Виртуальные частицы являются проявлениями основного свойства квантовых систем. В основе квантовой механики лежит правило, которое иногда управляет политиками или Центрами по наблюдению Земли — пока никто не наблюдает, что-то происходит. Системы продолжают двигаться, ежеминутно находясь между всеми возможными состояниями, в том числе состояниями, которые были бы недопустимы, если бы система была фактически измерена. Эти «квантовые флуктуации» указывают на неотъемлемую особенность квантового мира: ничто всегда производит что-то, хотя бы на мгновение.
Но вот беда. Сохранение энергии говорит нам, что квантовые системы могут нарушать закон лишь на небольшое время. Как при присвоении денег биржевым брокером, если состояние, в котором колеблется система, тайком присвоит некоторое количество энергии пустого пространства, то система должна вернуть эту энергию во время, достаточно короткое, чтобы никто, производящий измерения в системе, не смог этого обнаружить.
В результате, вы можете позволить себе с уверенностью утверждать, что это «что-то», созданное квантовыми флуктуациями, эфемерно — не поддается измерению, в отличие, скажем, от вас, или меня, или Земли, на которой мы живем. Но это эфемерное творение тоже подвержено условиям, связанным с нашими измерениями. Рассмотрим, например, электрическое поле, распространяемое заряженным объектом. Оно, безусловно, реально. Вы можете почувствовать воздействие статического электричества на волосы или наблюдать воздушный шарик, прилипший к стене. Однако квантовая теория электромагнетизма предполагает, что статическое поле возникает в результате излучения, благодаря заряженным частицам, участвующим в создании поля, виртуальным фотонам, обладающим, по существу, нулевой полной энергией. Эти виртуальные частицы, поскольку имеют нулевую энергию, могут распространяться по всей Вселенной, не исчезая, а поле, за счет суперпозиции многих из них, настолько реально, что его можно почувствовать.
Иногда условия таковы, что реальные, массивные частицы могут фактически выскочить из пустого пространства безнаказанно. В одном примере две заряженные пластины сводят близко друг к другу и, как только электрическое поле между ними становится достаточно сильным, для реальной пары частица-античастица становится выгодным «выглянуть» из вакуума, с отрицательным зарядом, направленным к положительной пластине, и положительным зарядом, направленным к отрицательной. При этом вполне возможно, что снижение энергии, обусловленное снижением суммарного заряда на каждой из пластин, и, следовательно, электрического поля между ними, может быть больше, чем энергия, связанная с энергией массы покоя, необходимой для получения двух реальных частиц. Конечно, напряженность поля должна быть огромной, чтобы такое условие было возможным.
Фактически существует место, где явление, похожее на то, что описано выше, может происходить благодаря сильным полям иного рода, в данном случае благодаря гравитации. Осознание этой идеи фактически сделало Стивена Хокинга известным среди физиков в 1974 году, когда он показал, что черные дыры, за пределы которых, по крайней мере, при отсутствии квантово-механических факторов, ничто не может вырваться, могли бы излучать физические частицы.
Есть много разных способов пытаться понять это явление, но один из них поразительно схож с ситуацией, которую я описал выше с электрическими полями. Внешняя поверхность ядра черных дыр является радиусом, называемым «горизонтом событий». Из-за горизонта событий ни один объект не может классически вырваться, потому что вторая космическая скорость превышает скорость света. Таким образом, даже свет, излучаемый внутри этой области, не может выбраться за пределы горизонта событий.
А теперь представьте, что пара частица-античастица зарождается из пустого пространства сразу за горизонтом событий благодаря квантовым флуктуациям в этой области. Одна из частиц может фактически попасть внутрь горизонта событий, и при этом, падая в черную дыру, потерять достаточно гравитационной энергии, чтобы эта энергия вдвое превышала массу покоя обеих частиц. Это означает, что частица-партнер может улететь в бесконечность и быть наблюдаемой без нарушения закона сохранения энергии. Общая положительная энергия, связанная с испускаемой частицей, с лихвой компенсируется потерей энергии, которую испытывает ее частица-партнер, падающая в черную дыру. Поэтому черная дыра может испускать частицы.
Однако ситуация становится еще более интересной, из-за того что энергия, теряемая падающей внутрь частицей, больше, чем положительная энергия, связанная с ее массой покоя. В результате, когда она падает в черную дыру, общая система черной дыры плюс частицы на самом деле обладает меньшей энергией, чем это было до того, как частица в нее упала! Черная дыра поэтому фактически становится светлее, когда частица попадает внутрь, на величину, которая эквивалентна энергии, уносимой излучаемой, сбежавшей частицей. В конце концов, черная дыра может испариться полностью. На данный момент мы этого не знаем, потому что конечные стадии испарения черных дыр включают физику на таких малых масштабах расстояний, что одна только общая теория относительности не может дать нам окончательный ответ. На этих масштабах гравитация должна рассматриваться как полностью квантово-механическая теория, и нашего нынешнего понимания общей теории относительности не достаточно, чтобы точно выяснить, что произойдет.
Тем не менее, все эти явления говорят о том, что при правильных условиях что-то не только может появиться из ничего, но и должно.
В космологии один из первых примеров того, что «ничто» может быть нестабильным и образовать что-то, был получен благодаря попыткам понять, почему мы живем во Вселенной материи.
Вы, наверное, просыпаясь каждое утро, не спрашиваете об этом, но тот факт, что наша Вселенная содержит материю, замечателен. А особо замечательно в нем то, что, насколько мы можем судить, наша Вселенная не содержит в значительном количестве антиматерию, которая, как вы помните, предусматривается квантовой механикой и теорией относительности, так что для каждой частицы, известной нам в природе, может существовать эквивалентная античастица с противоположным зарядом и той же массой. Казалось бы, любая разумная Вселенная в момент создания будет содержать равное количество частиц обоих видов. В конце концов, античастицы обычных частиц имеют такую же массу и подобные другие свойства, так что если частицы были созданы в начале времен, было бы столь же легко создать античастицы.
С другой стороны, мы могли бы даже представить себе вселенную антиматерии, в которой все частицы, составляющие звезды и галактики, были бы заменены на их античастицы. Такая Вселенная казалась бы почти идентичной той, в которой мы живем. Наблюдатели в такой вселенной (сами состоящие из антиматерии), то, что мы называем антиматерией, несомненно, назвали бы материей. Название произвольно.
Однако если наша Вселенная возникла разумно, с равным количеством материи и антиматерии, и осталась такой, нас бы не было, чтобы спрашивать: «зачем?», «почему?» или «как?» Причина в том, что все частицы материи аннигилировали бы со всеми частицами антиматерии в ранней Вселенной, не оставив ничего, кроме чистого излучения. Никакой материи или антиматерии не осталось бы, чтобы создать звезды, или галактики, или создать любовников или антилюбовников, которые могли бы в один прекрасный день полюбоваться и испытать страсть от зрелища ночного неба в объятиях друг друга. Никакой драмы. История состояла бы из пустоты, ванн излучения, которые медленно охлаждались бы, что привело бы в конечном счете к холодной, темной, мрачной вселенной. Небытие бы безраздельно властвовало.
Однако в 1970 году ученые начали понимать, что, в раннем, горячем, плотном Большом Взрыве сначала могло возникнуть равное количество материи и антиматерии, и в рамках вероятных квантовых процессов «возникло что-то из ничего» благодаря установлению небольшой асимметрии, с небольшим избытком материи над антиматерией в ранней Вселенной. Затем, вместо полной аннигиляции материи и антиматерии, что не дало бы сегодня ничего, кроме чистого излучения, вся имеющаяся антиматерия в ранней Вселенной могли бы быть уничтожена материей, но небольшой избыток материи мог не иметь сопоставимого количества антиматерии, чтобы аннигилировать, и остался. Это привело бы ко всей материи, составляющей звезды и галактики, которые мы видим во Вселенной сегодня.
В результате то, что в противном случае могло бы показаться небольшим достижением (установление небольшой асимметрии в ранние времена), можно вместо этого считать практически моментом создания. Потому что как только асимметрия между материей и антиматерией была создана, ничто могло позже их разбросать. Будущая история Вселенной, полной звезд и галактик, была по существу написана. Частицы антиматерии аннигилировали бы с частицами материи в ранней Вселенной, а остальной избыток частиц материи сохранился бы до сегодняшнего дня, сформировав состав видимой Вселенной, которую мы знаем и любим, и в которой живем.
