Наша Вселенная не была пустой даже до Большого взрыва

Все вещество и излучение, которые мы измеряем сегодня, возникли в результате горячего Большого взрыва давным-давно. Но Вселенная никогда не была пустой, даже до этого.

Когда речь идет о физической Вселенной, понятие “ничто” может быть действительно возможно только в теории, но не на практике. Сегодня, когда мы видим Вселенную, кажется, что в ней полно всего: материи, излучения, антиматерии, нейтрино и даже темной материи и темной энергии, несмотря на то, что мы не знаем окончательной, фундаментальной природы двух последних. Но даже если убрать все кванты энергии, каким-то образом полностью удалить их из Вселенной, то все равно не получится пустой Вселенной. Сколько бы энергии вы из нее ни изъяли, Вселенная всегда будет генерировать новые формы энергии.

Как это возможно? Такое впечатление, что сама Вселенная вообще не понимает нашего понятия “ничто”. Если бы мы удалили из нашей Вселенной все кванты энергии, оставив только пустое пространство, то можно было бы ожидать, что во Вселенной будет абсолютный ноль: ни одной энергетической частицы. Однако это совсем не так. Какой бы “пустой” мы искусственно ни сделали расширяющуюся Вселенную, сам факт ее расширения все равно будет спонтанно и неизбежно порождать излучение. Даже произвольно далеко в будущем или в прошлом, еще до горячего Большого взрыва Вселенная никогда не была и не будет по-настоящему пустой. Вот научные данные о том, почему.

Сегодня в нашей Вселенной совершенно очевидно, что пространство не пустое. Во всех направлениях, куда бы мы ни посмотрели, мы видим:

• звезды,
• газ,
• пыль,
• другие галактики,
• скопления галактик,
• квазары,
• высокоэнергетические космические частицы (известные как космические лучи),
• и излучение, как звездное, так и оставшееся после самого Большого взрыва.

Если бы у нас были более продвинутые “глаза”, то есть более совершенные инструменты, мы могли бы также обнаружить сигналы, которые, как мы знаем, должны быть в пространстве, но которые пока не могут быть обнаружены с помощью современных технологий. Мы бы увидели гравитационные волны от каждой массы, ускоряющейся в изменяющемся гравитационном поле. Мы бы “увидели” не просто гравитационные эффекты, а то, что отвечает за темную материю. И мы увидели бы черные дыры, как активные, так и покоящиеся, а не просто те, которые испускают наибольшее количество излучения.

Все, что мы видим, происходит не просто в статичной Вселенной, а во Вселенной, развивающейся во времени. Особенно интересно с физической точки зрения то, как эволюционирует наша Вселенная. В глобальном масштабе ткань нашей Вселенной – пространство-время – находится в процессе расширения, т.е. если в пространстве-времени поместить две любые хорошо разнесенные “точки”, то окажется, что:

• собственное расстояние (измеренное наблюдателем в одной из точек) между этими точками,
• время прохождения света между этими точками,
• и длина волны света, проходящего от одной точки к другой,

будут увеличиваться с течением времени. Вселенная не только расширяется, но и одновременно охлаждается в результате расширения. Поскольку свет переходит к более длинным волнам, он также переходит к более низким энергиям и более низким температурам; Вселенная была более горячей в прошлом и будет еще более холодной в будущем. При этом объекты с массой и/или энергией во Вселенной тяготеют друг к другу, сближаясь и группируясь, образуя огромную космическую сеть.

Если бы вы могли каким-то образом устранить все это – всю материю, все излучение, каждый квант энергии, – что бы осталось?

В некотором смысле, осталось бы только пустое пространство: все еще расширяющееся, все еще с неизменными законами физики и все еще с невозможностью вырваться из квантовых полей, пронизывающих Вселенную. Это наиболее близкое к физическому состояние “небытия”, и все же оно имеет физические правила, которым должно подчиняться. Для физика в этой Вселенной, удаление чего-либо еще приведет к появлению нефизического состояния, которое больше не описывает космос, в котором мы живем.

Это означает, в частности, что то, что мы сегодня воспринимаем как “темную энергию”, все равно будет существовать в той “Вселенной из ничего”, которую мы себе представляем. Теоретически можно взять любое квантовое поле во Вселенной и перевести его в конфигурацию с наименьшей энергией. При этом будет достигнута так называемая “нулевая энергия” пространства, которая означает, что никакая энергия уже не может быть взята из него и использована для совершения какой-либо механической работы. Во Вселенной с темной энергией, космологической постоянной или нулевой энергией квантовых полей нет никаких оснований предполагать, что энергия нулевой точки действительно равна нулю.

В нашей Вселенной, по наблюдениям, она имеет конечное, но положительное значение: величина, соответствующая плотности энергии около ~1 ГэВ (около энергии массы покоя протона) на кубический метр пространства. Это, конечно, чрезвычайно малое количество энергии. Если взять энергию, присущую одному человеческому телу – в основном массу атомов – и распределить ее так, чтобы плотность энергии была равна плотности энергии нулевой точки пространства, то окажется, что вы занимаете столько же места, сколько сфера, объем которой примерно равен объему Солнца!

В очень далеком будущем, через гуголы лет, Вселенная будет вести себя так, как будто эта энергия нулевой точки – единственное, что в ней осталось. Все звезды сгорят, их останки излучат все свое тепло и остынут до абсолютного нуля, звездные остатки начнут гравитационно взаимодействовать, выбрасывая большую часть объектов в межгалактическое пространство, а немногие уцелевшие черные дыры вырастут до огромных размеров. В конце концов, даже они распадутся под действием излучения Хокинга. И вот тут-то история становится по-настоящему интересной.

Идея о распаде черных дыр может справедливо считаться самым важным вкладом Стивена Хокинга в науку, но она содержит несколько важных уроков, которые выходят далеко за рамки черных дыр. Черные дыры имеют так называемый горизонт событий: область, в которой, как только что-либо из нашей Вселенной пересекает эту воображаемую поверхность, полностью исчезает для нас. Обычно мы думаем о черных дырах как об объеме внутри горизонта событий: области, из которой ничто, даже свет, не может вырваться. Но если дать им достаточно времени, то эти черные дыры полностью испарятся.

Почему они испаряются? Потому что они излучают энергию, и эта энергия берется из массы черной дыры, преобразуя массу в энергию по формуле Эйнштейна E = mc². Вблизи горизонта событий пространство искривлено более сильно, а дальше от горизонта событий – менее сильно. Это различие в кривизне соответствует разногласиям по поводу того, какова энергия нулевой точки пространства. Тот, кто находится близко к горизонту событий, будет видеть, что его “пустое пространство” отличается от “пустого пространства” того, кто находится дальше, и это проблема, поскольку квантовые поля, по крайней мере, в нашем понимании, непрерывны и занимают все пространство.

Главное, что необходимо понять: если вы находитесь в любом месте за горизонтом событий, то существует по крайней мере один возможный путь, по которому свет может попасть в любое другое место, также находящееся за горизонтом событий. Разница в энергии нулевой точки пространства между этими двумя точками говорит нам о том, что излучение будет исходить из области вокруг черной дыры, где пространство искривлено сильнее всего, как было впервые показано в работе Хокинга 1974 года.

Наличие горизонта событий черной дыры является важной особенностью, поскольку это означает, что энергия, необходимая для создания излучения вокруг этой черной дыры, должна исходить из массы самой черной дыры в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc². (Хотя некоторые убедительно доказывают, что такое излучение возможно и без горизонта событий). Кроме того, спектр излучения представляет собой идеальное черное тело, температура которого определяется массой черной дыры: меньшие массы более горячие, а большие массы более холодные.

Расширяющаяся Вселенная, конечно, не имеет горизонта событий, поскольку она не является черной дырой. Однако у нее есть нечто похожее – космический горизонт. Если вы находитесь в любой точке пространства-времени и рассматриваете наблюдателя, находящегося в другой точке пространства-времени, то вы сразу же подумаете: “О, должен быть по крайней мере один возможный путь, по которому свет может соединить меня с этим другим наблюдателем”. Но в расширяющейся Вселенной это не обязательно так. Вы должны быть расположены достаточно близко друг к другу, чтобы расширение пространства-времени между этими двумя точками не помешало излученному свету дойти до них.

В нашей современной Вселенной это соответствует расстоянию примерно в 18 млрд. световых лет. Если бы мы излучали свет прямо сейчас, то любой наблюдатель, находящийся в пределах 18 млрд. световых лет от нас, в конце концов смог бы его принять, а тот, кто находится дальше, никогда не сможет этого сделать из-за продолжающегося расширения Вселенной. Мы можем видеть дальше, чем сейчас, потому что многие источники света были излучены очень давно.

Самый ранний свет, который появляется сейчас, через 13,8 млрд. лет после Большого взрыва, исходит от точки, находящейся теперь от нас на расстоянии около 46 млрд. световых лет. Если бы мы были готовы ждать целую вечность, то в конце концов получили бы свет от объектов, находящихся в настоящее время на расстоянии ~61 млрд. световых лет, что является предельным значением.

С точки зрения любого наблюдателя, существует космологический горизонт – точка, за которой связь невозможна, поскольку расширение пространства не позволит наблюдателям, находящимся в этих точках, обмениваться сигналами дольше определенного момента времени.

И точно так же, как существование горизонта событий черной дыры приводит к возникновению излучения Хокинга, существование космологического горизонта также должно – если следовать тем же законам физики – приводить к возникновению излучения. В этом случае предсказывается, что Вселенная будет заполнена чрезвычайно низкоэнергетическим излучением, длина волны которого в среднем сопоставима с космическим горизонтом. Это означает температуру ~10-30 К: на тридцать порядков слабее современного космического микроволнового фона.

По мере расширения и охлаждения Вселенной в далеком будущем наступит момент, когда это излучение станет преобладать над всеми другими формами материи и излучения во Вселенной; более доминирующим компонентом останется только темная энергия.

Но есть и другое время во Вселенной – не в будущем, а в далеком прошлом, – когда во Вселенной также доминировало нечто иное, чем вещество и излучение: во время космической инфляции. До того как произошел горячий Большой взрыв, наша Вселенная расширялась с огромной и неумолимой скоростью. Вместо доминирования материи и излучения в нашем космосе доминировала полевая энергия инфляции: такая же, как современная темная энергия, но на много порядков большая по силе и скорости расширения.

Хотя инфляция растягивает Вселенную в плоскую точку и удаляет друг от друга все ранее существовавшие частицы, это вовсе не означает, что температура быстро приближается к абсолютному нулю и становится асимптотической. Напротив, излучение, вызванное расширением, как следствие космологического горизонта, должно достигать максимума в инфракрасном диапазоне длин волн, что соответствует температуре около ~100 К, или достаточно горячей, чтобы вскипятить жидкий азот.

Это означает, что если вы когда-нибудь захотите охладить Вселенную до абсолютного нуля, то вам придется полностью остановить ее расширение. Пока сама ткань пространства обладает ненулевым количеством присущей ей энергии, она будет расширяться. Пока Вселенная будет неустанно расширяться, будут существовать регионы, разделенные столь большим расстоянием, что свет, сколько бы мы ни ждали, не сможет достичь одного такого региона из другого. И до тех пор, пока определенные области будут недостижимы, в нашей Вселенной будет существовать космологический горизонт и ванна теплового низкоэнергетического излучения, от которой невозможно избавиться. Осталось выяснить, приведет ли эта форма космического излучения, как излучение Хокинга к тому, что черные дыры в конце концов испарятся, к тому, что темная энергия нашей Вселенной тоже начнет распадаться.

Как бы четко вы ни представляли себе пустую Вселенную, в которой ничего нет, эта картина просто не соответствует действительности. Признание существования законов физики, достаточно, чтобы отказаться от идеи действительно пустой Вселенной. Пока в ней существует энергия – достаточно даже нулевой энергии квантового вакуума, – всегда будет существовать некая форма излучения, которую невозможно удалить. Вселенная никогда не была абсолютно пустой, и пока темная энергия не распадается полностью, она никогда и не будет такой.

Читайте также: Вселенная может быть в два раза старше, чем мы думали