Некоторые космологи считают, что предыдущая, холодная темная пустая вселенная, подобная той, которая находится в нашем далеком будущем, в котором все поглотят черные дыры, могла быть источником нашего собственного Большого взрыва.
Но прежде чем мы доберемся до этого, давайте посмотрим, как впервые появился "строительный 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 пространство охладилось 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.
Так что давайте думать дальше. 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, 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.
Предположим, мы спрашиваем: откуда возникло само пространство-время? Затем мы можем повернуть часы еще дальше назад, в действительно древнюю "эпоху Планка" — 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, происходящих 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 это взялось?
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.
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. 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.
С этой точки зрения Большой взрыв возникает практически из ничего. Это то, что остается, когда вся материя во Вселенной поглощается черными дырами, которые, в свою очередь, испаряются в фотоны — теряются в пустоте. Таким образом, вся вселенная возникает из чего-то, что, если смотреть с другой физической точки зрения, настолько близко, насколько это вообще возможно, ни к чему. Но это ничто по-прежнему является своего рода чем-то. Это все еще физическая вселенная, хотя и пустая.
Как одно и то же состояние может быть холодной и пустой вселенной с одной точки зрения и горячей плотной вселенной с другой? Ответ заключается в сложной математической процедуре, называемой "конформным масштабированием", геометрическом преобразовании, которое фактически изменяет размер объекта, но оставляет его форму неизменной.
Пенроуз показал, как холодное плотное состояние и горячее плотное состояние могут быть связаны таким изменением масштаба, чтобы они совпадали в отношении формы их пространства-времени, хотя и не в отношении их размеров. По общему признанию, трудно понять, как два объекта могут быть таким образом идентичными, когда они имеют разные размеры, но Пенроуз утверждает, что размер как понятие теряет смысл в таких экстремальных физических условиях.
В конформно-циклической космологии направление объяснения идет от старого и холодного к молодому и горячему: горячее плотное состояние существует из-за холодного пустого состояния. Но это "потому что" не является общеизвестным — причина, за которой во времени следует ее следствие. В этих экстремальных состояниях не только размер перестает иметь значение, но и время. Холодное плотное состояние и горячее плотное состояние фактически расположены на разных временных линиях. Холодное пустое состояние будет продолжаться вечно с точки зрения наблюдателя в его собственной временной геометрии, но горячее плотное состояние, которое оно порождает, эффективно населяет новую собственную временную линию.
Это может помочь понять, что горячее плотное состояние произведено из холодного пустого состояния каким-то некаузальным образом. Возможно, нам следует сказать, что горячее плотное состояние возникает из, или основывается на, или реализуется холодным, пустым состоянием. Это отчетливо метафизические идеи, которые широко исследовались философами науки , особенно в контексте квантовой гравитации, где обычная причина и следствие, кажется, несовместимы. В пределах наших знаний физику и философию становится трудно разделить.
Конформная циклическая космология предлагает некоторые подробные, хотя и спекулятивные ответы на вопрос, откуда произошел наш Большой Взрыв. Но даже если видение Пенроуза подтвердится грядущим прогрессом космологии, можно подумать, что мы все равно не ответили бы на более глубокий философский вопрос — вопрос о том, откуда взялась сама физическая реальность. Как возникла вся система циклов? Затем мы, наконец, приходим к чистому вопросу о том, почему существует что-то, а не ничто — один из самых больших вопросов метафизики.
Но наше внимание здесь сосредоточено на объяснениях, которые остаются в сфере физики. Есть три общих варианта более глубокого вопроса о том, как начались циклы. Это не могло иметь никакого физического объяснения. Или могут быть бесконечно повторяющиеся циклы, каждый из которых представляет собой вселенную сам по себе, с начальным квантовым состоянием каждой вселенной, объясняемым какой-то особенностью вселенной ранее. Или может быть один-единственный цикл и одна-единственная повторяющаяся вселенная, причем начало этого цикла объясняется какой-то особенностью его собственного конца. Последние два подхода избегают необходимости в каких-либо беспричинных событиях, и это придает им особую привлекательность. Ничто не осталось бы необъясненным физикой.
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. Это, в свою очередь, отсылает нас к теории мультивселенной, где одна "умершая" дает жизнь новой.
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.
А каков ответ официальной науки? После всего вышесказанного — его нет. У нас есть несколько точек зрения, вполне допустимых и подтверждаемых, но все относятся к мгновению после самого Большого Взрыва. О моменте его начала, и уж тем более о предшествующим ему временам нам неизвестно ничего. К сожалению, не смотря на относительность пространства времени, благодаря которой мы можем напрямую взглянуть в глубины истории космоса, у нас еще нет способа перешагнуть границу материи и узнать — а что было ДО.
