошло в самый первый момент Большого взрыва, существовало ли до него время или что-то еще, и как мы можем отличить будущее от прошлого. Такие коренные вопросы физики, серьезно поставленные лишь недавно, можно уподобить Декарту, требующему доказательств своего существования.
Квантовая космология — спекулятивная работа, но Кэрролл объяснил ее привлекательность: «Это большой риск, большая выгода».
У нас еще нет полной теории гравитации, пространства и времени в квантовую эру. Тем не менее некоторые из самых проницательных физиков, включая Стивена Хокинга, Андрея Линде и Александра Виленкина, размышляли над этим вопросом. Это крошечное поле, не для робких. Первая трудность заключается в том, что рождение нашей вселенной было разовым событием, и нас в зале не было. Понимание самого начала Вселенной также требует понимания так называемой квантовой гравитации: гравитации при чрезвычайно высоких плотностях материи и энергии, которые невозможно воспроизвести. Большинство физиков считают, что в эту квантовую эру вся наблюдаемая Вселенная была примерно в миллион миллиардов миллиардов раз меньше одного атома. Температура была почти миллион миллиардов миллиардов миллиардов градусов. Время и пространство бурлили, как кипящая вода. Конечно, такие вещи невообразимы. Но физики-теоретики пытаются представить их в математической форме, с помощью карандаша и бумаги. Каким-то образом время, каким мы его знаем, возникло в этом фантастически плотном самородке.
А может быть, время уже существовало, и возникла «стрела» времени, указывающая в будущее.
Физики надеются, что в течение следующих пятидесяти лет или около того теория струн или другие новые теоретические работы обеспечат хорошее понимание квантовой гравитации, включая объяснение того, как возникла Вселенная. До тех пор квантовые космологи будут обсуждать свои гипотезы, каждая из которых будет подкреплена страницами расчетов.
Когда я связался с Кэрроллом по скайпу, он был в толстовке и джинсах в уютном кабинете своего дома в Лос-Анджелесе. Меня разместили в непригодной для проживания гостевой комнате моего дома в Конкорде, штат Массачусетс: по космологическим меркам практически по соседству. Кэрролл является красноречивым толкователем науки, а также уважаемым физиком — он написал научные статьи с такими названиями, как «Что, если время действительно существует?» — и говорит о любимом предмете с явным удовольствием. Ему сорок девять лет, бочкообразный, с пухлыми щеками, подбородком, копной рыжеватых волос и озорным школьным блеском в глазах.
Кэрролл одержим относительной гладкостью и порядком Вселенной. Порядок в физике имеет конкретное значение. Его можно измерить количественно. Кроме того, условия беспорядка более вероятны, чем условия порядка, точно так же, как колода карт, однажды перетасованная, с большей вероятностью будет перемешана, чем точно расставлена по номерам и мастям. Применяя эти соображения к космосу в целом, физики предположили, что, учитывая количество существующей материи, мы должны ожидать, что Вселенная будет гораздо более беспорядочной и комковатой, чем она есть. Наблюдаемая Вселенная состоит примерно из 100 миллиардов галактик, но если рассматривать ее на достаточно большом пространстве, она выглядит однородной, как песок на пляже. Любой большой объем пространства выглядит примерно как любой другой. Гораздо вероятнее, говорят физики, увидеть, что тот же самый материал сконцентрирован в гораздо меньшем количестве сверхбольших галактик, или в больших скоплениях галактик, или, возможно, даже в одной массивной черной дыре — аналогично всему песку на Земле.
пляж сосредоточен в нескольких кремниевых валунах.
Невероятная гладкость наблюдаемой Вселенной, в свою очередь, указывает на необычайно чистые условия вблизи Большого взрыва. Мы не понимаем, почему. Но порядок и гладкость, известные физикам как состояние низкой энтропии, являются подсказкой. «Я твердо верю, что низкая энтропия ранней Вселенной — это загадка, которую широкое космологическое сообщество не воспринимает так серьезно, как следовало бы», — сказал мне Кэрролл. «Подобные недоразумения открывают возможности для новых прорывов».
Кэрролл и другие физики считают, что порядок тесно связан со стрелой времени. В частности, поступательное направление времени определяется движением порядка к беспорядку. Например, фильм о стеклянном кубке, падающем со стола и разбивающемся об пол, показался бы нам нормальным; если бы мы увидели фильм с разбросанными осколками стекла, отскакивающими от пола и собирающимися в кубок, стоящий на краю стола, мы бы сказали, что фильм проигрывается в обратном направлении.
Точно так же чистые комнаты, оставленные без присмотра, со временем становятся пыльными, а не чище. То, что мы называем будущим, — это состояние растущего беспорядка; то, что мы называем прошлым, — это повышение чистоты. Наша способность легко различать их показывает, что время в нашем мире имеет четкое направление. Время также имеет четкое направление в космосе в целом. Звезды излучают тепло и свет, медленно расходуют свое ядерное топливо и, наконец, превращаются в холодный пепел, дрейфующий в космосе. Никогда не бывает обратного.
Что возвращает нас к неожиданной упорядоченности нашей вселенной. Работая с Аланом Гутом, космологом-первопроходцем из Массачусетского технологического института, Кэрролл разработал еще не опубликованную теорию под названием «Двухголовое время». В этой модели Вселенной время существовало вечно. Но в отличие от статичного космоса, воображаемого Аристотелем, Ньютоном и Эйнштейном, эта вселенная меняется с течением времени. Эволюция космоса симметрична во времени, так что поведение Вселенной до Большого взрыва почти зеркально отражает ее поведение после.
Еще 14 миллиардов лет назад Вселенная сжималась. Она достигла минимального размера во время Большого взрыва (который мы называем t = 0) и с тех пор расширяется. (Другие квантовые космологи предложили аналогичные модели.) Это похоже на Слинки, который падает на пол, достигает максимального сжатия при ударе, а затем отскакивает обратно в большие размеры. Из-за неизбежных случайных флуктуаций, требуемых квантовой физикой, сжимающаяся Вселенная не будет точным зеркальным отражением расширяющейся Вселенной; физика по имени Алан Гут, вероятно, не существовало в фазе сжатия нашей Вселенной.
В науке о порядке и беспорядке хорошо известно, что при прочих равных большие пространства допускают больший беспорядок, главным образом потому, что есть больше мест, где можно разбросать вещи. Таким образом, в небольших пространствах больше порядка. Как следствие, на картине Кэрролла-Гута порядок Вселенной был на уровне , максимум при Большом взрыве; расстройство усиливалось как до, так и после.
Напомним, что поступательное направление времени определяется движением порядка к беспорядку. Таким образом, будущее указывает в сторону от Большого взрыва в двух направлениях. Человек, живущий в сжимающейся фазе Вселенной, видит Большой Взрыв в ее прошлом так же, как и мы. Когда она умрет, вселенная будет больше, чем когда она родилась, так же, как и для нас. «Когда я понял, что причина, по которой я могу помнить прошлое, но не будущее, в конечном итоге связана с условиями Большого взрыва, это было поразительным прозрением», — сказал Кэрролл.
Если вы думаете о времени как о длинной дороге, а о Большом Взрыве как о выбоине где-то на этой дороге, то знак на выбоине, указывающий вам направление в будущее, будет иметь две стрелки, указывающие в противоположных направлениях. Отсюда и название «Двухголовое время». Рядом с самой выбоиной, зажатой между двумя стрелами, время не имело бы четкого направления. Время будет сбито с толку. В субатомной версии кубков и домов осколки стекла отскакивали от пола, образуя кубки так же часто, как эти кубки падали и разбивались.
Оставленные без присмотра дома становились бы аккуратнее по мере того, как они становились бы более захламленными. Оба фильма были бы одинаково знакомы любому субатомному существу, живущему во время Большого Взрыва.
Согласно Кэрроллу и Гуту, теория Двуглавого Времени может стать еще более сложной и странной. Точкой минимального размера и максимального порядка Вселенной мог быть не Большой взрыв нашей вселенной , а Большой взрыв другой вселенной , своего рода великой протовселенной. Наша вселенная и, возможно, бесконечное число вселенных могли быть порождены этой родительской вселенной, и каждая из вселенных могла иметь свой собственный Большой взрыв. Процесс порождения новых вселенных из родительской вселенной называется вечной инфляцией. Идея была развита квантовыми космологами в начале 19 века.80-е годы. Короче говоря, необычное энергетическое поле (но разрешенное физикой) в протовселенной действует подобно антигравитации и вызывает экспоненциально быстрое расширение.
Это необычное энергетическое поле имеет разную силу в разных областях пространства. Каждая такая область расширяется до космических масштабов, а энергетическое поле становится обычной материей, образуя новую вселенную, замкнутую и полностью не имеющую связи с породившей ее протовселенной.
Вторая основная гипотеза состоит в том, что вселенная и время не существовали до Большого взрыва. Вселенная материализовалась буквально из ничего, в крошечном, но конечном размере, а затем расширилась. Не было мгновений до момента наименьшего размера, потому что не было «до». Точно так же не было «сотворения» вселенной, поскольку это понятие подразумевает действие во времени. Даже сказать, что Вселенная «материализовалась», несколько вводит в заблуждение. Как описывает это Хокинг, Вселенная «не будет ни создана, ни уничтожена. Это просто БЫЛО бы». Такие понятия, как существование и бытие в отсутствие времени, непостижимы в рамках нашего ограниченного человеческого опыта. У нас даже нет языка, чтобы описать их.
Почти в каждом предложении, которое мы произносим, есть какое-то понятие «до» и «после».
Одним из первых квантовых космологов, предположивших, что Вселенная могла возникнуть из ничего, был Александр Виленкин, украинский ученый, приехавший в Соединенные Штаты в 1976 году, когда ему было около двадцати пяти лет. Сейчас он профессор физики в Университете Тафтса. Когда я посетил его в его кабинете жарким июльским днем, он был одет в сандалии и свободную черную рубашку. Его единственное окно выходило на унылое кирпичное здание через улицу. «Вид из моего предыдущего офиса был лучше», — сказал он. Коробки с нераспакованными книгами валялись на полу; на его книжной полке стояла кукла Эйнштейна, подаренная ему дочерью.
В Советском Союзе прием Виленкина в аспирантуру по физике был отменен, возможно, по наущению КГБ. Перед эмиграцией он работал ночным сторожем в зоопарке, что давало ему достаточно времени для размышлений о космологии. В США Виленкин защитил докторскую диссертацию.
в биофизике. «Я параллельно занимался космологией, — сказал он. «В то время это не было авторитетной областью исследований». Виленкин — серьезный человек, который, в отличие от многих физиков, мало шутит и очень серьезно относится к своей работе о Вселенной при t = 0. «Для создания Вселенной из квантового туннелирования не требуется никакой причины, — говорит он, — но законы физики должны присутствовать». Вкратце, мы болтаем о том, что значит «там», когда время и пространство еще не существуют. На этот счет Виленкин любит цитировать святого Августина, которого часто спрашивали, что делал Бог до того, как сотворил вселенную. В его Исповедь, Августин ответил, что, поскольку Бог создал время, когда создал вселенную, не было «до».
Когда Виленкин говорит о квантовом туннелировании, он имеет в виду жуткое явление в квантовой физике, когда объекты могут совершать такие магические действия, как мгновенное появление на дальнем склоне горы, не путешествуя по вершине. Эта загадочная способность, подтвержденная в лаборатории, следует из того факта, что субатомные частицы ведут себя так, как будто они могут находиться во многих местах одновременно.
Квантовое туннелирование распространено в крошечном мире атомов, но крайне маловероятно в нашем человеческом мире. Это никогда не наблюдалось в больших масштабах, что объясняет, почему это явление кажется таким абсурдным. Но в квантовую эру космологии, очень близко к t = 0, вся Вселенная была размером с субатомную частицу. Таким образом, вся Вселенная могла «внезапно» появиться из того места, где происходят вещи, в непостижимой квантовой дымке вероятностей. (Я взял «внезапно» в кавычки, потому что времени не существовало, но я только сейчас понял, что в этом самом предложении я использовал глагол «сделал», который является прошедшим временем от «делать»…)
Что значит сказать, что вся вселенная была подобна субатомной частице, существующей в сумеречном мире кванта? Джеймс Хартл, ведущий квантовый космолог из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, вместе с Хокингом разработал одну из самых подробных моделей Вселенной «во время» квантовой эры около Большого взрыва. Время нигде не фигурирует в уравнениях Хартла и Хокинга.
Вместо этого они используют квантовую физику для вычисления вероятности определенных моментальных снимков Вселенной.
Несмотря на то, что Хартл является экспертом в области квантовой теории, он признает, что его сбивает с толку применение квантовой физики ко Вселенной в целом. «Для меня остается загадкой, — сказал он, — почему у нас есть квантовая механика, когда существует только одно состояние Вселенной». Другими словами, почему должны существовать вероятности существования альтернативных состояний Вселенной, если мы живем только в одном? И действительно ли эти альтернативные условия где-то существуют?
Квантовые космологи знают о широком философском и теологическом отзвуке своей работы. Как говорит Хокинг в Краткая история времени, Многие люди верят, что Бог, позволив вселенной развиваться в соответствии с фиксированными законами природы, был исключительно ответственен за завод часов в начале и за выбор способа их приведения в движение. Собственная теория Хокинга дает объяснение того, как Вселенная могла закрутиться — его метод расчета ранних снимков Вселенной не зависит от начальных условий, границ или чего-либо вне самой Вселенной.
Ледяных правил квантовой физики вполне достаточно. «Какое же место для творца?» — спрашивает Хокинг. Лоуренс Краусс, физик, приходит к такому же выводу в своей книге 9.0031 Вселенная из ничего, , в которой он утверждает, что достижения в области квантовой космологии показывают, что Бог в лучшем случае не имеет значения.
Можно было бы ожидать, что большинство квантовых космологов будут атеистами, как и большинство ученых. Но Дон Пейдж, ведущий квантовый космолог из Университета Альберты, также является христианином-евангелистом. Пейдж — мастер вычислений. Когда мы с ним учились в аспирантуре по физике в Калифорнийском технологическом институте, он обычно тихонько доставал тонкое перо всякий раз, когда сталкивался с трудной физической задачей. Не вздрагивая и не останавливаясь, он строчил одно уравнение за другим в густой путанице математических вычислений, пока не пришел к ответу. Хотя он сотрудничал с Хокингом в крупных работах, Пейдж расходится с ним в вопросе о Боге. Недавно он сказал мне: «Как христианин, я думаю, что вне вселенной есть существо, которое создало вселенную и стало причиной всех вещей.
Бог является истинным творцом. Вся вселенная создана Богом». В гостевой колонке в блоге Кэрролла (который называется «Нелепая вселенная») Пейдж звучит одновременно и как ученый, и как теист:
Можно было бы подумать, что добавление гипотезы о том, что мир (все, что существует) включает в себя Бога, сделало бы теорию для всего мира более сложной, но это не очевидно, поскольку, возможно, Бог даже проще, чем вселенной, так что можно было бы получить более простое объяснение, начиная с Бога, чем начиная только со вселенной.
Примечательно, что большинство квантовых космологов не верят, что что-то вызвало создание Вселенной. Как сказал мне Виленкин, квантовая физика может выдвинуть гипотезу о Вселенной без причины — точно так же квантовая физика может показать, как электроны могут беспричинно менять орбиты в атоме. В квантовом мире нет определенных причинно-следственных связей, есть только вероятности. Кэрролл выразился так: «В повседневной жизни мы говорим о причине и следствии.
Но нет причин применять это мышление ко вселенной в целом. Я никоим образом не чувствую себя неудовлетворенным, просто говоря: «Вот так оно и есть»» 9.0003
Представление о событии или состоянии бытия без причины сильно противоречит сути науки. На протяжении веков ученые пытались объяснить все события как логическое следствие предшествующих событий. Пейдж утверждает, что при происхождении нашей Вселенной — будь то в модели Двуглавого Времени или в модели Вселенной из ничего — не было четкого различия между причиной и следствием. Пейдж и другие физики отмечают, что если причинность может раствориться в квантовой дымке происхождения Вселенной, то есть основания сомневаться в ее прочности даже в том мире, в котором мы живем, спустя много времени после Большого взрыва, который, несомненно, является частью того же самого мира. реальность. «Причинность во Вселенной не является фундаментальной», — сказал Пейдж. «Это приблизительная концепция, полученная из нашего опыта взаимодействия с миром».
Строгая причинность может быть иллюзией, способом для нашего мозга и нашей науки осмыслить мир. Но без строгой причинно-следственной связи как мы можем взять на себя ответственность за свои действия? Трещина в мраморном основании причинно-следственной связи может поколебать философию, религию и этику.
Квантовая космология привела нас к вопросам о фундаментальных аспектах существования и бытия, вопросам, которые большинство из нас редко задает. В наш короткий век или меньше мы обычно стремимся создать комфортное существование в крошечных комнатах нашей жизни. Мы едим, спим, устраиваемся на работу, оплачиваем счета, у нас есть любовники и дети. Некоторые из нас строят города или занимаются искусством. Но если у нас есть роскошь истинной свободы ума, можно найти и более серьезные проблемы. Посмотри на небо. Пространство продолжается вечно, до бесконечности? Или она конечна, но не имеет ни границы, ни края, как поверхность сферы? Любой ответ тревожен и непостижим. Откуда мы пришли? Мы можем проследить жизнь наших родителей, бабушек и дедушек и их родителей назад во времени, назад и вперед через поколения, пока не придем к какому-то предку десять тысяч лет назад, чья ДНК остается в нашем теле.
Мы можем проследить цепочку бытия еще дальше во времени от первых людей и первых приматов, и одноклеточных амеб, плавающих в первичных морях, и образования атмосферы, и медленной конденсации газов для создания Земля. Все случилось, думаем мы об этом или нет. Мы быстро осознаем, насколько мы ограничены в нашем восприятии мира. То, что мы видим и чувствуем своими телами, застряв на полпути между атомами и галактиками, — это всего лишь небольшая полоса спектра, кусочек реальности.
В 1940-х годах американский психолог Абрахам Маслоу разработал концепцию иерархии потребностей человека. Он начал с самых примитивных и настоятельных требований, а закончил самыми высокими и передовыми. Внизу пирамиды находятся физические потребности для выживания, такие как пища и вода. Далее — безопасность. Выше любовь и принадлежность, затем самооценка. Высшая из предложенных Маслоу потребностей, самоактуализация, — это желание получить от себя максимум, быть лучшими, какими мы можем быть. Я бы предложил добавить еще одну категорию на самый верх пирамиды, даже выше самоактуализации: воображение и исследование.
Разве не эта потребность двигала вперед Марко Поло, Васко да Гаму и Эйнштейна? Необходимость воображать новые возможности, потребность выйти за пределы самих себя и понять мир вокруг нас. Не для того, чтобы помочь себе с физическим выживанием, личными отношениями или самопознанием, а для того, чтобы узнать и понять этот странный космос, в котором мы находимся. Необходимость задавать действительно важные вопросы. Как все началось? Далеко за пределы нашей собственной жизни, далеко за пределы нашего общества, нашей нации, нашей планеты или даже нашей Солнечной системы. Как началась Вселенная? Это роскошь — иметь возможность задавать такие вопросы. Это еще и человеческая потребность.
Что было до Большого Взрыва?
Даже если детерминистская эволюция космологических квантовых систем будет действительна во все времена, наши знания о фазах Вселенной до Большого взрыва могут оставаться ограниченными. Чтобы проанализировать это, мы используем математическую модель, которая точно решаема 6 и ясно показывает все детали своего поведения.
(Более ранние численные исследования 7 не выявили тонких свойств, полученных здесь из точных решений.) Решаемые модели часто играли центральную роль в понимании подробных свойств в новой области, и мы можем ожидать, что это верно и для квантовой космологии. Следует проявлять должную осторожность при использовании таких моделей, которые могут иметь особые свойства, не применимые к реальным ситуациям. Но решаемая модель показывает минимум сложности, которого следует ожидать в реальных ситуациях. Таким образом, в отличие от подробных количественных расчетов, доказательство невозможности получения определенных точных предсказаний в решаемой модели может рассматриваться как более надежный результат.
В этом контексте часто считается само собой разумеющимся, что существование в космологии отскока, то есть объема, оторванного от нуля в процессе эволюции, позволяет экстраполировать все физические величины на времена до Большого взрыва. Как мы увидим здесь, это ожидание не реализуется даже в разрешимой модели минимальной вычислительной сложности.
Память об определенных аспектах Вселенной до Большого Взрыва, в основном связанных с флуктуациями, имеющими отношение к поставленному здесь основному вопросу, теряется при прохождении через Большой Взрыв. Это не просто говорит о том, что Вселенная находилась в очень квантовой фазе во время Большого взрыва, таким образом скрывая свою предысторию квантовой неопределенностью. Поскольку мы будем иметь дело с полностью квантованной системой и ее степенями свободы, мы, в принципе, могли бы вычислить состояние до Большого взрыва в обратном направлении. Как мы увидим, на основе точных аналитических решений для флуктуаций, возникающих в результате отскока, новый аспект квантовой космологии заключается в том, что такая экстраполяция потребовала бы чрезвычайно точного знания текущего состояния, которое невозможно получить в реальности. Тем не менее, в этой модели можно точно ответить, какие аспекты Вселенной до Большого Взрыва могут быть определены и в какой степени. Таким образом, он проявляет предсказательность, даже в своей неспособности делать определенные предсказания.
Наша модель везде пространственно изотропна, то есть ее свойства одинаковы в разных пространственных положениях, а также в разных направлениях. Существует единственный компонент материи, который не имеет массы и не взаимодействует с самим собой. Однако взаимодействия между материей и гравитацией полностью включены и имеют решающее значение. Классические эволюционные уравнения системы следуют из уравнения общей теории относительности Эйнштейна. Для рассматриваемой здесь модели оно сводится к уравнению Фридмана a −2 ( d a / d t ) 2 =4π G p φ 2 /3 a 6 for масштабный коэффициент a Вселенной как функция координатного времени t . Скорость изменения a определяется импульсом p φ сопряженным компоненте материи, φ , связанным через гравитационную постоянную, Г .
Канонический анализ показывает, что q , определяемое как d a / d t , может использоваться как переменная гравитационной конфигурации с импульсом p = a 90 Решение для p φ тогда подразумевает | p φ |=| H |, где H = q p в соответствующих единицах, поглощающих числовые предмножители. Это уравнение означает, что H может использоваться в качестве гамильтонианского определения эволюции по D Q / D φ = ∂ H / ∂ P 999990 / ∂ P 999990 /9 ∂ P 9999990 /9 ∂ P 9999990 /9 ∂ P 999990 /9 ∂ . / d φ =− ∂ H / ∂ q =− p . Это эволюционные уравнения для гравитационных переменных относительно φ , а не координатное время, которое можно исключить в общековариантных системах.
Они легко решаются полностью с помощью q ( φ )= q 0 e φ and p ( φ )= p 0 e − φ . (Несмотря на формальное сходство, это не решение для статического пространства де Ситтера, поскольку q и p выражаются через φ , а не через координатное время, t .) Сингулярность Большого взрыва показана на решения как точка, где p , связанная с пространственным объемом соотношением V ∝ p 3/2 , стремится к нулю, и поле материи φ , а также внешняя кривизна q становятся бесконечными. Пространственно-временной анализ показывает, что эта точка будет достигнута за конечное количество собственного времени для любого наблюдателя.
В общем, для классической разрешимой системы весьма нетривиально оставаться разрешимой после квантования. Квантовое состояние содержит гораздо больше параметров, чем классическое состояние, поскольку не только q и p должны определяться как средние значения и в состоянии ψ , а также флуктуации
и бесконечно много других величин, включающих более высокие степени и .
Это новые ингредиенты из-за вероятностной природы квантовой теории. Флуктуация, Δ q , например, дает основную дисперсию в повторных измерениях q . В квантовой космологии единой вселенной такая оперативная интерпретация Δ q концептуально сложно, но для наших целей достаточно рассматривать Δ q как динамическую меру квантовых аспектов состояния. На самом деле квантовая механика обеспечивает динамическую эволюцию всех флуктуаций и других переменных: квазиклассический волновой пакет расширяется и деформируется в процессе эволюции (изменение Δ q и т. д.), что, в свою очередь, влияет на движение его среднего значения при и . Эта обратная реакция подразумевает квантовые поправки к классическим уравнениям, которые часто можно наблюдать непосредственно. Связанная динамика обычно сложна, но для квадратичных гамильтонианов, таких как наша система, становится возможным подробный анализ даже в квантовой теории. Имеем уравнения типа Гейзенберга и , где, например, для значений ожидания.
Кроме того, существуют уравнения движения для флуктуаций, которые также можно легко вычислить и решить. Эти уравнения содержат новую информацию о квантовой системе по сравнению с классической. Они говорят нам не только о том, как средние значения изменяются во времени, но и о том, как эволюционирует ожидаемое отклонение фактического измерения от ожидаемого значения. Если эта дисперсия велика, мы имеем типичное квантовое поведение.
Важно отметить, что разрешимая система доступна для космологии. Это позволяет нам включить возмущения, которые вокруг гармонического осциллятора являются основой большей части феноменологии физики элементарных частиц. С идентифицированной здесь разрешимой космологической моделью аналогичная систематическая теория возмущений 8 становится доступной для квантовой космологии. Однако есть еще один шаг к получению несингулярной системы, предшествующей Большому взрыву. Эффекты квантовой гравитации при большой кривизне, q , измените гамильтониан в петлевом квантовании на
, что согласуется с приведенным выше только для малой кривизны, q ≪1, но отличается при большой кривизне, близкой к Большому взрыву.
Хотя этот гамильтониан не квадратичен в q и p и, следовательно, не является явно разрешимым, квантовая система, что примечательно, все еще разрешима. Вводя комплексную переменную , гамильтониан
становится линейным и дает (1/2 i )( e I Q — E — I Q ) P = SIN ( Q ) P AS верный класс. При нелинейном выражении J , в q и p это не влечет непосредственно разрешимости, но все эволюционные уравнения для математических ожиданий
, а также флуктуаций можно по-прежнему не только вычислять, но даже вычислять. решается явно в общем виде. Как только реализовываются условия реальности, гарантирующие, что Q , содержащийся в J , реальен (| J | 2 = P 2 ), решение для P дается функцией P ( φ ) = a p ( φ ) = H H999 = H H.
кош( φ ), которое никогда не становится равным нулю. Таким образом, решение не содержит сингулярностей, в которых пространство сжималось бы в одну точку. Вместо этого существует минимальное расширение, которое представляет собой отскок, заменяющий сингулярность Большого взрыва. Все переменные эволюционируют детерминистически через отскок, включая квантовые флуктуации (рис. 1).
Рисунок 1: Распространение через отскок.
Состояние, которое первоначально имеет небольшие колебания (слева), отскакивает и развивает большие колебания (справа). Время откладывается по горизонтальной оси, а объем откладывается по вертикали. Величина волновой функции обозначена цветами. Желтый цвет означает самую высокую амплитуду, реализованную там, где состояние наиболее острое, за которым следуют красный и синий.
Изображение полного размера
Теперь мы можем сформулировать наш основной вопрос о флуктуациях до и после Большого Взрыва.
Состояние можно считать более классическим, чем меньше квантовые флуктуации, с нижним пределом, определяемым соотношением неопределенностей Гейзенберга (Δ q ) 2 (Δ p ) 2 ≥ℏ 2 /4. В лучшем случае это может быть насыщено, что мы можем с уверенностью предположить для моделирования нашей нынешней Вселенной. Мы задаемся вопросом, наложит ли это наблюдение современного классического поведения какие-либо ограничения на флуктуации до Большого взрыва. Работа, как и до 9 , колебания зависят от трех свободных константов Δ ± , Δ 0 : Δ P ( φ ) 2 = Δ ) 2 = Δ Δ .0090 − 2 e −2 φ + Δ 0 2 + Δ + 2 e 2 φ where Δ 0 имеет значение только вблизи отскока ( φ =0) и должно быть небольшим, чтобы вещество не имело сильных флуктуаций.
Остальные параметры представляют собой флуктуации объема до ( Δ − ) и после ( Δ + ) Большого взрыва. Они появляются в произведении неопределенности, которое проще и не менее информативно записать между Δ p and Δ H :
At large φ >0, the constant Δ − is negligible (our present Universe, for comparison, would at least have e φ 0 ≈ p ( φ 0 )/ p (0) ≈ e 120 ). Полуклассичность сегодня требует, чтобы Δ + было примерно ℏ H / Δ H , тогда как Δ — вообще не имеет признаков и не ограничен в наблюдениях, подавляясь коэффициентом e -4 φ по сравнению с Δ + . Однако она стала существенной величиной до Большого взрыва ( φ <0). В то время у нас были бы небольшие флуктуации, если бы Δ − также было порядка ℏ H / H , что, безусловно, допустимо в качестве решения.
Но уравнение (1) или другая доступная информация о Δ p ( φ ) при φ >0, не ограничивает Δ − ; оно может быть огромным (пока оно меньше e 4 φ 0 ≈ e 480 ≈10 200 ) и подразумевать сильные квантовые флуктуации во Вселенной до взрыва. Сделать выводы о флуктуациях Вселенной до Большого Взрыва практически невозможно: соответствующий параметр подавляется огромными размерами нынешней Вселенной. (Есть физические процессы, называемые декогеренцией 10 , который может подтолкнуть квантовую систему к более классическому поведению. Эти сложные механизмы зависят от квантового состояния, в котором они работают, и особенно флуктуации остаются важными для результата.)
Этот довольно простой вывод иллюстрирует ограниченность нашего понимания природы. Известно несколько примеров из хаотической динамики и квантовой теории, и все они сыграли важную роль в философских дебатах.
Поэтому мы должны отличать это от возникающего здесь ограничения, которое относится к другому типу. Система не хаотична, но любой след некоторых ее начальных условий теряется во времени. Это квантовая система, и ограничение связано с квантовыми неопределенностями. Как обычно, родовые состояния распространяются, а их флуктуации растут. Но в космологии колебания до и после Большого взрыва в значительной степени независимы; знание самих флуктуаций ограничено в дополнение к неопределенности средних значений, подразумеваемой ненулевыми флуктуациями. В космологии существует огромный диапазон масштабов от планковской длины до хаббловского радиуса. Наш подробный анализ показывает, как они могут входить в предсказания неожиданным образом.
Физика ведет к наблюдениям и пониманию более ранних времен нашей Вселенной и, возможно, даже ее происхождения, но Большой взрыв всегда возникал как барьер. Даже в моделях, чьи математические уравнения не ломаются, описывая вселенную до Большого взрыва, практически теряется некоторая информация об одном из самых элементарных свойств.
В частности, в рассматриваемой здесь решаемой модели размер квантовых флуктуаций до Большого взрыва входит в величины после Большого взрыва только в сильно подавленном виде. Это говорит о том, что текущие наблюдения не могут дать существенных ограничений на их значения.
В качестве общей концепции это представляет привлекательную новую картину вселенной, сочетающую вечные циклические модели и линейные модели. Линейная модель начинается в конечное время в прошлом, тогда как циклическая модель существует вечно, будь то несколько циклов или только одна сжимающаяся фаза, за которой следует расширяющаяся. Мы описали теорию, эволюция которой никогда не останавливается, будучи в этом смысле циклической. Но некоторые следы каждого цикла безвозвратно теряются вскоре после перехода от коллапса к расширению. Полные предсказания и объяснения наблюдений могут быть сделаны только для конечной части, начинающейся после Большого Взрыва. Вечному повторению того же препятствует внутреннее космическое забвение.