«Вселенная – это одна из тех вещей, которые случаются время от времени». Эта фраза взята из научной статьи, опубликованной в 1973 году американским учёным Эдвардом Трайоном. Это имя почти никто сегодня не помнит. Даже в мире науки. Хотя именно Трайон был первым, кто серьёзно, используя научный подход, задумался о происхождении Вселенной. Но прежде, чем мы перейдём к Трайону и его работам, нам нужно прояснить несколько возможных вопросов. Потому что какой-нибудь мой пытливый читатель сейчас скажет: погодите, ведь теория Большого взрыва появилась гораздо раньше 1973 года!

Как возникла Вселенная?

Это правда. Но то, что широко известно в массах как «Теория Большого Взрыва», а с научной точки зрения именуется моделью Lambda CDM, представляет собой космологическую модель, описывающую эволюцию Вселенной. В ней речь идёт об образовании первых элементарных частиц, о том, как из этих частиц возникли первые атомы, из которых возникли первые звезды и так далее. То есть о фундаментальных физических явлениях и о том, как они вели себя в экстремальных условиях очень молодой Вселенной.

Модель Большого Взрыва очень хорошо описывает то, как наша современная Вселенная развилась из чрезвычайно плотного и чрезвычайно горячего исходного состояния 13,8 миллиарда лет назад.

Но она ничего не говорит о том, как возникла сама Вселенная!


И это на самом деле фундаментальный вопрос: почему Вселенная вообще существует? То, что она существует, очевидно, и астрономия и космология довольно хорошо описывают, как она работает и что происходит у неё внутри. Но почему она вообще есть? Почему есть что-то, а не просто великое ничто?

Это, конечно, глубоко философский вопрос. И с ним так или иначе сталкивались все религии мира. И этот вопрос долгое время игнорировался наукой. Или нет. «Игнорируется» – неправильный термин. Просто наука не в состоянии сделать какие-либо осмысленные заявления по этому поводу. И поэтому воздерживается от этого.

Но в принципе нет никаких оснований не думать о вопросах такого рода с научной точки зрения. В противном случае никакого успеха в исследованиях не будет.

А теперь вернёмся к Эдварду Трайону.

Мыслить глобально

Этот человек родился 4 сентября 1940 года в Терре-Хот, США. Он изучал физику в Корнеллском университете. Позже он получил докторскую степень в Калифорнийском университете под руководством нобелевского лауреата Стива Вайнберга.

Вайнберг был не только одним из сооснователей Стандартной модели физики элементарных частиц, но и занимался космологией. Поэтому неудивительно, что Трайон тоже задумался о связи между всем большим и маленьким во Вселенной. Потому что именно это нужно знать в первую очередь, когда имеешь дело с происхождением и эволюцией Вселенной.

Это сегодня Вселенная большая. Но раньше она была маленькой. Намного меньше, чем самые маленькие объекты, которые можно себе представить. И если мы захотим узнать что-либо о её происхождении, неизбежно придётся иметь дело с явлениями физики элементарных частиц и квантовой механики.

Когда дело доходит до чего-то столь абстрактного, как происхождение самой Вселенной, наряду со всеми остальными проблемами возникают две фундаментальные. Во-первых, закон сохранения энергии. Почему «что-то» вдруг возникло из «ничто»? Все известные законы науки говорят о том, что «что-то» не может возникнуть «просто так». И второе: если просто было «ничто», то какая должна быть причина, чтобы «ничто» стало «чем-то»?

Итак, если мы хотим объяснить, как именно родилась Вселенная, то имеем проблемы с причинностью. То есть отношением между причиной и следствием. А также с законами сохранения.

И сейчас мы плавно подошли к флуктуации вакуума. Это словосочетание впервые использовал Эдвард Трайон, чем вызвал смех среди своих коллег.

Флуктуация вакуума

Во время перерыва в выступлении британского космолога Денниса Шиамы Трайон вдруг обронил такую фразу: «Вселенная может представлять собой колебание вакуума». Все вокруг подумали, что это шутка. И только позже стало ясно, что Трайон говорил вполне серьёзно.

В 1973 году в журнале «Nature» была опубликована его статья под названием «Является ли Вселенная флуктуацией вакуума?». Знаменитый космолог Алан Гут, внёсший значительный вклад в понимание самых первых процессов, происходивших во Вселенной, назвал высказывание Трайона и последующую статью «вероятно, первой научной идеей о происхождении нашего мироздания».

Давайте попробуем сегодня немного подробнее остановиться на этом вопросе и разобраться в том, что же такое эта загадочная «флуктуация вакуума».

Все мы прекрасно знаем, что вакуум – это ничто. И возникает первый вопрос – как это ничто может колебаться или изменяться? Звучит все это очень парадоксально. Однако если речь идёт о квантовой механике, то избежать таких, казалось бы, парадоксальных явлений не удастся.

Чуть выше по тексту мы вспомнили, что невозможно просто создать «что-то» из «ничего». Но только не в квантовой механике. Там это вполне возможно. Трайон пишет в своей статье: «В квантовой электродинамике электрон, позитрон и фотон могут спонтанно возникнуть из вакуума. Когда это происходит, три эти частицы существуют некоторое время, прежде чем аннигилировать, не оставив никаких следов».

Прежде чем мы продолжим, хочу предупредить вас, друзья мои: флуктуация вакуума – это очень сложно.


Всё очень сложно

То, что описывает Трайон, — это не совсем то, что сегодня понимают под флуктуацией вакуума. Речь идёт о виртуальных частицах, и о большом количестве математики, с помощью которой можно проиллюстрировать существование реальных или виртуальных частиц.

Но поскольку большинство уважаемых читателей не обладает специальными знаниями, мы в рамках этой статьи ограничимся тем, что знает из квантовой механики любой гражданин: частицы могут возникать «просто так».

Квантовая механика занимается, в основном, статистикой и вероятностями. Например, никто не может точно сказать, где находится та или иная частица в определённый момент времени, и есть возможность только вычислить вероятность, с которой она может находиться в определённом месте.

И с вакуумом тоже не все так просто. Он на самом деле не просто пуст, а полон квантовых полей, которые не являются «ничем». И в то же время они не являются «чем-то». Скорее это потенциал для «чего-то». Но это очень упрощённое описание. Главное, что квантовые поля — это то, из чего могут самопроизвольно возникать частицы. То есть проблему с возникновением «чего-то» из «ничего» можно решить именно таким образом.

Но у нас все еще есть проблема с сохранением энергии. Вселенная полна энергии (и массы, хотя на самом деле это одно и то же). Насколько нам известно, вся эта энергия не может возникнуть из ниоткуда.

Но умный Трайон подумал и об этом тоже.

Отрицательная энергия

Вся масса, все звезды, галактики и всё остальное во Вселенной представляют собой огромное количество энергии. Но гравитационную силу, действующую между всеми этими объектами, в этом контексте можно интерпретировать как своего рода отрицательную энергию.

Возможно, вы сможете лучше представить это с помощью такого сравнения: если я тащу батарею парового отопления на 22-й этаж высотного здания, то мне придётся затратить некоторое количество энергии. Потому что я перемещаю батарею через гравитационное поле Земли, а эта гравитация не хочет «отпускать» батарею. И чем выше я поднимаюсь по лестнице, тем большей потенциальной энергией «заряжается» наша батарея. То есть сама по себе батарея не становится тяжелее. Однако если сбросить её с первого этажа или с двадцать второго, то разница в той воронке, что она образует, будет очевидной.

Та батарея, что лежит на земле, имеет нулевую потенциальную энергию. Она просто лежит, и если вы захотите, чтобы она что-то сделала полезное, ей нужно будет передать энергию.

А теперь давайте выкопаем яму. И бросим нашу батарею туда. Теперь она будет иметь отрицательную потенциальную энергию. И придётся затратить энергию, чтобы поднять её обратно на нулевой уровень, то есть на поверхность земли.

Но это касается только поверхности земли, потому что в этом примере мы тут устанавливаем некий «нулевой уровень». Но можно также рассмотреть случай, когда гравитационное взаимодействие между двумя объектами фактически равно нулю. То есть они находятся бесконечно далеко друг от друга.

Проще говоря, фактический нулевой уровень гравитационной энергии находится бесконечно далеко над нашими головами. И если размышлять таким образом, то все объекты в этом случае имеют отрицательную гравитационную потенциальную энергию. Или, говоря иначе: гравитацию можно рассматривать как отрицательную энергию.

И Трайон считал, что эта отрицательная энергия, возможно, могла бы уравновесить положительную энергию массы во всей Вселенной.

А что было до?

На самом деле, конечно, все гораздо сложнее. То, что написано выше, это очень серьёзное упрощение. Плюс с 1973 года были открыты некоторые новые вещи.

Квантовая механика стала более понята. Были открыты такие явления, как тёмная энергия, которая также является своего рода противодействием гравитации, и так далее.

Но основная гипотеза Трайона осталась неизменной (с различными модификациями). Вселенная может быть просто флуктуацией вакуума. И она могла возникнуть «просто так», из ниоткуда.

Однако окончательно этот вопрос до сих пор не решён. Поскольку люди спрашивают: хорошо, допустим. Но если Вселенная – это «всего лишь» колебание в вакууме, то чем тогда является этот самый вакуум? И откуда он сам взялся?


На этот вопрос нет ответа. И, возможно, никогда не будет. Какое бы начало мы ни нашли для объяснения своего существования, мы будем и должны всегда спрашивать себя, что было до этого. И здесь никак не поможет заявление, что не существует никакого «прежде» или какого-то «начала».

Потому что мы не можем себе представить, что существует что-то, что не имело бы «до». Вполне возможно, что наш мозг просто не способен мыслить таким образом, чтобы разрешить эту проблему.

Трайон не добился многого в своей новаторской деятельности. Его работа долгое время игнорировалась. И лишь по прошествии времени, когда появилось лучшее математическое понимание всех этих странных явлений, к вопросу возникновения вакуумных флуктуаций стали относиться более серьёзно.

Несмотря на это, имя учёного не стало широко известным, хотя он этого и заслужил. Трайон умер 11 декабря 2019 года, и его некролог в New York Times мало о чём говорит, кроме его академического образования и работы, начиная с 1973 года.

В нём упоминается лишь о том, что учёный очень любил кошек. И даже построил отапливаемый домик для кота, который никак не осмеливался войти в его квартиру…Источник: "Живой космос"