Как Вселенная была создана из ничего

Автор

1. Аластер Уилсон, профессор философии Бирмингемского университета

Заявление о раскрытии информации

Аластер Уилсон получает финансирование от Европейского исследовательского совета (ERC) в рамках исследовательской и инновационной программы Horizon 2020 Европейского Союза (соглашение о гранте № 757295) и от Австралийского исследовательского совета (соглашение о гранте № DP180100105).

Партнеры

Университет Бирмингема предоставляет финансирование в качестве партнера-основателя The Conversation UK.

Языки

ВОПРОС ЧИТАТЕЛЯ: Я понимаю, что ничто не возникает из ничего. Чтобы что-то существовало, должен быть доступен материал или компонент, а чтобы они были доступны, должно быть доступно что-то еще. Теперь мой вопрос: откуда взялся материал, создавший Большой взрыв, и что произошло в первую очередь, чтобы создать этот материал? Питер, 80 лет, Австралия.

«Последняя звезда будет медленно остывать и исчезать. С его уходом вселенная снова станет пустотой, лишенной света, жизни и смысла». Так предупредил физик Брайан Кокс в недавнем сериале BBC Universe. Угасание этой последней звезды будет лишь началом бесконечно долгой темной эпохи. В конце концов вся материя будет поглощена чудовищными черными дырами, которые, в свою очередь, испарятся, превратившись в самые тусклые проблески света. Пространство будет постоянно расширяться, пока даже этот тусклый свет не станет слишком рассеянным, чтобы взаимодействовать. Активность прекратится.

Или будет? Как ни странно, некоторые космологи считают, что предыдущая, холодная темная пустая вселенная, подобная той, которая находится в нашем далеком будущем, могла быть источником нашего собственного Большого взрыва.

Эта статья является частью «Больших вопросов жизни».
Новая серия The Conversation, изданная совместно с BBC Future, призвана ответить на мучительные вопросы наших читателей о жизни, любви, смерти и вселенной. Мы работаем с профессиональными исследователями, которые посвятили свою жизнь раскрытию новых взглядов на вопросы, которые определяют нашу жизнь.

Первое дело

Но прежде чем мы доберемся до этого, давайте посмотрим, как впервые появился «материал» — физическая материя. Если мы стремимся объяснить происхождение стабильной материи, состоящей из атомов или молекул, то ничего подобного не было ни во время Большого взрыва, ни в течение сотен тысяч лет после него. На самом деле у нас есть довольно подробное представление о том, как первые атомы образовались из более простых частиц, как только условия охладились настолько, что сложная материя стала стабильной, и как эти атомы позже слились в более тяжелые элементы внутри звезд. Но это понимание не решает вопроса о том, произошло ли что-то из ничего.

Вы можете послушать другие статьи из The Conversation, озвученные Ноа, здесь.

Итак, давайте подумаем еще. Первыми долгоживущими частицами вещества любого вида были протоны и нейтроны, которые вместе составляют атомное ядро. Они появились примерно через одну десятитысячную долю секунды после Большого взрыва. До этого момента действительно не было материала в привычном смысле этого слова. Но физика позволяет нам продолжать прослеживать временную шкалу в обратном направлении — к физическим процессам, которые предшествовали любой стабильной материи.

Это приводит нас к так называемой «великой объединенной эпохе». К настоящему времени мы находимся в области спекулятивной физики, поскольку не можем производить достаточно энергии в наших экспериментах, чтобы исследовать процессы, которые происходили в то время. Но правдоподобной гипотезой является то, что физический мир состоит из супа из короткоживущих элементарных частиц, включая кварки, строительные блоки протонов и нейтронов. Было и вещество, и «антивещество» примерно в равных количествах: у каждого типа частиц материи, таких как кварк, есть компаньон из антивещества, «зеркальное отражение», который почти идентичен себе, отличаясь только одним аспектом. Однако материя и антиматерия аннигилируют во вспышке энергии при встрече, а это означает, что эти частицы постоянно создавались и уничтожались.

Но как эти частицы вообще появились? Квантовая теория поля говорит нам, что даже вакуум, предположительно соответствующий пустому пространству-времени, наполнен физической активностью в виде флуктуаций энергии. Эти флуктуации могут привести к тому, что частицы выскочат наружу, но вскоре после этого исчезнут. Это может показаться математической причудой, а не реальной физикой, но такие частицы были обнаружены в бесчисленных экспериментах.

Состояние вакуума пространства-времени кишит частицами, которые постоянно создаются и уничтожаются, по-видимому, «из ничего». Но, возможно, все это на самом деле говорит нам о том, что квантовый вакуум (несмотря на свое название) — это нечто, а не ничто. Философ Дэвид Альберт незабываемо критиковал теории Большого Взрыва, которые обещают таким образом получить что-то из ничего.

Предположим, мы спрашиваем: откуда возникло само пространство-время? Затем мы можем повернуть часы еще дальше назад, в действительно древнюю «планковскую эпоху» — период настолько ранний в истории Вселенной, что наши лучшие физические теории рушатся. Эта эра наступила всего через одну десятимиллионную триллионной триллионной триллионной доли секунды после Большого Взрыва. В этот момент само пространство и время стали подвержены квантовым флуктуациям. Физики обычно работают отдельно с квантовой механикой, управляющей микромиром частиц, и с общей теорией относительности, применимой в больших космических масштабах. Но чтобы по-настоящему понять эпоху Планка, нам нужна полная теория квантовой гравитации, объединяющая их.

У нас до сих пор нет идеальной теории квантовой гравитации, но есть попытки — вроде теории струн и петлевой квантовой гравитации. В этих попытках обычное пространство и время обычно рассматриваются как возникающие, как волны на поверхности глубокого океана.То, что мы воспринимаем как пространство и время, является продуктом квантовых процессов, действующих на более глубоком, микроскопическом уровне, — процессов, которые не имеют особого смысла для нас, существ, укоренившихся в макроскопическом мире.

В эпоху Планка наше обычное понимание пространства и времени рушится, поэтому мы больше не можем полагаться и на наше обычное понимание причины и следствия. Несмотря на это, все кандидаты в теории квантовой гравитации описывают нечто физическое, что происходило в эпоху Планка — некий квантовый предшественник обычного пространства и времени. Но откуда что родом из?

Даже если причинно-следственная связь больше не применима обычным образом, все же можно объяснить один компонент Вселенной эпохи Планка с точки зрения другого. К сожалению, к настоящему времени даже наша лучшая физика не может полностью дать ответы. Пока мы не продвинемся дальше к «теории всего», мы не сможем дать какой-либо окончательный ответ. Самое большее, что мы можем с уверенностью сказать на данном этапе, это то, что физика до сих пор не нашла подтвержденных случаев возникновения чего-либо из ничего.

Циклы почти из ничего

Чтобы по-настоящему ответить на вопрос, как что-то могло возникнуть из ничего, нам нужно было бы объяснить квантовое состояние всей Вселенной в начале эпохи Планка. Все попытки сделать это остаются весьма спекулятивными. Некоторые из них взывают к сверхъестественным силам, как дизайнер. Но другие возможные объяснения остаются в сфере физики — например, мультивселенная, содержащая бесконечное число параллельных вселенных, или циклические модели вселенной, рождающиеся и возрождающиеся снова.

Лауреат Нобелевской премии 2020 года физик Роджер Пенроуз предложил одну интригующую, но противоречивую модель циклической Вселенной, получившую название «конформная циклическая космология».Пенроуз был вдохновлен интересной математической связью между очень горячим, плотным, маленьким состоянием Вселенной, каким оно было при Большом взрыве, и чрезвычайно холодным, пустым, расширенным состоянием Вселенной, каким оно будет в далеком будущем. . Его радикальная теория, объясняющая это соответствие, состоит в том, что эти состояния становятся математически идентичными, если довести их до предела. Каким бы парадоксальным это ни казалось, полное отсутствие материи могло породить всю материю, которую мы видим вокруг себя в нашей Вселенной.

Пенроуз предполагает последовательность бесконечных новых циклов по причинам, отчасти связанным с его собственной предпочтительной интерпретацией квантовой теории. В квантовой механике физическая система существует в суперпозиции множества различных состояний одновременно и случайно «выбирает одно», когда мы его измеряем. Для Пенроуза каждый цикл включает в себя случайные квантовые события, происходящие по-разному, то есть каждый цикл будет отличаться от предыдущих и последующих. На самом деле это хорошая новость для физиков-экспериментаторов, потому что она может позволить нам взглянуть на старую Вселенную, которая породила нашу, через слабые следы или аномалии в остаточном излучении Большого взрыва, наблюдаемом спутником «Планк».

Пенроуз и его сотрудники полагают, что они уже могли обнаружить эти следы, приписывая закономерности в данных Планка излучению сверхмассивных черных дыр в предыдущей Вселенной. Однако заявленные ими наблюдения были оспорены другими физиками, и жюри остается в силе.

Бесконечные новые циклы являются ключом к собственному видению Пенроуза. Но есть естественный способ преобразовать конформно-циклическую космологию из многоцикловой в одноцикловую форму. Тогда физическая реальность состоит в единственном цикле вокруг Большого Взрыва до максимально пустого состояния в далеком будущем – и затем снова по кругу до того же Большого Взрыва, порождающего снова и снова ту же Вселенную.

Эта последняя возможность согласуется с другой интерпретацией квантовой механики, получившей название многомировой интерпретации. Интерпретация многих миров говорит нам, что каждый раз, когда мы измеряем систему, находящуюся в суперпозиции, это измерение не выбирает состояние случайным образом. Вместо этого результат измерения, который мы видим, — это всего лишь одна из возможностей — та, которая разыгрывается в нашей собственной вселенной. Все результаты других измерений разыгрываются в других вселенных в мультивселенной, фактически отрезанных от нашей собственной. Таким образом, как бы мала ни была вероятность того, что что-то произойдет, если вероятность этого не равна нулю, то это произойдет в каком-то квантовом параллельном мире. Есть такие же люди, как и вы, в других мирах, которые выиграли в лотерею, или были унесены в облака странным тайфуном, или спонтанно воспламенились, или сделали все три одновременно.

Некоторые люди считают, что такие параллельные вселенные также можно наблюдать в космологических данных как отпечатки, вызванные столкновением другой вселенной с нашей.

Квантовая теория многих миров дает новый поворот в конформно-циклической космологии, хотя и не тот, с которым согласен Пенроуз. Наш Большой Взрыв может быть возрождением одной единственной квантовой мультивселенной, содержащей бесконечное множество различных вселенных, происходящих вместе. Случается все возможное — потом это происходит снова, и снова, и снова.

Древний миф

Для философа науки видение Пенроуза завораживает. Это открывает новые возможности для объяснения Большого Взрыва, выводя наши объяснения за рамки обычных причин и следствий. Поэтому это отличный пример для изучения различных способов, которыми физика может объяснить наш мир. Он заслуживает большего внимания со стороны философов.

Для любителя мифов видение Пенроуза прекрасно. В излюбленной Пенроузом многоцикловой форме он обещает бесконечные новые миры, рожденные из пепла их предков. В своей одноцикловой форме это поразительное современное повторение древней идеи уробороса, или мирового змея.В скандинавской мифологии змей Ёрмунганд — дитя ловкого обманщика Локи и великанши Ангрбоды. Ёрмунганд пожирает собственный хвост, и созданный круг поддерживает баланс мира. Но миф об уроборосе был задокументирован во всем мире, в том числе еще в Древнем Египте.

Уроборос единой циклической вселенной поистине величественен. В его чреве находится наша собственная Вселенная, а также все странные и чудесные альтернативные возможные вселенные, допускаемые квантовой физикой. сто тысяч миллионов миллиардов триллионов градусов Цельсия. Даже Локи, оборотень, был бы впечатлен.

Чтобы получить важные ответы на все вопросы жизни, присоединяйтесь к сотням тысяч людей, которые ценят новости, основанные на фактах. подписка на нашу рассылку. Вы можете отправить нам свои важные вопросы по электронной почте bigquestions@theconversation.com, и мы постараемся найти исследователя или эксперта по этому делу.

• Счастье: удовлетворенность важнее цели и задач?
• Можем ли мы жить в мире без правил?
• Смерть: может ли наш последний момент быть эйфоричным?
• Природа: эволюционировали ли люди за пределы естественного мира и нужны ли они нам?
• Любовь: это просто мимолетный кайф, подпитываемый химическими веществами мозга?