Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле - Карло Ровелли

И конечно, на этот раз Леметр тоже был прав: сегодня много говорят о том, что Большой взрыв – это не настоящее начало, что до него могла существовать другая вселенная. Только подумайте, в каком неудобном положении оказалась бы сегодня католическая церковь, если бы приняла официальную доктрину, что Большой взрыв и Творение – одно и то же. «Да будет свет!» превратилось бы во «Включите свет снова!».

Состязаться с Эйнштейном и папой, убеждая их, что они ошибаются, и оба раза оказаться правым – это впечатляющий результат. «Мастер» оправдал свое имя.

Сегодняшние данные не оставляют сомнений: Вселенная в далеком прошлом была чрезвычайно горячей и чрезвычайно плотной, и с тех пор она расширяется. Мы можем в деталях реконструировать историю Вселенной, начиная с ее первичного горячего и плотного состояния. Мы знаем, как образовались атомы, элементы, галактики и звезды и как развивалась известная нам Вселенная. Недавние тщательные наблюдения излучения, которое заполняет Вселенную, выполненные спутником «Планк», вновь в полном объеме подтвердили теорию Большого взрыва. Мы знаем с высокой степенью уверенности, что происходило с крупномасштабной структурой нашей Вселенной в течение последних 14 миллиардов лет, начиная с того момента, когда она была огненным сгустком.

Задумайтесь: первоначально выражение «теория Большого взрыва» было вброшено оппонентами теории, чтобы высмеять идею, которая казалась абсурдной… А в итоге мы все убеждены в том, что 14 миллиардов лет назад Вселенная была плотным огненным сгустком.

Но что же было до этого начального горячего и плотного состояния?

Возвращаясь назад во времени, мы видим, что температура растет наряду с плотностью вещества и энергии. В некоторый момент они достигают планковского масштаба – 14 миллиардов лет назад. В этой точке уравнения общей теории относительности перестают работать, поскольку больше нельзя игнорировать квантовую механику. Мы попадаем в царство квантовой гравитации.

Для понимания того, что случилось 14 миллиардов лет назад, нам нужна квантовая гравитация. Что петлевая теория говорит нам по этому вопросу?

Рассмотрим аналогичную, но более простую ситуацию. Согласно классической механике, электрон, падающий прямо на атомное ядро, должен быть поглощен им и исчезнуть. Но в реальности все происходит иначе. Классическая механика неполна, и необходимо принимать во внимание квантовые эффекты. Реальный электрон – это квантовый объект, и он не движется по точной траектории: его невозможно удержать в слишком малой области. Чем больше его сжимают, тем быстрее он ускользает. Если мы хотим остановить его возле ядра, то самое большее, что можно сделать, это вынудить его занять орбиту, соответствующую по размерам самой маленькой атомной орбитали: ближе к ядру он держаться не может. Квантовая механика не позволяет реальному электрону упасть в ядро. Квантовое отталкивание выталкивает электрон, когда он оказывается слишком близко к центру. Таким образом, материя оказывается устойчивой благодаря квантовой механике. Без нее электроны падали бы в ядра, атомов бы не существовало, а значит, и нас тоже.

То же самое происходит со Вселенной. Представим себе Вселенную, сжимающуюся и становящуюся чрезвычайно маленькой, сжатой под действием собственного веса. Согласно уравнениям Эйнштейна, Вселенная сжималась бы до бесконечности и полностью исчезла бы в центральной точке подобно электрону, падающему в ядро. Таков Большой взрыв, предсказываемый эйнштейновскими уравнениями, если мы игнорируем квантовую механику.

Но если принять во внимание квантовую механику, то Вселенная не может бесконечно сжиматься. Квантовое отталкивание заставляет ее отскакивать. Сжимающаяся Вселенная не коллапсирует в точку – она отскакивает и вновь начинает расширяться, как если бы она возникла в космическом взрыве (рис. 8.3).

Прошлое нашей Вселенной, таким образом, вполне может быть результатом такого гигантского отскока. Его, в отличие от Большого взрыва, называют Большим отскоком. По-видимому, он вытекает из уравнений петлевой квантовой теории гравитации, когда они применяются к расширению Вселенной.

Эту картину отскока не следует воспринимать буквально. Возвращаясь к примеру с электроном, вспомним, что если мы хотим поместить электрон как можно ближе к атому, электрон перестает быть частицей; вместо этого о нем следует думать как об облаке вероятностей. Точное положение больше не имеет смысла для электрона. То же самое и для Вселенной: мы не можем больше думать о едином, пусть и зернистом, пространстве-времени, но только о размазанном облаке вероятностей, в котором время и пространство бешено флуктуируют. При Большом отскоке мир растекается роящимся облаком вероятностей, которые по-прежнему можно описывать уравнениями.

Рис. 8.3. Большой отскок Вселенной в графическом представлении Франчески Видотто, итальянского ученого, впервые использовавшего спиновую пену для расчета вероятности этого процесса

Наша Вселенная, таким образом, может быть результатом коллапса предыдущей сжимающейся вселенной, прошедшей через квантовую фазу, в которой пространство и время растворяются в вероятностях.

Слово «вселенная» становится неоднозначным. Если «вселенная» означает «все, что существует», то, по определению, другой вселенной быть не может. Но в космологии за словом

«вселенная» закрепилось другое значение – оно обозначает пространственно-временной континуум, который мы непосредственно видим вокруг себя, заполненный галактиками, форму и историю которых мы наблюдаем. Нет оснований для уверенности, что в этом смысле данная Вселенная – единственная существующая. Мы можем реконструировать прошлое вплоть до времени, когда, по представлению Джона Уилера, пространственно-временной континуум распадается, подобно морской пене, и фрагментируется в квантовое облако вероятностей, и нет причин отбрасывать возможность, что за этой горячей пеной может быть другой пространственно-временной континуум, подобный тому, который мы воспринимаем вокруг себя.

Вероятность для Вселенной пройти фазу Большого отскока, перейдя от сжатия к расширению, можно рассчитать с помощью метода, описанного в предыдущей главе, – метода пространственно-временных коробок. Уже выполнены расчеты с использованием спиновой пены, которая связывает сжимающуюся вселенную с расширяющейся.

Всё это пока находится на стадии рекогносцировочных изысканий, но замечательным является тот факт, что у нас сегодня есть уравнения, с помощью которых можно описывать такие события. Мы начинаем осторожно, чисто теоретически, заглядывать по ту сторону Большого взрыва.

Претензии квантовой космологии идут дальше вдохновляющих теоретических исследований того, что бы могло быть по ту сторону Большого взрыва. Есть и другая причина для изучения квантовой теории гравитации применительно к космологии: эти исследования могут позволить проверить, действительно ли верна эта теория.