Как могло возникнуть что-то из ничего?

Как появилась Вселенная и как появилось то, из чего она появилась?

Каждая древняя культура придумывала свою версию об истории создания мира — большинство этих ответов отсылали нас к богу.
Теперь у нас есть физика и космология, которые занимаются этим вопросом: как и почему существует космос.

Они говорят, что «ничего» по своей природе нестабильно, и нет такого понятия, как пустое пространство. Даже вакуум на самом деле заполнен частицами и античастицами, которые вспыхивают и почти мгновенно исчезают в ничто. Эти виртуальные частицы недолговечны, но их можно наблюдать по эффектам.

От крошечных вещей, таких как атомы, до действительно больших вещей, таких как галактики — возникает то, что нам кажется возникшим из пустоты. Одна из теорий для описания масштабных структур — это теория относительности Эйнштейна, в которой излагается суть, как работает пространство, время и гравитация. Эта теория сильно отличается от квантовой механики, и совместить эти две физики было нелегко. Однако появилась теория, которая смогла подобрать некоторые приближения. Этот подход использовал Стивен Хокинг для описания чёрных дыр.

В квантовой физике, если что-то не запрещено, это обязательно происходит
Когда квантовая теория применяется к пространству в наименьшем возможном масштабе, то само пространство становится неустойчивым. Другими словами, маленькие пузыри пространства и времени могут возникать спонтанно. «Если пространство и время квантуются, они могут колебаться» — говорит Лоуренс Краусс. «Таким образом, вы можете создавать виртуальные пространства-времена так же, как вы  создаёте виртуальные частицы».
«В квантовой физике, если что-то не запрещено, это обязательно происходит с некоторой ненулевой вероятностью» — говорит Александр Виленкин.

Вселенная возникла из пузыря
Не только частицы и античастицы могут появляться из ничего и уходить в ничто: пузыри пространства-времени могут делать то же самое. Это похоже на большой скачок от бесконечно малого до бесконечно большого, от космического пузыря до массивной вселенной, в которой находится 100 миллиардов галактик. Но даже если пузырь сформировался, он обречён снова исчезнуть.

Если все галактики разлетаются, значит когда-то они были близки. Этот трюк с расширением Вселенной называется «космическая инфляция».
Большинство физиков полагают, что Вселенная началась с Большого Взрыва. Сначала все материи и энергии во Вселенной были одной невообразимо маленькой точкой, и эта точка взорвалась. Теперь, после взрыва, все галактики разлетаются, а когда-то они были близки друг другу.
Это диковинное понятие было выдвинуто в 1980-х Аланом Гутом и Андреем Линде.

Как ни странно, инфляция соответствует фактам
Через долю секунды после Большого взрыва квантовый пузырь пространства резко расширился. Когда расширение, наконец, замедлилось, силовое поле, которое приводило его в действие, трансформировалось в вещество и энергию, которые наполняют вселенную сегодня. Инфляция это «бесплатный обед».

Как ни странно, инфляция достаточно хорошо объясняет, почему существует космический микроволновый фон (слабый остаток радиации, оставшийся от Большого Взрыва).

Вселенная плоская, и почему это важно для понимания того, как космос пришёл из ничего
Инфляция дала космологам измерительный инструмент, необходимый им для определения основной геометрии Вселенной.

Теория относительности Эйнштейна говорит нам, что пространство-время, в котором мы живём, может принимать три различные формы:

  • Форма может быть плоской, как столешница.
  • Но пространство-время может огибать себя, как поверхность сферы, и в этом случае вы путешествуете достаточно долго в одном направлении, чтобы вернутся в точку, от которой начали движение.
  • Альтернативно, пространство-время может выгибаться, как седло.

Вы можете вспомнить из класса математики, что три угла треугольника составляют 180 градусов. На самом деле ваш учитель упустил критический момент: это справедливо только на ровной поверхности. Если вы нарисуете треугольник на поверхности воздушного шара, то его три угла будут составлять более 180 градусов. А если вы нарисуете треугольник на вогнутой поверхности, как седло, то углы составят менее 180 градусов.

Чтобы выяснить, что вселенная плоская, нам нужно измерить углы действительно большого треугольника, в котором происходит инфляция. Она определяет средний размер участков на космическом микроволновом фоне. Эти измерения были проведены в 2003 году, и это дало астрономам выбрать треугольник. А в результате мы узнали, что в наблюдаемых масштабах наша Вселенная плоская.
Тот факт, что  вселенная плоская, имеет решающее значение. Потому что только плоская вселенная может исходить из ничего.

Все, что существует, из того что мы видим, должно было возникнуть откуда-то. Мы уже знаем, что частицы возникают на квантовом уровне. Но для звёзд и планет требуется огромное количество энергии.

Энергия вещества точно сбалансирована энергией гравитации
Где вселенная получила эту энергию? Как ни странно, возможно ей и не пришлось. Это потому, что каждый объект во Вселенной создаёт гравитацию, тянет к себе другие объекты. Это уравновешивает энергию, необходимую для создания.
Физики подсчитали, что в плоской вселенной энергия вещества точно сбалансирована энергией гравитации, создаваемой массой. Но это справедливо только в плоской вселенной.

Вселенная или мультивселенная?
На данный момент создание вселенной выглядит достаточно просто. Квантовая физика говорит нам, что «ничто» по своей природе нестабильно, поэтому первоначальный скачок от ничего к чему-то является неизбежным. Тогда получившийся в результате крошечный пузырь пространства-времени вполне может разразиться массивной вселенной благодаря инфляции. Как замечает Краусс: «Законы физики, как мы их понимаем, делают правдоподобным событие, что наша Вселенная возникла из ничего».

Так почему это произошло только однажды? Если один космический пузырь появился и раздулся, чтобы сформировать нашу вселенную, что удерживало другие пузыри сделать тоже самое?

Напрашивается ошеломляющий ответ о бесконечности вселенных
Вселенные всегда возникают, и этот процесс будет продолжаться вечно.

Когда новый универсум перестаёт раздуваться, он всё ещё окружен пространством, которое продолжает раздуваться. Это раздувание пространства может порождать больше вселенных, и ещё больше раздувает пространство вокруг них. Этот бесконечный каскад вселенных называется вечной инфляцией. Наша вселенная может быть только  песчинкой на бесконечном пляже.

Эти вселенные могут сильно отличаться от нашей. Вселенная по соседству может иметь пять измерений пространства, а не трёхмерность. Гравитация может быть в десять раз сильнее или в тысячу раз слабее или вообще не существовать. Материя может быть построена из совершенно разных частиц.
Таким образом, вечная инфляция — это не просто бесплатный обед, а единственный, на котором доступны все возможные блюда.
Пока у нас нет веских доказательств существования других вселенных. Но в любом случае эти мысли совершенно логичные.