Безкінечне творіння з Нічого

Аві Леб

Астронавти описують перебування у темному та пустому просторі за межами нашої планети як моторошний досвід. Так само зробив і німецький поет Райнер Марія Рільке у своєму вірші «Ніч», написаному понад століття тому: «Ніч, що змушує мене тремтіти, але в собі така спокійна; невичерпне творіння, яке триває поза долею світу».

Чи існує сучасне наукове тлумачення слів Рільке?

Насправді космос ані пустий, ні темний. Навіть у міжгалактичному просторі астронавт знайде частинки, що залишились після Великого вибуху, – приблизно один протон, один електрон та по пів мільярда фотонів та нейтрино на кожен кубічний метр об'єму. Але навіть якщо не брати до уваги ці частинки, простір однаково не є порожнечею, як вважали античні філософи-атомісти.

Насправді майже дві третини усієї речовини, що існує у Всесвіті, припадає на так звану «темну енергію», яка наповнює вакуум і здійснює від’ємний тиск на Всесвіт, змушуючи його прискорено розширюватися. Згідно з останніми даними, вакуум поводиться як космологічна стала, яку Альберт Айнштайн додав до своїх рівнянь, що описують гіпотетичний статичний Всесвіт, в якому гравітаційне притягання матерії урівноважується відштовхуванням вакууму.

Але тепер вченим відомо, що Всесвіт не просто розширюється, але й робить це рівномірно по усій лінії космічного горизонту, протилежні кінці якого не мали часу взаємодіяти між собою після Великого вибуху (тобто відстань між ними така, що світло не могло подолати її за увесь час, що пройшов після Великого вибуху). Популярне пояснення цієї очевидної загадки подає теорія космічної інфляції, згідно з якою у першу мить після Великого вибуху (10^-36 секунди) вакуум змусив Всесвіт прискорено (інфляційно) розширитись, збільшившись в об’ємі у 10⁷⁸ разів. Унаслідок цієї події ділянки Всесвіту, які спочатку були поруч й перебували у причинно-наслідкових зв’язках, розділились і тепер розташовані на протилежних кінцях неба. Якщо ця теорія правильна, то вакуум – це те, що було спочатку і, мабуть, залишиться наприкінці нашої космічної історії.

Якщо ж нам все-таки дуже хочеться знайти пустоту, то ми можемо собі уявити гіпотетичний простір за межами Всесвіту, в якому космологічна константа зникає і де немає матерії. Але чи буде навіть це місце пустим? Згідно із квантовою механікою, там однаково відбуватимуться квантові флуктуації, унаслідок яких народжуватимуться і одразу зникатимуть віртуальні частинки. Реальність цих скороминучих флуктуацій підтверджена цілою низкою фізичних ефектів. Наприклад, якщо у вакуумі одна навпроти одної розташувати дві металеві пластини, то у просторі між ними зменшиться довжина хвилі віртуальних електромагнітних флуктуацій і пластини притягуватимуться (ефект Казимира).

Так само й взаємодія між флуктуаціями вакууму та електроном в атомі водню зумовлює Лембів зсув – різницю між енергетичними станами ²S_½ та ²P_½ цього електрона. А сильне електричне поле може настільки прискорити віртуальні електрони і позитрони, що вони не встигатимуть анігілювати й ставатимуть реальними частинками (ефект Швінгера). Схожий механізм діє і на горизонті подій чорної діри, де одна із віртуальної пари частинка/античастинка падає у чорну діру, а інша матеріалізується й стає реальною (випромінювання Гокінга), забираючи енергію у чорної діри.

Власне, теплове випромінювання виникає із вакууму не лише у чорних дірах, а й у всіх системах, де є так званий причинно-наслідковий горизонт. Наприклад, зонд, який прискорюється, отримує так званий горизонт Риндлера і зможе детектувати теплове випромінювання, яке він би не побачив в інерційній системі відліку (ефект Унру), а горизонт Всесвіту, що експоненційно прискорюється, має температуру де Сіттера. Флуктуації вакууму в епоху космічної інфляції породили й «висіяли» структуру галактик та галактичних кластерів, які ми сьогодні спостерігаємо у Всесвіті. Якщо це справді так, то своїм існуванням ми завдячуємо саме квантовим флуктуаціям. Отже, вакуум породив життя.

Але це змушує поміркувати про навіть ще фундаментальніше запитання. Якщо атомісти були неправі й пустоти не існує, то що ж було перед Великим вибухом? Чи можна стверджувати, що сам Всесвіт з’явився унаслідок квантових флуктуацій? На ці запитання можна буде відповісти лише в рамках квантової теорії гравітації, яка ще досі не створена. Поки її немає, ми так і дізнаємось про наші космічні корені.

Як і в ефекті Швінгера, можна припустити, що насильницьке «розривання» вакууму може породити новий Всесвіт. Зараз вчені активно міркують над тим, за яких умов це може відбутися. Одним із таких досліджень є проведене мною разом з Полом Чеслером, постдоком із Гарвардської Ініціативи чорних дір, зворотне моделювання колапсу чорної діри.

Усе це наводить на цікаві роздуми щодо нашого космічного походження. Якщо наш Всесвіт створила у лабораторії інша цивілізація, то можна уявити собі безкінечний ланцюг із таких всесвітів, в яких технологічно розвинені цивілізації створюють нові світи. У цьому випадку пуповина нашого космічного буття веде до чиєїсь лабораторії.

Новий Всесвіт – це найбільше, що можна отримати із експериментів з вакуумом. Всередині у такому Всесвіті спершу перебували б ранні атомісти, які міркували про вакуум як про порожнечу, а згодом з’явилися б науковці, які б у лабораторії створили ще один такий самий Всесвіт. Хіба це не дивовижна інтерпретація слів Рільке про «невичерпне творіння, яке триває поза долею світу»?