Ничто в основе всего. Как полное понимание вакуума поможет раскрыть тайны Вселенной

Тысячелетия назад Аристотель утверждал, что природа не терпит пустоты, вакуума. По его мысли, из этого следовало, что через по-настоящему пустое пространство предметы летали бы с запредельной скоростью. В 1277 году французский епископ Этьен Темпье раскритиковал это утверждение, заявив, что Бог может сотворить всё, что угодно, даже вакуум.

Однако позже это удалось и простому ученому. Отто фон Герике изобрел насос для отсасывания воздуха из полой медной сферы и создал, вероятно, первый высококачественный вакуум на Земле. В 1654 году он продемонстрировал, что даже две упряжки лошадей не могут разорвать пустой шар размером с арбуз, то есть не могут справиться с всасывающей силой пустоты.

С тех пор вакуум стал основополагающим понятием в физике, основой любой теории чего-либо. Вакуум фон Герике был отсутствием воздуха. Электромагнитный вакуум — это отсутствие среды, которая могла бы замедлять свет. А в гравитационном вакууме отсутствует какая-либо материя или энергия, способная искривлять пространство. В каждом случае конкретная разновидность ничто зависит от того, какого рода нечто физики намереваются описать. «Иногда это определяет всю теорию», — говорит Патрик Дрейпер, физик-теоретик из Университета Иллинойса.

Пока современные физики выстраивали основу, на которой можно было бы строить окончательную теорию природы, они сталкивались с растущим множеством типов ничто. И каждое ничто ведет себя по-своему, как будто это разные фазы вещества.

Всё чаще кажется, что мы поймем происхождение и дальнейшую судьбу Вселенной, только если тщательно изучим эти множащиеся разновидности пустоты.

«Выяснилось, что о ничто можно узнать гораздо больше, чем мы думали, — говорит Изабель Гарсия Гарсия, физик элементарных частиц из Института теоретической физики Кавли в Калифорнии. — А сколького мы еще не знаем?»

До сих пор подобные исследования приводили к драматическому выводу: наша Вселенная может покоиться на весьма сомнительном основании, «метастабильном» вакууме. И сама эта основа обрекает всё существующее на гибель, то есть на превращение в другой вид ничто.

Квантовое ничто

Ничто стало казаться чем-то лишь в XX веке, когда физики начали рассматривать реальность как совокупность полей. В классической физике значение поля может быть везде равно нулю, так что оно не оказывает никакого влияния и не содержит энергии.

«Классический вакуум скучен, — говорит Дэниел Харлоу, физик-теоретик из Массачусетского технологического института. — В нем ничего не происходит».

Но позже физики установили, что поля Вселенной являются квантовыми, а не классическими — это означает, что они по своей сути неопределенны. Вы не найдете квантовое поле с нулевой энергией. Харлоу сравнивает квантовое поле с набором маятников — по одному в каждой точке пространства, — и качания этих маятников определяют значения поля.

Когда на квантовое поле ничто не влияет, оно останется в своем обычном положении с минимальной энергией, известной как «истинный вакуум» или «основное состояние». (Элементарные частицы — это своего рода рябь в подобных полях.)

«Когда мы говорим о вакууме системы, мы имеем в виду предпочтительное состояние системы», — говорит Гарсия Гарсия.

Большинство квантовых полей, заполняющих нашу Вселенную, имеют одно и только одно предпочтительное состояние, в котором они будут оставаться вечно. Большинство, но не все.

Истинный и ложный вакуум

В 1970-х годах физики пришли к пониманию важности другого класса квантовых полей, значение которых, как правило, не равняется нулю. Такое «скалярное поле» похоже на набор маятников, колеблющихся, скажем, под углом 10°. Эта конфигурация может быть основным состоянием поля: маятники предпочитают этот угол и стабильны.

В 2012 году с помощью экспериментов на Большом адронном коллайдере было доказано, что скалярное поле, известное как поле Хиггса, пронизывает Вселенную. Сначала, в горячей ранней Вселенной, маятники этого поля были направлены вниз. Но по мере того, как космос остывал, поле Хиггса меняло состояние, и все его маятники синхронно меняли угол наклона. (Именно ненулевое значение поля Хиггса придает многим элементарным частицам свойство, известное как масса.)

При наличии скалярных полей стабильность вакуума не обязательно является абсолютной. Маятники поля могут иметь несколько полустабильных углов и переключаться с одной конфигурации на другую. Теоретики не уверены, например, нашло ли поле Хиггса свою абсолютную приоритетную конфигурацию — истинный вакуум.

Некоторые ученые утверждают, что текущее состояние поля, несмотря на то, что оно сохранялось в течение 13,8 млрд лет, является лишь временно стабильным, или «метастабильным».

Если это так, то когда-нибудь всё закончится. В 1980-х годах физики Сидни Коулман и Фрэнк Де Луччиа описали, как ложный вакуум скалярного поля может «распадаться». Если достаточное количество маятников в каком-то месте сдвинется под более выгодным углом, они потянут своих соседей навстречу себе, и пузырь истинного вакуума поглотит всё существующее почти со скоростью света. Этот процесс будет переписывать физику по ходу дела, разрушая атомы и молекулы на своем пути. (Не надо паники. Даже если наш вакуум лишь метастабилен, учитывая, что он до сих пор держался в таком состоянии, вероятно, он продержится в нем и еще миллиарды лет.)

Потенциально возможное изменение поля Хиггса — это первый из практически бесконечного числа способов, которыми ничто может убить нас всех.

Больше пустот — больше проблем

По мере того, как физики пытались увидеть подтвержденные законы природы в более широкой перспективе, они создавали теории природы, вводя в них дополнительные поля и измерения.

Когда поля накапливаются, они взаимодействуют — маятники влияют друг друга и создают новые конфигурации между собой. Физики визуализируют эти пустоты как долины в подвижном «энергетическом ландшафте». Разные углы наклона маятника соответствуют разным количествам энергии или высотам в энергетическом ландшафте, и поле стремится снизить свою энергию точно так же, как камень стремится скатиться с холма — хотя камень стремится к самой низкой точке, он на какое-то время может остановиться на каком-нибудь выступе.

Пару десятков лет назад масштаб этого ландшафта сильно изменился. Физики Джозеф Полчински и Рафаэль Буссо изучали некоторые аспекты теории струн, ведущей математической теории для описания квантовой стороны гравитации. Теория струн работает только в том случае, если Вселенная имеет около десяти основных измерений и какое-то количество дополнительных, которые «свернуты» в формы, слишком крошечные, чтобы их можно было обнаружить.

Полчински и Буссо в 2000 году подсчитали, что дополнительные измерения могут «сворачиваться» огромным количеством способов, и каждый такой способ предполагает отдельный вакуум со своими собственными физическими законами.

Открытие, что теория струн допускает существование почти бесчисленного количества вакуумов, совпало с другим открытием, сделанным почти двумя десятилетиями ранее.

Космологи в начале 1980-х годов разработали гипотезу, известную как космическая инфляция, которая впоследствии стала ведущей теорией зарождения Вселенной. Она утверждает, что Вселенная началась с быстрого всплеска, экспоненциального расширения, что хорошо объясняет ее гомогенность и огромные размеры. Но всё имеет свою цену.

Исследователи обнаружили, что как только космическая инфляция начинается, ее невозможно остановить. Вакуум яростно и непрестанно берет свое. В конечном итоге только некоторые конечные области пространства перестают расширяться, превратившись в пузыри относительной стабильности, отделенные друг от друга расширяющимся пространством между ними. Инфляционные космологи полагают, что мы называем один из этих пузырей домом.

Мультивселенная пустот

У некоторых людей идея того, что мы живем в мультивселенной — бесконечном ландшафте вакуумных пузырей — вызывает беспокойство. Это заставляет видеть природу любого конкретного вакуума (такого как наш) случайной и непредсказуемой, что весьма ограничивает нашу способность познавать мир. Умерший в 2018 году Джо Полчинский рассказал физику и писательнице Сабине Хоссенфельдер, что открытие вакуумного ландшафта теории струн поначалу сделало его настолько несчастным, что он вынужден был обратиться к психологу. Если теория струн предполагает все мыслимые разновидности ничто, предполагает ли она вообще какое-нибудь нечто?

Для других изобилие пустот не является проблемой.

«На самом деле это очень хорошо», — говорит Андрей Линде, известный космолог из Стэнфордского университета и один из разработчиков космической инфляции.

Дело в том, что мультивселенная потенциально объясняет великую тайну — сверхнизкую энергию нашего конкретного вакуума.

Когда теоретики оценивают совместное взаимодействие всех квантовых полей Вселенной, они обнаруживают, что их энергия огромна — ее вполне достаточно, чтобы ускорить расширение пространства и мгновенно разорвать космос на части. Но наблюдаемое ускорение пространства чрезвычайно слабо по сравнению с таким сценарием — значит, большая часть совместного взаимодействия полей сводится на нет, а энергетические показатели у нашего вакуума чрезвычайно низкие.

В единичной Вселенной настолько низкая энергия одного конкретного вакуума выглядит неразрешимой загадкой. Но в мультивселенной это возможно просто в силу удачи. Если разные пузыри пространства обладают разной энергией и расширяются с разной скоростью, галактики и планеты будут формироваться только в самых вялых пузырях. Таким образом, наш спокойный вакуум не более загадочен, чем орбита нашей планеты: мы оказались здесь просто потому, что большинство других мест не предназначено для жизни.

Нравится вам это или нет, но гипотеза мультивселенной не так уж совершенна. Несмотря на кажущийся бесконечным перечень пустот, который предполагает теория струн, до сих пор никто не нашел конкретного «сворачивания» крошечных дополнительных измерений, которое соответствовало бы вакууму, подобному нашему, с его малой положительной энергией. В рамках теории струн гораздо легче возникает вакуум с отрицательной энергией.

Быть может, теория струн неверна или не до конца разработана. Или физики просто не нашли правильного способа обращения с положительной энергией вакуума в рамках теории струн.

«Вообще, это вполне возможно, — говорит Натан Зайберг, физик из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. — Понять это очень важно».

Или же наши представления о пустоте могут быть просто изначально схематичными.

«Преобладающее мнение состоит в том, что [положительно заряженное] пространство нестабильно, — говорит Зайберг. — Оно в любой момент может распасться и превратиться во что-то другое, и это может быть одной из причин, почему так трудно понять его физику».

Конец пустоты

Физик Эдвард Виттен впервые обнаружил «пузырь из ничего» в 1982 году. Изучая вакуум с одним дополнительным измерением, свернутым в крошечный круг в каждой точке, он обнаружил, что квантовые колебания неизбежно приводят к колебаниям дополнительного измерения, иногда сужая круг до точки. А когда измерение исчезло в пустоте, оно забрало с собой всё остальное.

Подобная нестабильность в нашей Вселенной породила бы быстро расширяющийся пузырь без внутренней части, и его зеркальная поверхность отмечала бы конец самого пространства-времени.

Эта нестабильность крошечных измерений долгое время преследовала теорию струн, и были придуманы различные объяснения, чтобы придать им жесткость. В декабре прошлого года Гарсия Гарсия вместе с Дрейпером и Бенджамином Лиллардами из Иллинойса рассчитали время существования вакуума с одним дополнительным свернутым измерением. Они рассмотрели различные стабилизирующие «примочки», но обнаружили, что большинство механизмов не смогли остановить пузыри. Их выводы совпадали с выводами Виттена: когда размер дополнительного измерения опускался ниже определенного порога, вакуум тут же разрушался. Аналогичный расчет, распространенный на более сложные модели, мог бы исключить вакуум в теории струн со значением ниже определенной величины.

Однако при достаточно большом значении свернутого измерения вакуум может сохраняться в течение многих миллиардов лет. Это означает, что теории, создающие пузыри из ничего, могут правдоподобно соответствовать положению нашей Вселенной. Если это так, то Аристотель был прав больше, чем сам предполагал. Природа, возможно, действительно не очень любит пустоту.