"Ньютон сильно звузив поле діяльності Бога": Лоуренс Краусс - про те, як з нічого виникає щось

Ісаак Ньютон — мабуть, найбільший фізик усіх часів — перевернув наші уявлення про Всесвіт у різних областях. Але, мабуть, найважливіше у його спадщині те, що він показав: весь Всесвіт пояснюється. Незрозуміла, ворожа, грізна і непередбачувана на перший погляд, вона може виявитися зовсім не такою незрозумілою. Про те, чому потенційна можливість існування не тотожна існуванню, а здоровий глузд не завжди збігається з реальними законами природи, — розповідає відомий фізик і популяризатор науки Лоуренс Краусс.
До речі! Українською мовою перекладено його книжку: «Таємниці походження всесвіту» видавництва КСД. Радимо почитати.

Якщо Всесвітом правлять непорушні закони, то міфічні боги Стародавньої Греції і Риму безсилі. Вони не можуть за своєю волею змінювати світ, щоб чинити людству хитромудрі перешкоди. І це стосується не тільки Зевса, а й старозавітного Бога. Хіба можна зупинити Сонце в небі, якщо воно не обертається навколо Землі, а його рух небом насправді пояснюється обертанням Землі? Якби Земля раптово зупинилася, на її поверхні виникли б такі сили, які б знищили всі творіння рук людських, та й самих людей заодно.

Зрозуміло, надприродні дії — це те саме, що дива. Тобто саме те, що оминає закони природи. Бог, здатний створити закони природи, імовірно, має бути здатний і ігнорувати їх за бажанням. Щоправда, дещо насторожує той факт, що закони дуже часто обходилися тисячі років тому, до винайдення сучасних технічних засобів, які б могли це задокументувати, а в наші дні такого чомусь не трапляється.

Так чи інакше, навіть якщо ми маємо справу з Всесвітом, де чудес не буває, якщо ми стикаємося з фундаментально простим фундаментальним порядком, можна зробити два різні висновки. Один зробив сам Ньютон, а до нього схожих поглядів дотримувалися і Галілей, і безліч інших вчених протягом довгих років: цей порядок створений Божественним розумом, завдяки якому існує не тільки Всесвіт, але й ми, причому ми, люди, були створені за його образом і подобою (а багато інших прекрасних і складних істот, очевидно, ні). Інший висновок — що немає нічого, крім самих законів. Ці закони самі зажадали, щоб виник наш Всесвіт, щоб він розвивався та еволюціонував, і ми — неминучий побічний продукт дії цих законів. Можливо, ці закони і вічні, а може, й вони колись виникли — внаслідок якогось поки що невідомого, але, мабуть, суто фізичного процесу.

Про те, який із цих сценаріїв вірний, і досі сперечаються філософи та теологи, а іноді й вчені. Ми не можемо сказати напевно, який з них описує наш Всесвіт, і, можливо, так і не дізнаємося. Вся справа в тому, що остаточно вирішуватимуть це питання не надії, прагнення, одкровення чи абстрактні роздуми. Якщо нам взагалі вдасться отримати відповідь, її дасть винятково дослідження навколишнього світу. Згадаймо цитату з Джейкоба Броновські на самому початку книги:

життєвий досвід може бути мрією, а може бути кошмаром, причому те, що для когось мрія, запросто може бути кошмаром для іншого, але сприймати цей досвід потрібно таким, яким він є, не заплющуючи на нього очі.

Всесвіт такий, який він є, незалежно від того, подобається нам він чи ні.

Ось чому, думається мені, дуже важливо, що Всесвіт, який виникає з нічого, — так, як я намагався це описати, — виникає природним і навіть єдиним можливим чином, дедалі більше відповідає всім нашим знанням про світ. Ці знання — результат не філософських чи богословських роздумів про мораль, не якісь спекуляції про частку людську. Ні, вони ґрунтуються на разючих, захоплюючих досягненнях емпіричної космології та фізики елементарних частинок.

При цьому у науці потрібно бути особливо обережними з питаннями на кшталт «чому?». Коли ми запитуємо: "Чому?", то зазвичай маємо на увазі: "Як так вийшло?" Якщо ми можемо відповісти на останнє запитання, цього зазвичай достатньо для наших цілей. Наприклад, якщо ми запитуємо: "Чому від Землі до Сонця 150 млн кілометрів?", то насправді маємо на увазі: "Як так вийшло, що Земля віддалена від Сонця на 150 млн кілометрів?" Тобто нам цікаво, які фізичні процеси призвели до того, що Земля опинилася у нинішньому становищі.

Зараз, за ​​нинішнього рівня розуміння, це конкретне питання на кшталт «як?» витіснене цілою низкою більш перспективних з практичної точки зору питань на кшталт: «Що могло б забезпечити властивості Всесвіту, які особливо характерні для нього зараз?», а головне, питанням: «Як це з'ясувати?».

Стараннями Ньютона у Бога сильно звузилося поле діяльності, причому це не залежить від того, чи приписуєш ти Всесвіту якусь невід'ємну раціональність. Закони Ньютона не тільки суворо обмежили свободу дій будь-якого божества, а й дозволили багато в чому позбутися необхідності втручання надприродних сил. Ньютон відкрив, що рух планет навколо Сонця не вимагає того, щоб їх постійно підштовхували і направляли потрібною траєкторією: як не дивно, для цього потрібна сила, яка притягує їх до Сонця. Отже, можна обійтися і без ангелів, яких раніше часто залучали якраз для руху планет. Те, що Ньютон звільнив ангелів від цієї повинності, навряд чи зменшило бажання людей у ​​них вірити (за даними опитувань, набагато більше американців вірить в ангелів, ніж в еволюцію), проте цілком можна сказати, що в результаті наукового прогресу після Ньютона Господь має все менше можливостей виявляти Свою волю у Своєму ж творінні.

Еволюцію Всесвіту ми можемо описати від першої миті Великого вибуху і при цьому обійтися лише відомими нам законами фізики. А ще ми зуміли описати ймовірне майбутнє Всесвіту. У Всесвіті, звичайно, залишилися загадки, які ми не розуміємо, проте я виходжу з припущення, що читачі цієї книги не схильні робити з Бога до кожної бочки затичку і згадувати його щоразу, коли наші спостереження дають парадоксальну чи не зовсім зрозумілу картину. Навіть теологи визнають, що подібні прийоми не просто підривають велич їхньої вищої істоти, а й загрожують тим, що вища істота все далі відходитиме на другий план у міру появи нових даних, які пояснюють ту чи іншу загадку або спростовують парадокс.

У цьому сенсі

головне питання дискусії про «щось із нічого» - це насправді питання про акт створення світу, і полягає він у тому, чи може суто науковий підхід до цієї теми в принципі бути логічно повним і цілком переконливим.

Згідно з бритвою Оккама, якщо якась подія фізично можлива, нам не потрібно вдаватися до більш екстраординарних пояснень, щоб її обґрунтувати. Очевидно, що вимога існування всемогутнього божества, яке якимось чином існує поза нашим Всесвітом (або мультивсесвітом) і при цьому керує всім, що в ньому відбувається, — це і є екстраординарне пояснення. Отже, звертатися до нього слід в останню чергу, а не насамперед.

Я вже згадував, що недостатньо просто визначити «ніщо» як «неіснування», аби заявити, що фізика, як і наука загалом, не може відповісти на це питання. Наведу додатковий, більш конкретний аргумент. Розглянемо пару "електрон - позитрон", яка спонтанно виникла з порожнього простору поблизу ядра якогось атома і протягом того короткого часу, поки вона існує, впливає на властивості цього атома. Чи можна сказати, що електрон та позитрон у якомусь сенсі існували і до цього? Зрозуміло, за будь-якого скільки-небудь осмисленого визначення вони не існували. Їх існування було потенційно можливим, що так, то так, але це не визначає існування частинок пари більшою мірою, ніж потенційне існування людської істоти на тій лише підставі, що у мене є сперматозоїди, а поблизу знаходиться жінка, у якої зараз овуляція, і ми з нею в принципі могли б вступити до сексуальних стосунків. На мою думку, найкраща відповідь на питання, яке це, коли ти помер (тобто не існуєш), — це пропозиція уявити собі, як тобі було, коли тебе ще не зачали. Так чи інакше, якби потенційна можливість існування була б тотожною існуванню, то питання про мастурбацію обговорювалося б у наші дні так само гаряче, як легалізація абортів.

У рамках проекту Origins в Університеті штату Арізона, яким я керую, нещодавно пройшов семінар про походження життя, і я не втримаюся від спокуси помістити наші космологічні міркування у цей ширший контекст. Ми поки що не до кінця розуміємо, як з'явилося життя на Землі. Однак ми не тільки з'ясували, які саме хімічні механізми могли б до цього привести, але й з кожним днем ​​все ближче і ближче підходимо до того, щоб зрозуміти, які шляхи привели до природного виникнення біомолекул, у тому числі РНК. Більш того, дарвінівська еволюція на основі природного відбору дає переконливу і точну картину виникнення складних форм життя на нашій планеті після того, як той чи інший специфічний хімічний процес призвів до виникнення перших клітин, що самовідтворюються з обміном речовин, що дозволяє отримувати енергію з навколишнього середовища. (Це найкраще визначення життя, яке я можу дати зараз.)

Щойно Дарвін — хай і неохоче — відмовився від необхідності Божественного втручання в еволюцію сучасного світу, в якому так багато найрізноманітніших видів життя (хоча й залишив місце гіпотезі, що саме Господь вдихнув життя у перші живі істоти), наше нинішнє розуміння Всесвіту, його минулого та майбутнього робить вірогіднішим, що «щось», швидше за все, виникло з нічого виключно з фізичних причин, без будь-якого навчення згори. Однак труднощі, пов'язані з технікою спостережень, і відповідні теоретичні складнощі не дозволяють з'ясувати всі подробиці, і я думаю, що нам доведеться задовольнитись цим «швидше за все». Але навіть саме це «швидше за все», на мій погляд, величезний крок уперед, оскільки

у нас вистачає відваги вести осмислене життя у Всесвіті, який, ймовірно, виник і, можливо, зникне без будь-якої мети

— і точно не заради нас як вінця творіння і центру світобудови.

Тепер повернемося до однієї з найвизначніших якостей нашого Всесвіту: наскільки ми можемо виміряти, вона дуже близька до плоскої. Нагадаю, що унікальна риса плоского Всесвіту, принаймні на масштабах, де в ній переважає речовина у вигляді галактики, де діє Ньютонове наближення, полягає в тому, що в плоскому, і тільки в плоскому Всесвіті середня Ньютонова гравітаційна енергія будь-якого об'єкта, що бере участь у розширенні, точно дорівнює нулю.

Я підкреслюю, що це — постулат, що фальсифікується: все не повинно бути саме так. Ніщо не вимагає подібної картини, крім теоретичних міркувань про те, яким має бути Всесвіт, що виник природним чином з нічого — або, принаймні, майже з нічого.

Неможливо перебільшити важливість того, що, як тільки при міркуваннях про світобудову ми починаємо враховувати гравітацію, ми вже не можемо довільно визначити повну енергію системи та ігнорувати ту обставину, що ця енергія має і позитивну, і негативну складові. Не можна довільно визначати повну гравітаційну енергію об'єктів, які захоплює у себе розширення Всесвіту, як і довільно визначати геометричну кривизну Всесвіту. Відповідно до ОТО, це властивість простору як такого, і визначається воно кількістю енергії, що міститься у просторі.

Я кажу це, оскільки стверджувалося, що заява про рівність нулю повної Ньютонової гравітаційної енергії кожної галактики в плоскому Всесвіті, що розширюється, довільно, що згодилося б будь-яке інше значення, але вчені «визначають» нульову точку, щоб мати аргумент проти Бога. Саме так говорив, наприклад, Дінеш Д'Суза у дебатах про існування Бога з Крістофером Гітченсом. Ніщо не може бути далі від правди. Робота з визначення кривизни Всесвіту — результат піввікових праць вчених, які присвятили життя вивченню справжньої природи Всесвіту, а не нав'язували їй свої забаганки. Протягом 1880-х і навіть на початку 1990-х рр., вже через досить значний час після того, як були висунуті перші докази, чому Всесвіт повинен бути плоским, мої колеги-спостерігачі були схильні вважати, що це не так. Адже в науці надає найсильніший вплив (і часто удостоюється найбільших заголовків) не той, хто пливе за течією, а той, хто пливе проти неї.

Так чи інакше останнє слово залишилося за даними, і воно вже сказано.

Спостережуваний Всесвіт гранично близький до плоского - близький настільки, наскільки ми можемо виміряти.

Ньютонова гравітаційна енергія галактик, що рухаються разом із хабблівським розширенням, дорівнює нулю незалежно від наших побажань.

Тепер я хочу розповісти, чому якщо наш Всесвіт виник з нічого, то слід очікувати саме того, що він буде плоским і з нульовою повною Ньютоновою гравітаційною енергією кожного об'єкта. Це пояснення не зовсім очевидне, і мені не цілком вдалося донести його до слухачів моїх популярних лекцій, тому я радий, що в мене нарешті з'явилося достатньо місця, щоб розкласти все по поличках.

Для початку треба чітко розуміти, яке саме «ніщо» ми обговорюватимемо. Це найпростіша версія «нічого», тобто порожній простір. Спочатку припустимо, що є простір, у якому немає нічого, а ще існують закони фізики. Знову ж таки я усвідомлюю, що якщо взяти визначення «нічого» в оновленому та переглянутому вигляді, — а такі визначення пропонують ті, хто хоче постійно надавати словам нового змісту, так, щоб жодне наукове визначення не було практично застосовним, — то ця версія «нічого» не відповідатиме нашим очікуванням. Однак підозрюю, що порожній простір, у якому нічого немає, — це, мабуть, гарне наближення до «нічого» у розумінні Платона та Фоми Аквінського, коли вони замислювалися про те, чому у світі є щось, а не нічого.

Алан Гут пояснив у деталях, як саме можна отримати щось із такого роду «нічого» — це безкоштовний обід за вищим розрядом. Порожньому простору можна приписати ненульову енергію навіть за відсутності речовини та випромінювання. ОТО говорить, що простір буде експоненційно розширюватися, так що навіть ті області, які спочатку були дуже малі, швидко досягають розміру, в який вільно поміститься весь Всесвіт, який ми сьогодні бачимо.

При такому стрімкому розширенні область, в яку врешті-решт увійде весь наш Всесвіт, ставатиме все більш і більш плоскою, хоча енергія, що міститься в порожньому просторі, при зростанні Всесвіту теж зростає. Це можна пояснити без будь-яких підтасувань або втручання згори. Це можливо, тому що гравітаційний «тиск», пов'язаний із подібною енергією порожнього простору, насправді є негативним. Негативний тиск передбачає, що коли простір розширюється, розширення накачує його енергією, а не навпаки.

Ця картина має на увазі, що, коли інфляція припиняється, енергія, укладена в порожньому просторі, перетворюється на енергію реальних частинок і випромінювання, що, по суті, і створює історію розширення Всесвіту, що розпочалася з Великого вибуху. Я говорю про можливість простежити історію розширення, оскільки при інфляції по суті стирається вся пам'ять про стан Всесвіту до його початку. Всі складності та нерегулярності на спочатку великих масштабах (якщо існував до того Всесвіт чи метавсесвіт був великий і навіть нескінченно великий) згладилися і/або пішли так далеко за наш сьогоднішній горизонт, що після досить тривалого інфляційного розширення ми завжди будемо спостерігати практично однорідний Всесвіт.

Я називаю її практично однорідною, оскільки квантова механіка завжди залишає локальні дрібні флуктуації густини, які при інфляції «заморожуються». Це призводить до другого разючого наслідку інфляції: ці дрібні флуктуації щільності в порожньому просторі, що виникли згідно з законами квантової механіки, згодом відповідають за всі структури, які ми сьогодні спостерігаємо у Всесвіті. Так що

і ми самі, і все, що ми бачимо, є результатом квантових флуктуацій у тому, що, по суті, являло собою ніщо на самому початку часів,

саме під час інфляційного розширення.

У сухому залишку загальна конфігурація речовини та випромінювання буде саме такою, яка характерна для плоского Всесвіту, тобто такого, в якому середня Ньютонова гравітаційна енергія всіх об'єктів дорівнює нулю. Так буде майже завжди, якщо не підлаштувати дуже тонко кількість інфляції.

Тому цілком можливо, що наш Всесвіт починався як мізерно мала область простору, по суті, порожня, і все одно згодом він розрісся до велетенських розмірів і містить вдосталь речовини та випромінювання. Все це не коштувало ні краплі енергії, але речовини та енергії вистачило для побудови всього, що ми сьогодні спостерігаємо!

У цьому короткому резюме інфляційної динаміки варто звернути увагу, що може виникнути в порожньому просторі саме тому, що енергетика порожнього простору в присутності гравітації зовсім не така, як ми могли б припускати, керуючись здоровим глуздом, поки не відкрили основоположні закони природи.

Але ніхто ніколи не казав, що Всесвіт керується тим самим, що колись здавалося розумним нам, що короткозоро дивиться на нього з нашого куточку простору і часу. Звичайно, апріорі здається розумним уявити, що речовина не може виникати спонтанно з порожнього простору, тобто щось не може виникнути з нічого. Але

коли ми беремо до уваги динаміку гравітації і квантову механіку, то виявляємо, що думка здорового глузду вже не вірна.

У цьому полягає краса науки, і боятися цього годі. Просто наука змушує нас переглянути те, що здається розумним і очевидним, щоб привести свої погляди у відповідність до устрою Всесвіту, а не навпаки.

Підіб'ю підсумок. Той факт, що сьогодні Всесвіт плоский і що місцева Ньютонова гравітаційна енергія в ньому в середньому дорівнює нулю, — сильний аргумент на користь того, що наш Всесвіт виник у результаті процесу, подібного до інфляції, процесу, за допомогою якого енергія порожнього простору (нічого) перетворюється на енергію чогось, і в той час, за який Всесвіт стає все ближче і ближче до плоскої на всіх масштабах, що спостерігаються.

Хоча інфляція показує, як порожній простір, наділений енергією, цілком може створити все, що ми бачимо, разом з неймовірно величезним і плоским Всесвітом, було б лицемірним заявляти, що порожній простір, наділений енергією, яка рухає інфляцією, — це ніщо. Така картина змушує припустити, що простір існує і здатний запасати енергію, а потім, спираючись на закони фізики, наприклад, на ОТО, розрахувати, що слід. Отже, якби ми на цьому й зупинилися, читач мав би повне право заявити, що сучасна наука ще дуже далека від справжньої відповіді на питання, як отримати щось із нічого. Однак це лише перший крок. Ми все краще розумітимемо те, що відбувається, і на наступному етапі побачимо, що інфляція лише верхівка вселенського айсберга з нічого.