Квантовый взрыв


космология, астрономия, большой взрыв Классический сегодня ответ на вопрос «откуда взялась Вселенная?» – в результате Большого взрыва 14 миллиард лет назад. Иллюстрация NASA

Прошедший ХХ век принес человечеству существенные открытия в области космологии и астрофизики – прежде всего в изучении черных дыр, времени, квантовой теории и Большого взрыва. За 100 лет представление о месте человека во Вселенной изменилось кардинально. Нелегко было XVII веку смириться с подчиненным положением Земли по отношению к Солнцу, а следующим векам принять периферийность Солнечной системы и даже галактики Млечный Путь, а человеку осознать себя пылинкой во Вселенной. Но откуда взялась Вселенная? Кажется, что идея, будто все это получилось из ничего, противоречит логике и здравому смыслу.

Большой взрыв покажут по телевизору


Если мы оставим в стороне гипотезу Бога, то какие варианты ответа на загадку существования мира нам остаются? Возможно, когда-нибудь наука объяснит не только то, как мир устроен, но и почему он устроен именно так. По крайней мере именно на это надеется, например, английский биолог-эволюционист Ричард Докинз. Он ищет ответ в теоретической физике, полагаясь на ускоренное, инфляционное расширение в первые доли секунды после Большого взрыва и на принцип космического отбора вселенных, похожего на принцип естественного отбора Дарвина.

Пока считалось, что Вселенная вечна, ее существование не слишком заботило ученых. Альберт Эйнштейн в своих гипотезах просто принял, что Вселенная вечна, и даже подправил уравнения теории относительности соответствующим образом. Однако с принятием концепции Большого взрыва все изменилось. Эксперименты показывают, что мы живем в расширяющихся и охлаждающихся остатках космического «комка», который взорвался около 14 млрд лет назад. Что могло вызвать этот первоначальный взрыв? И что ему предшествовало – и предшествовало ли что-нибудь вообще? Эти вопросы определенно входят в компетенцию науки. Но любая попытка науки на них ответить натыкается на кажущееся непреодолимым препятствие, известное как «сингулярность».

Предположение, что Вселенная расширяется (вопреки прежней статичной модели),  подтверждено в 1929 году астрономом Эдвином Хабблом на основании наблюдений за спектром звезд. Окончательным подтверждением инфляции Вселенной стало обнаруженное в 1965 году реликтовое излучение, которое осталось со времен Большого взрыва.


бопытно, что поначалу ученые подумали, что причина постоянного шипения в микроволновом диапазоне – деятельность голубей. Если включить телевизор и настроиться между станциями на пустой канал, то примерно 10% черно-белых крапинок на экране вызывается фотонами, которые остались с момента рождения Вселенной. Наглядней доказательство реальности Большого взрыва невозможно придумать – вы можете увидеть остывающие остатки Большого взрыва в собственном телевизоре.

Если проследить историю расширяющейся Вселенной вспять, Вселенная будет уменьшаться, пока в момент Большого взрыва не обратится в сингулярность. Здесь теория Эйнштейна прерывается и не может предсказать начало Вселенной и начало времени. В этой точке действуют исключительно законы квантовой механики: размытые по пространству волны-частицы движутся всеми возможными путями, и Вселенная может иметь бесконечное множество предысторий. Концептуальный тупик в точке Большого взрыва беспокоил космологов, и они стали искать сценарии, позволяющие избежать первоначальной сингулярности.

Новая инфляционная космология

В 1970 году английские физики-теоретики Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз показали, что эти попытки не могут увенчаться успехом. Хокинг и Пенроуз начали со вполне логичного предположения о том, что гравитация всегда притягивает, и приняли плотность материи во Вселенной примерно равной измеренной экспериментально. На основе этих двух допущений они доказали, что в начале Вселенной все-таки должна быть сингулярность.


Означает ли это, что тайна происхождения Вселенной останется навсегда неразгаданной? Не совсем так, скорее расчеты Хокинга и Пенроуза показывают, что Большой взрыв не может быть полностью понят классической космологией вроде теории относительности Эйнштейна, потребуются и другие теории.

По словам Хокинга, одно из следствий теории квантовой механики заключается в том, что события, произошедшие в прошлом, не происходили каким-то определенным образом. Вместо этого они могли происходить всеми возможными способами. Это связано с вероятностным характером вещества и энергии согласно квантовой механике: до тех пор, пока не найдется сторонний наблюдатель, материя будет находиться в неопределенности. Стивен Хокинг пишет: «Независимо от того, какие воспоминания вы храните о прошлом в настоящее время, прошлое, как и будущее, неопределенно и существует в виде спектра возможностей».

В начале ХХ века считалось, что наша Вселенная состоит только из галактики Млечный Путь, которая плывет сама по себе в бесконечном пространстве. С тех пор ученые установили, что Млечный Путь – всего лишь одна из сотен миллиардов галактик, и это только в видимой нам части Вселенной. В настоящее время считается, что сам Большой взрыв лучше всего объясняет теория, названная «новая инфляционная космология».

Согласно этой теории, взрывы, создающие вселенные, подобно Большому взрыву, случаются довольно часто. Инфляционная космология полагает, что наша Вселенная (которая возникла 14 млрд лет назад) появилась из пространства-времени уже существовавшей Вселенной и не является единственной физической реальностью, а представляет собой лишь невообразимо крохотную часть Мультивселенной (Мультиверса).


Хотя каждый из миров внутри Мультиверсума имеет начало во времени, вся самовоспроизводящаяся структура в целом может быть вечной – таким образом, мы вновь будто возвращаемся к концепции статичной Вселенной, которая казалась навсегда отброшенной с открытием Большого взрыва.

Тем не менее остается вопрос: почему же существует вся эта материя и энергия? Почему пространство-время нашей Вселенной обладает определенной геометрической формой и имеет конечный возраст? Почему оно насыщено разнообразными физическими полями, частицами и силами? И почему эти поля, частицы и силы подчиняются определенному набору законов, причем довольно запутанному? Разве не проще было бы, если бы не было вообще ничего?

Для бесконечного во времени мира (неважно, соответствует ли он инфляционной или другой теории) не существует необъяснимого «момента творения», в нем нет места «первопричине», нет произвольных начальных условий. Поэтому кажется, что вечный мир удовлетворяет принципу достаточной причины: его состояние в любой момент можно объяснить его состоянием в предыдущий момент.


Так, если в момент Большого взрыва не было никакого перехода от Ничто к Нечто, то нет надобности искать причину, божественную или какую-то иную, которая вызвала к жизни Вселенную? И также нет необходимости ломать голову над поставленным нами вопросом: откуда взялись материя и энергия во Вселенной? Внезапного и фантастического нарушения закона сохранения энергии-массы во время Большого взрыва не было. А Вселенная всегда обладала одинаковой энергией-массой, от нулевого момента и до настоящего времени.

Сумма альтернативных  историй

В классической физике, располагая полными данными о настоящем, мы можем легко восстановить картину прошлого. Это соответствует интуитивному убеждению в существовании лишь единственно определенного прошлого. Но квантовая физика утверждает, что при самом детальном наблюдении настоящего ненаблюдаемое прошлое неопределенно и представляет собой сумму предысторий.

В середине 1940-х годов это коренное отличие квантовой механики от ньютоновской сформулировал физик Ричард Фейнман: в ньютоновской механике движущиеся предметы проходят через фильтр с двумя отверстиями строго определенным путем. Но если на фильтр направить пучок частиц (или даже одну частицу), они/она пройдут через эти отверстия всеми мыслимыми путями: и прямым, и через Альфу Центавра, и через соседний гастроном… Вместо классического детерминизма современная физика здесь имеет дело со случайностью и вероятностью.

Но эта фундаментальная случайность, так беспокоившая Эйнштейна, все же поддается математическому описанию.


йнман ввел понятие «сумма предысторий» – все возможные пути частиц, по итогам которых мы наблюдаем результаты эксперимента. Мы не можем точно предсказывать не только будущее, но и прошлое – как именно частица попала в конечную точку, но можем рассматривать совокупность всех возможных путей. В итоге основным методом квантовой физики стала «сумма альтернативных историй», то есть учет всех путей с расчетом вероятности каждого.

Поскольку ненаблюдаемое прошлое неопределенно, а наблюдение меняет поведение системы, то выводимое из наблюдений прошлое еще и изменено по сравнению с ненаблюдаемым: наблюдая за системой, мы меняем не только ее настоящее, но и прошлое.

Как возможно сочетание классической физики, имеющей дело с макрообъектами в пространстве-времени, с неопределенностью и непредсказуемостью квантовой механики? Вероятно, происходит примерно то же, что и в специальной теории относительности: теория начинает действовать в «экстремальных обстоятельствах». Такими экстремальными обстоятельствами для движущегося объекта становится приближение к скорости света: скорость начинает влиять на массу, а время замедляется и в конечном счете останавливается.

Квантовая космология

В каком экстремуме квантовые законы и, как следствие, исчезновение измерения времени могут проявиться на уровне Вселенной? Очевидно, когда Вселенная сравнима размерами с атомным ядром.


енно это подразумевает теория Большого взрыва: все начинается с сингулярности – точки, в которой температура, плотность и искривление Вселенной были бесконечны. Из этой точки Вселенная начинает расширяться, и расширение в соответствии с инфляционной моделью продолжается до сих пор. Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что форма пространства-времени определяется распределением энергии и материи. И когда энергия и материя бесконечно сжаты, то и само пространство-время тоже сжато – и оно просто исчезает.

Как именно, можно понять, если учесть, что через неизмеримо малые доли секунды после рождения вся наблюдаемая Вселенная была не больше атома. В таких масштабах классическая физика неприменима: в микромире правят законы квантовой теории. Поэтому космологи стали задаваться вопросом: а что, если квантовую теорию, которая использовалась только для описания субатомных явлений, применить ко всей Вселенной в целом? Так родилась квантовая космология, названная физиком Джоном Гриббином «наиболее значительным шагом вперед в науке со времен Исаака Ньютона».

Квантовая космология предлагает способ обойти проблему сингулярности. Классические космологи полагали, что сингулярность, притаившаяся за Большим взрывом, это что-то вроде точки с нулевым объемом. Однако квантовая теория запрещает столь точно определенное состояние, утверждая, что на самом фундаментальном уровне природа обладает неизбежной размытостью, поэтому невозможно указать точный момент возникновения Вселенной, ее начальное время.


То, что квантовая теория разрешает, еще более интересно, чем то, что она запрещает. А разрешает она спонтанное возникновение частиц из вакуума. Такой способ создания Нечто из Ничто дал квантовым космологам плодотворную идею: что, если сама Вселенная, по законам квантовой механики, возникла из случайной флуктуации? Тогда причина того, что существует Нечто, а не Ничто, состоит в неустойчивости вакуума.

Утверждение физиков о том, что вакуум неустойчив, подчас подвергается нападкам философов. Но физический вакуум и полная пустота – названия разных объектов. Однако о пустоте можно думать не только как об объекте, но и как об описании определенного состояния. Для физика «пустота» описывает такое состояние, когда нет частиц и все поля математически равны нулю. Возможно ли такое состояние в действительности? То есть согласуется ли оно логически с наблюдаемыми физическими реалиями? Возможно ли создать в наполненной Вселенной полную пустоту?

Мир неустойчивой пустоты

Один из наиболее глубоких принципов, лежащих в самой основе нашего квантового понимания природы, это принцип неопределенности Гейзенберга. Он утверждает, что определенные пары свойств связаны друг с другом таким образом, что не могут быть точно измерены вместе. Одна такая пара переменных – координаты и импульс частицы: чем точнее вы установили положение частицы, тем менее точно вам известно значение ее импульса, и наоборот. Другая пара сопряженных переменных – время и энергия: чем точнее вам известен промежуток времени, в течение которого произошло какое-то событие, тем менее точно вы знаете об энергии, связанной с этим событием, и наоборот.


Квантовая неопределенность запрещает точное определение значений поля и скорости изменения этого значения. Пустота, или вакуум, – это состояние, в котором все значения полей постоянно равны нулю, однако принцип неопределенности Гейзенберга говорит, что если мы точно знаем значение поля, то скорость его изменения совершенно случайна, то есть не может быть равна нулю. Таким образом, математическое описание неизменной пустоты несовместимо с квантовой механикой. Точнее, пустота неустойчива, или же чистой пустоты попросту не существует.

Идея, что Вселенная, содержащая сотни миллиардов галактик, могла появиться из пустоты, выглядит невероятной. Как показал Эйнштейн, любая масса представляет собой застывшую энергию. Однако огромному количеству положительной энергии, запертой в звездах и галактиках, должна противостоять отрицательная энергия гравитационного притяжения между ними. В «закрытой» Вселенной (той, которая со временем снова сожмется) положительная и отрицательная энергии должны точно уравновешивать друг друга. Другими словами, общая энергия такой Вселенной равна нулю.

Возможность создания Вселенной из нулевой энергии поражает воображение. С точки зрения квантовой механики Вселенная с нулевой энергией представляет собой интересный случай.


Допустим, что полная энергия Вселенной точно равна нулю. Тогда благодаря взаимосвязи в неопределенности между энергией и временем (как утверждает принцип Гейзенберга) неопределенность во времени становится бесконечной. Другими словами, как только такая Вселенная возникнет из пустоты, то сможет существовать вечно. Что же касается причины, по которой Вселенная возникла, то это просто квантовая вероятность.

Стивен Хокинг в книге «Великий замысел» пишет: «Если полная энергия Вселенной должна всегда оставаться нулевой и необходимо затратить энергию, чтобы создать тело, как может вся Вселенная быть создана из ничего? Вот почему должен существовать такой закон, как гравитация. Так как гравитация притягивает, то энергия гравитации является отрицательной. Необходимо произвести работу, чтобы разделить гравитационно связанную систему, такую как Земля и Луна. Эта отрицательная энергия может быть сбалансирована положительной энергией, необходимой чтобы создать материю, но все не так просто. Отрицательная гравитационная энергия Земли, к примеру, меньше, чем положительная энергия миллиардов частиц, из которых она состоит. Тело, такое как звезда, будет иметь больше отрицательной гравитационной энергии, и чем меньше она (частицы, из которых она состоит, находятся ближе друг к другу), тем больше будет ее отрицательная гравитационная энергия. Но прежде чем отрицательной гравитационной энергии может стать больше положительной энергии вещества, звезда сколлапсирует в черную дыру, и черная дыра будет иметь положительную энергию. Вот почему пустое пространство стабильно. Тела, такие как звезды или черные дыры, не могут так просто появляться из ничего. Но целая Вселенная может!»

С выводами Стивена Хокинга согласна и квантовая механика. Американский ученый русского происхождения Алекс Виленкин в книге «Мир многих миров» показал, что из начального состояния пустоты может спонтанно появиться крохотный кусочек наполненного энергией вакуума. Под действием отрицательного давления этот кусочек энергетического вакуума испытает безудержное расширение. Через пару микросекунд он достигнет космических размеров, испустив поток света и материи, создав Большой взрыв.

Таким образом, по мнению Виленкина, переход от Пустоты к Бытию происходит в два этапа. На первом крохотный кусочек вакуума появляется из вакуума. На втором он раздувается в наполненную материей предшественницу той Вселенной, которую мы сейчас видим вокруг.

На данный момент принципы квантовой механики, управляющие первым этапом, являются самыми надежными принципами в науке. Что касается теории инфляции, которая описывает второй этап, то с момента своего создания в начале 1980-х годов она успешно подтверждена не только теоретически, но и эмпирически – в частности  распределением реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.

Что же происходит в момент Большого взрыва со временем? Общая теория относительности объединяется с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени как особого параметра нет. А если времени нет, то нет и возможности говорить о начале Вселенной во времени, что устраняет проблему творения из Ничего.

Таким образом, сингулярность в начале Вселенной не событие во времени, а скорее временная граница или край. До нее времени не было. Поэтому не было и времени, когда преобладало Ничто. И не было никакого «возникновения» – по крайней мере во времени. Вселенная имеет конечный возраст, хоть и существовала всегда, если под «всегда» подразумевать все моменты времени. Вековой парадокс разрешается. 

Источник: www.ng.ru

Откуда взялась Вселенная? Кажется, что идея, будто все это получилось из ничего, противоречит логике и здравому смыслу. Возможно, когда-нибудь наука объяснит не только то, как мир устроен, но и почему он устроен именно так. По крайней мере, именно на это надеется, например, Ричард Докинз, который ищет ответ в теоретической физике, полагаясь на инфляционное расширение в первые доли секунды после Большого взрыва и на принцип космического отбора Вселенных, похожего на принцип естественного отбора Дарвина.

В начале 20 века считалось, что наша Вселенная состоит только из галактики Млечный путь, которая плывет сама по себе в бесконечном пространстве. С тех пор ученые установили, что Млечный путь является всего лишь одной из сотен миллиардов галактик – и это только в видимой нам части Вселенной. В настоящее время считается, что сам Большой взрыв лучше всего объясняет теория, названная «новая инфляционная космология». Согласно этой теории, взрывы, создающие вселенные, подобно Большому взрыву, случаются довольно часто. Инфляционная космология полагает, что наша Вселенная (которая возникла 14 миллиардов лет назад) появилась из пространства-времени уже существовавшей Вселенной и не является единственной физической реальностью, а представляет собой лишь невообразимо крохотную часть Мультивселенной. Хотя каждый из миров внутри Мультиверсума имеет определенное начало во времени, вся самовоспроизводящаяся структура в целом может быть вечной – таким образом, мы вновь будто возвращаемся к концепции статичной Вселенной, которая казалась навсегда отброшенной с открытием Большого взрыва.

Пока считалось, что Вселенная вечна, ее существование не слишком заботило ученых. Эйнштейн в своих гипотезах просто принял, что Вселенная вечна, и даже подправил уравнения теории относительности соответствующим образом. Однако с открытием Большого взрыва все изменилось. Эксперименты показывают, что мы живем в расширяющихся и охлаждающихся остатках космического комка, который взорвался около 14 миллиардов лет назад. Что могло вызвать этот первоначальный взрыв? И что ему предшествовало – и предшествовало ли что-нибудь вообще? Эти вопросы определенно входят в компетенцию науки, но любая попытка науки на них ответить натыкается на кажущееся непреодолимым препятствие, известное как «сингулярность».

Предположение, что Вселенная расширяется (вопреки прежней статичной модели) подтверждено в 1929 году астрономом Эдвином Хабблом на основании наблюдений за спектром звезд. Окончательным подтверждением инфляции Вселенной стало обнаруженное в 1965 году реликтовое излучение, которое осталось со времен Большого взрыва. Два исследователя из «Белл телефон лабораторис» случайно обнаружили вездесущее микроволновое излучение. Поначалу ученые подумали, что причиной постоянного шипения в микроволновом диапазоне является деятельность голубей. Если включить телевизор и настроиться между станциями на пустой канал, то примерно 10 процентов черно-белых крапинок на экране вызывается фотонами, которые остались с момента рождения Вселенной. Наглядней доказательство реальности Большого взрыва невозможно придумать – вы можете увидеть остывающие остатки Большого взрыва в собственном телевизоре.

В 1970 году Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз показали, что эти попытки не могут увенчаться успехом. Хокинг и Пенроуз начали со вполне логичного предположения о том, что гравитация всегда притягивает, и приняли плотность материи во Вселенной примерно равной измеренной экспериментально. На основе этих двух допущений они с математической точностью доказали, что в начале Вселенной все-таки должна быть сингулярность.

Означает ли это, что тайна происхождения Вселенной останется навсегда неразгаданной? Не совсем так, скорее расчеты Хокинга и Пенроуза показывают, что Большой взрыв не может быть полностью понят «классической» космологией вроде теории относительности Эйнштейна, потребуются и другие теории.

Если проследить историю расширяющейся Вселенной вспять, Вселенная будет уменьшаться, пока в момент Большого взрыва не обратится в сингулярность. Здесь теория Эйнштейна прерывается и не может предсказать начало Вселенной и начало времени — только то, как она развивалась позже. В этой точке действуют исключительно законы квантовой механики: размытые по пространству волны-частицы движутся всеми возможными путями, и Вселенная может иметь бесконечное множество предысторий. Концептуальный тупик на Большом взрыве беспокоил космологов, и они стали искать сценарии, позволяющие избежать первоначальной сингулярности.

По словам Хокинга, одно из следствий теории квантовой механики заключается в том, что события, произошедшие в прошлом, не происходили каким-то определённым образом. Вместо этого они могли происходить всеми возможными способами. Это связано с вероятностным характером вещества и энергии согласно квантовой механике: до тех пор, пока не найдётся сторонний наблюдатель, материя будет находиться в неопределённости. Стивен Хокинг пишет: «Независимо от того, какие воспоминания вы храните о прошлом в настоящее время, прошлое, как и будущее, неопределённо и существует в виде спектра возможностей».

Тем не менее остается вопрос: почему же существуют вся эта материя и энергия? Почему пространство-время нашей Вселенной обладает определенной геометрической формой и имеет конечный возраст? Почему оно насыщено разнообразными физическими полями, частицами и силами? И почему эти поля, частицы и силы подчиняются определенному набору законов – причем довольно запутанному? Разве не проще было бы, если бы не было вообще ничего?

Для бесконечного во времени мира (неважно, соответствует ли он инфляционной или другой теории) не существует необъяснимого «момента творения», в нем нет места «первопричине», нет произвольных начальных условий. Поэтому кажется, что вечный мир удовлетворяет принципу достаточной причины: его состояние в любой момент времени можно объяснить его состоянием в предыдущий момент.

Так если в момент Большого взрыва не было никакого перехода от Ничто к Нечто, то нет надобности искать причину, божественную или какую-то иную, которая вызвала к жизни Вселенную? И также нет необходимости ломать голову над поставленным нами вопросом «Откуда взялись материя и энергия во Вселенной?»: внезапного и фантастического нарушения закона сохранения энергии-массы во время Большого взрыва не было. А Вселенная всегда обладала одинаковой энергией-массой, от нулевого момента и до настоящего времени.

В каком экстремуме квантовые законы и, как следствие, исчезновение измерения времени могут проявиться на уровне Вселенной? Очевидно, когда вселенная сравнима размерами с атомным ядром. Именно это подразумевает теория Большого взрыва: все начинается с сингулярности — точки, в которой температура, плотность и искривление Вселенной были бесконечны. Из этой точки Вселенная начинает расширяться, и расширение (в соответствии с инфляционной моделью) продолжается до сих пор. Обратив вспять расширение, мы увидим, как содержимое Вселенной сближается, все более сжимаясь в одну точку. В конце концов, в самом начале космической истории, весь мир находится в состоянии бесконечного сжатия и стянут в «сингулярность». Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что форма пространства-времени определяется распределением энергии и материи. И когда энергия и материя бесконечно сжаты, то и само пространство-время тоже сжато – и оно просто исчезает.

Как именно, можно понять, если учесть, что через долю секунды после рождения вся наблюдаемая Вселенная была не больше атома. В таких масштабах классическая физика неприменима: в микромире правят законы квантовой теории. Поэтому космологи (среди них и Стивен Хокинг) стали задаваться вопросом: «А что, если квантовую теорию, которая использовалась только для описания субатомных явлений, применить ко всей Вселенной в целом?». Так родилась инфляционнаяквантовая космология, названная физиком Джоном Гриббином «наиболее значительным шагом вперед в науке со времен Исаака Ньютона»[1].

Квантовая космология предлагает способ обойти проблему сингулярности. Классические космологи полагали, что сингулярность, притаившаяся за Большим взрывом – это что-то вроде точки с нулевым объемом. Однако квантовая теория запрещает столь точно определенное состояние, утверждая, что на самом фундаментальном уровне природа обладает неизбежной размытостью, поэтому невозможно указать точный момент возникновения Вселенной, ее начальное время.

То, что квантовая теория разрешает, еще более интересно, чем то, что она запрещает. А разрешает она спонтанное возникновение частиц из вакуума. Такой способ создания Нечто из Ничто дал квантовым космологам плодотворную идею: что, если сама Вселенная, по законам квантовой механики, возникла из случайной флуктуации? Тогда причина того, что существует Нечто, а не Ничто, состоит в неустойчивости вакуума.

Утверждение физиков «вакуум неустойчив» подчас подвергается нападкам философов. Но физический вакуум и полная пустота является названием разных объектов. Однако о пустоте можно думать не только как об объекте, но и как об описании определенного состояния. Для физика «пустота» описывает такое состояние, когда нет частиц и все математические поля равны нулю. Возможно ли такое состояние в действительности? То есть согласуется ли оно логически с наблюдаемыми физическими реалиями? Возможно ли создать в наполненной Вселенной полную пустоту?

Одним из наиболее глубоких принципов, лежащих в самой основе нашего квантового понимания природы, является принцип неопределенности Гейзенберга, утверждающий, что определенные пары свойств связаны друг с другом таким образом, что не могут быть точно измерены вместе. Одна такая пара переменных – координаты и импульс частицы: чем точнее вы установили положение частицы, тем менее точно вам известно значение ее импульса, и наоборот. Другой парой сопряженных переменных являются время и энергия: чем точнее вам известен промежуток времени, в течение которого произошло какое-то событие, тем меньше вы знаете об энергии, связанной с этим событием, и наоборот.

Квантовая неопределенность запрещает точное определение значений поля и скорости изменения этого значения. Пустота, или вакуум – это состояние, в котором все значения полей постоянно равны нулю, однако принцип неопределенности Гейзенберга говорит, что если мы точно знаем значение поля, то скорость его изменения совершенно случайна, то есть не может быть равна нулю. Таким образом, математическое описание неизменной пустоты несовместимо с квантовой механикой – точнее, пустота неустойчива, или же чистой пустоты попросту не существует.

Идея, что Вселенная, содержащая сотни миллиардов галактик, могла появиться из пустоты, выглядит невероятной. Как показал Эйнштейн, любая масса представляет собой застывшую энергию. Однако огромному количеству положительной энергии, запертой в звездах и галактиках, должна противостоять отрицательная энергия гравитационного притяжения между ними. В «закрытой» Вселенной (той, которая со временем снова сожмется) положительная и отрицательная энергии должны точно уравновешивать друг друга. Другими словами, общая энергия такой Вселенной равна нулю.

Возможность создания целой Вселенной из нулевой энергии поражает воображение. С точки зрения квантовой механики Вселенная с нулевой энергией представляет собой интересную возможность. Допустим, что полная энергия Вселенной точно равна нулю. Тогда, благодаря взаимосвязи в неопределенности между энергией и временем (как утверждает принцип Гейзенберга), неопределенность во времени становится бесконечной. Другими словами, как только такая Вселенная возникнет из пустоты, то сможет существовать вечно. Что же касается причины, по которой Вселенная возникла, то это просто квантовая вероятность. Стивен Хокинг в книге «Великий замысел» пишет: «Если полная энергия Вселенной должна всегда оставаться нулевой, и необходимо затратить энергию, чтобы создать тело, как может вся Вселенная быть создана из ничего? Вот почему должен существовать такой закон, как гравитация. Так как гравитация притягивает, то энергия гравитации является отрицательной. Необходимо произвести работу, чтобы разделить гравитационно связанную систему, такую как Земля и Луна. Эта отрицательная энергия может быть сбалансирована положительной энергией, необходимой чтобы создать материю, но все не так просто. Отрицательная гравитационная энергия земли, к примеру, меньше, чем положительная энергия миллиардов частиц, из которых она состоит. Тело, такое как звезда, будет иметь больше отрицательной гравитационной энергии, и чем меньше она (частицы, из которых она состоит, находятся ближе друг к другу), тем больше будет ее отрицательная гравитационная энергия. Но прежде, чем отрицательной гравитационной энергии может стать больше положительной энергии вещества, звезда сколлапсирует в черную дыру, и черная дыра будет иметь положительную энергию. Вот почему пустое пространство стабильно. Тела, такие как звезды или черные дыры, не могут так просто появляться из ничего. Но целая Вселенная может!»[2]

С выводами Стивена Хокинга согласна и квантовая механика. Американский ученый русского происхождения Алекс Виленкин в книге «Мир многих миров» показал, что из начального состояния пустоты может спонтанно появиться крохотный кусочек наполненного энергией вакуума. Под действием отрицательного давления «инфляции» этот кусочек энергетического вакуума испытает безудержное расширение. Через пару микросекунд он достигнет космических размеров, испустив поток света и материи, создав Большой взрыв.

Таким образом, по мнению Виленкина, переход от Пустоты к Бытию происходит в два этапа. На первом крохотный кусочек вакуума появляется из вакуума. На втором он раздувается в наполненную материей предшественницу той Вселенной, которую мы сейчас видим вокруг. На данный момент принципы квантовой механики, управляющие первым этапом, являются самыми надежными принципами в науке. Что касается теории инфляции, которая описывает второй этап, то с момента своего создания в начале 80-х годов она успешно подтверждена не только теоретически, но и эмпирически – в частности, распределением реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.

Что же происходит в момент Большого взрыва со временем? Общая теория относительности объединяется с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени как особого параметра нет. А если времени нет, то нет и возможности говорить о начале Вселенной во времени, что устраняет проблему творения из Ничего.

Таким образом, сингулярность в начале Вселенной является не событием во времени, а скорее временной границей или краем. До нее никакого времени не было. Поэтому не было и времени, когда преобладало Ничто. И не было никакого «возникновения» – по крайней мере, во времени. Вселенная имеет конечный возраст, хоть и существовала всегда, если под «всегда» подразумевать все моменты времени. Вековой парадокс разрешается.

 

[1]Gribbin J . Q Is for Quantum. Free Press, 1998.

 

[2] Stephen Hawking and Leonard Mlodinow «The Grand Design»

 

Источник: snob.ru

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 Planck, 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.

Квантовая космология

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.

Источник: indicator.ru

Квантовые технологии из головоломной теории становятся рыночным продуктом. «Секрет фирмы» отобрал пять проектов, показывающих, где и как кванты будут превращаться в деньги.

Текст: Иван Куликов

Как можно находиться в двух противоположных состояниях одновременно? Как вещи, сильно удаленные друг от друга, могут вести себя как один объект? Как получается, что невозможно измерить что-либо, не разрушив сам предмет исследования, а результат измерения все равно будет случайным? Так выглядят три фундаментальных парадокса квантовой механики, больше напоминающие магию. Но они описывают реальное поведение вещества на уровне атомов, электронов и фотонов. Первый известен как «суперпозиции состояний», второй — «квантовая сцепленность», третий — «принцип неопределенности Гейзенберга». Различные и менее парадоксальные квантовые явления лежат в основе многих привычных технологий — старинных (серебряная фотография), старых (лазеры) и новейших (гигантское магнетосопротивление, позволившее создавать терабайтные винчестеры). Эти технологии стали массовыми и прибыльными. Однако главная интрига квантового мира — три первых парадокса — долгое время не покидала стен лабораторий. Сам вопрос, как можно зарабатывать на этих парадоксах деньги, звучал просто нелепо. Никак.

Но первый квартал 2013 года прогремел несколькими сделками, подтверждающими, что настоящая квантовая магия наконец пришла на рынок. Квантовые парадоксы начали зарабатывать сотни миллионов долларов сейчас, и обещают сотни миллиардов в ближайшем будущем. Квантовая суперпозиция позволила компьютеру компании D-Wave работать в 3600 раз быстрее, чем конкуренты. Благодаря этому решение было куплено Google за $15 млн и подняло дополнительно $30 млн венчурного капитала. Принцип неопределенности помог швейцарской компании ID Quantique заключить многомиллионную сделку с крупнейшим вендором шифровального программного обеспечения Cryptsoft. Скоро квантовая криптография будет обеспечивать безопасность путешествий по Всемирной сети. Квантовая сцепленность, позволяющая в рекордные десятки раз повысить чувствительность радаров, только этой весной принесла компании BBN $2,1 млн от оборонного ведомства.

В конце прошлого года старший партнер венчурного фонда Runa Capital, совладелец компаний Parallels и Acronis Сергей Белоусов с партнерами создали первый в мире специализированный фонд Qwave, полем деятельности которого стало инвестирование в квантовые технологии.

Белоусов говорит, что интересовался ими еще с институтских времен. «Еще 10 лет назад сложно было представить, что квантовые технологии станут рыночным продуктом, настолько все, что с ними связано, было сложно и казалось абстрактными научными рассуждениями».

В июне этого года фонд объявил о трех инвестициях: в эстонскую компанию Clifton, американскую Centice и российскую «Фотонные нано-мета технологии». Общий объем инвестиций в три проекта составил $7 млн. Ранее Белоусов заявлял, что планирует довести размер фонда до $100 млн. Возможно, высокие технологии, становясь массово доступными, вступают в стадию очередного фазового перехода, на этот раз квантового. То, что еще несколько лет назад казалось фантастикой, становится сегодня рыночным продуктом. СФ решил обозначить реальных игроков рынка квантовых технологий, претворяющих квантовую магию в новые знания, новые устройства и новые капиталы.

Фотон-одиночка

Компания: «Фотонные нано-мета технологии»

Сфера: нанофотоника, оптические процессоры, квантовые коммуникации

Принцип: дискретное испускание фотонов в наноалмазе

Продукт: источник одиночных фотонов, в виде микрочипа

Фаза: исследовательские работы

Деньги: 40 млн руб. венчурного финансирования привлекла компания от фонда «Сколково» и венчурного фонда QWave

Цитата: «Через пять лет рынку потребуется 200 тысяч источников одиночных фотонов в год», Андрей Смолянинов, генеральный директор компании «Фотонные нано-мета технологии»

Свет — это поток фотонов. Но даже в мгновенной вспышке их будет астрономическое количество. «Выстрелить» одиночным фотоном до недавнего времени было лишь лабораторной задачей. Все изменило развитие систем оптических телекоммуникаций, использующих квантовые эффекты (см. «Разрушители квантов»). Для таких систем потребовались источники одиночных фотонов. Спрос на эти устройства уверенно растет, а технические требования постоянно ужесточаются. Подобные установки разрабатывает компания «Фотонные нано-мета технологии». У нее есть ноу-хау, позволяющее строить миниатюрные и производительные генераторы одиночных фотонов. Генеральный директор компании Андрей Смолянинов с оптимизмом заглядывает на два года вперед, когда планируется изготовить первую партию из нескольких тысяч микросхем стоимостью примерно $200-300 каждая. Впрочем, через два года спрос на источники одиночных фотонов может вырасти на порядок. Их потребителями станут также производители оптических процессоров, в которых обработка информации осуществляется посредством световых, а не электронных импульсов (об успехах этой технологии рапортует IBM), а также, возможно, квантовых компьютеров. Поэтому к 2018 году компания планирует производить уже до 200 тыс. чипов, как на собственной площадке, так и на сторонних — через продажи лицензий. Компания, где работает 15 человек, уже привлекла 40 млн  руб. венчурного капитала, из них 30 млн руб. предоставлены фондом «Сколково» и 10 млн руб.— венчурным фондом QWave.

Первый прототип устройства, на разработку которого будут потрачены эти деньги, компания обещает представить через два года.

Размер света

Компания: QD Vision

Сфера: новые материалы

Принцип: дискретное возбуждение электрона в наночастице

Продукт: квантовые точки

Фаза: промышленное производство

Деньги: $7,5 млрд — объем рынка квантовых точек к 2022 году, по оценке исследовательской компании MarketsandMarkets

Цитата: «Наш Color IQ изменил правила игры целой индустрии», Джейсон Карлсон, CEO QD Vision

В 2010 году Джейсону Карлсону, СЕО компании QD Vision, потребовались пророческое чутье и определенная наглость, чтобы переориентировать стартап, основанный докторами наук из MIT, с перспективного рынка полупроводниковых светильников на проблемный рынок жидкокристаллических дисплеев (LCD). Рынку LCD тогда предрекали смерть от нового фаворита — дисплеев на органических светодиодах (OLED). Но уже через два года из-за технических проблем и дороговизны производства больших OLED-матриц, фаворит превратился в неудачника. На сцену вышли LCD-дисплеи на квантовых точках — крохотных полупроводниках, размером от нескольких десятков до нескольких сотен атомов. Одно из интересных свойств квантовой точки в том, что параметры ее излучения зависят от размера и формы точки. Ученые научились довольно точно управлять этими параметрами, а следовательно, получили источники света с тонко настраиваемыми характеристиками. Одна из перспективных сфер применения квантовых точек — дисплеи, заметно превосходящие OLED по цветовой насыщенности, яркости и контрастности. Они потребляют меньше энергии, но главное — они дешевле и проще в производстве. Выпущенный этой весной 55-дюймовый Full HD телевизор Sony с дисплеем на квантовых точках, поставляемых QD Vision, стоит $2,6 тыс., в то время как аналогичный по размеру OLED-телевизор от LG — $13,5 тыс. В 2011 году, инвестируя в российского игрока на рынке квантовых точек, компанию QDLight, 35 млн руб., «Роснано» прогнозировала рост рынка до $250 млн к 2015 году. Сейчас этот прогноз увеличен до $670 млн. К 2022 году рынок квантовых точек, по оценке MarketsandMarkets, составит $7,5 млрд. Отлаженная технология производства квантовых точек для ЖК-дисплеев и хорошие прогнозы позволили QD Vision привлечь $55 млн венчурного капитала и увеличить штат сотрудников с 30 до 150 человек.

Разрушители квантов

Компания: ID Quantique

Сфера: принцип неопределенности Гейзенберга

Принцип: случайная природа квантовых процессов

Продукт: криптоплатформа Cerberis

Фаза: промышленное производство, экспансия на рынок

Деньги: $845 млн — объем рынка квантовой криптографии в 2015 году, по прогнозу Global Industry Analysts

Цитата: «Мы возвращаем деньги, выделенные на лабораторные исследования, в течение 6-12 месяцев», Грегуар Риборди, CEO ID Quantique

Квантовая криптография основывается на принципе неопределенности, сформулированном в 1927 году Вернером Гейзенбергом. Принцип свидетельствует, что невозможно одновременно получить координаты и импульс частицы. Соответственно, невозможно измерить один параметр фотона, не исказив другой. Если квантовый сигнал несет информацию, то стремление получить ее означает попытку измерения. Это вносит искажения в квантовую систему и приводит к ее разрушению. В итоге, используя квантовые явления, можно создать систему связи, которая всегда будет в состоянии обнаруживать подслушивание.

Единственный сегодня поставщик коммерческих криптоквантовых решений для рынка телекоммуникаций, банковского и промышленного сектора — швейцарская компания ID Quantique, в которой работает 20 человек. Продемонстрировав первый коммерческий квантовый криптомодуль в 2003 году, в 2011-м она завершила тестирование своего флагманского продукта — квантово-криптографической платформы Cerberis, благодаря которой собрала обширное бизнес-портфолио внедрений. Cerberis поддерживает квантовые криптоканалы протяженностью до 100 км из-за ограничения, накладываемого мощностью источников одиночных фотонов. Впрочем, этой дистанции пока достаточно, чтобы банки не оставили хакерам шансов, копируя свои базы данных в резервные дата-центры.

Начинка Cerberis не главное ноу-хау швейцарцев, которые продают не столько «квантовый ящик с проводами», сколько конкретные решения по встраиванию криптомодулей в уже работающие системы телекоммуникаций. Никто из конкурентов похвастаться этим пока не может.

В одной связке

Компания: BBN

Сфера: системы дистанционного обнаружения

Принцип: квантовая сцепленность

Продукт: квантовый радар

Фаза: исследовательские работы

Деньги: $2,1 млн — грант министерства обороны США

Цитата: «Квантовый радар — тот случай, когда реальная наука стоит на рубеже научной фантастики», Александр Сергиенко, профессор физики, Университет Бостона

У компании BBN отличный послужной список. Здесь придумали пакетный принцип передачи данных, который лег в основу сети ARPAnet, предшественника интернета, электронную почту и даже символ @ для адресации электронных писем. Также в BBN давно и активно работает отдел QuIP — он разрабатывает технологии квантовой обработки информации. Курируемые BBN направления включают джентльменский «квантовый набор» большой технологической компании, стабильно субсидируемой военными и спецслужбами. Это квантовые вычисления в сверхпроводящих контурах, микроволновая оптика, масштабируемые квантовые сети и квантовая криптография. Сверхчувствительные оптические сенсоры были еще одной позицией в этом списке. Но лишь до того момента, когда в BBN решили испытать эксцентричную идею квантовой подсветки, сформулированную в 2008 году Сетом Ллойдом, физиком из Массачусетского технологического института. Идея заключалась в использовании сцепленных фотонов вместо обычного лазерного луча, сканирующего удаленные объекты. Понятие «сцепленных», или «запутанных», частиц родилось в дискуссии Альберта Эйнштейна и Макса Борна, обсуждавших явление, когда квантовые состояния объектов оказываются взаимозависимы и изменение одного приводит к изменению другого. По идее Ллойда, использование запутанных фотонов должно существенно повысить точность радаров. Достигается это за счет отсева отраженных от цели фотонов, потерявших сцепленность со своими двойниками из-за действия шума — вечной головной боли конструкторов систем слежения. Система из сцепленных фотонов порождает больше информации за счет второго фотона-двойника, и ее можно использовать для отделения шума от сигнала. Идеей тут же заинтересовалось агентство передовых военных разработок DARPA, выделившее BNN $2,1 млн на исследования в области квантовых радаров.

Вероятные вычисления

Компания: D-Wave Systems

Сфера: квантовые вычисления

Принцип: квантовая сцепленность, суперпозиция

Продукт: квантовый компьютер

Фаза: коммерческие образцы

Деньги: $26 млрд — совокупный рынок квантовых вычислений в 2015-2020 годах, по прогнозам Market Research Media

Цитата: «Просчитать оптимизацию — овладеть ключом к благополучию», Джорди Роуз, основатель D-Wave Systems

Кубиты, или квантовые биты,— строительные кирпичики квантового компьютера, собрав которые, можно объявлять о начале новой эры в компьютерной индустрии. В отличие от битов, принимающих два значения (0 и 1), кубиты принимают несколько значений одновременно. Набор кубитов, находящихся одновременно во всех возможных состояниях, становится эффективной моделью для вычислений, связанных с вероятностными процессами, многомерными системами. Подобные вычисления на обычном компьютере длились бы крайне долго. Вычислительная мощность квантового компьютера определяется количеством кубитов. До недавнего времени в лабораторных условиях формировались квантовые компьютеры в виде системы из трех-четырех кубитов. Однако канадская компания D-Wave Systems регулярно заявляла о создании коммерческой версии такого компьютера из 16, 128 и, совсем недавно, из 512 кубитов. Споры о том, можно ли считать устройство D-Wave истинно квантовым компьютером, не утихают до сих пор. Недавние независимые тесты показали, что большой охлаждаемый специальной криогенной установкой черный шкаф с надписью D-Wave справляется с особо сложными задачами по оптимизации данных в тысячи раз быстрее обычных компьютерных систем. Ученые из Лондонского института физики признали этой весной, что в чипах D-Wave наблюдаются квантовые эффекты. Все это сподвигло основателя Amazon.com Джеффа Безоса и подрядчика ЦРУ In-Q-Tel инвестировать в D-Wave $30 млн, а Google и NASA — создать партнерство по совместному использованию компьютера D-Wave. Есть у компании и две сделки: ее решения уже приобрели Google (за $15 млн) и Lockheed Martin ($10 млн).

Источник: www.kommersant.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.