Космология Большого Взрыва

https://www.reasonablefaith.org/writings/scholarly-writings/the-existence-of-god/big-bang-cosmology

Уильям Лейн Крейг

Это представленная версия статьи «Космология Большого Взрыва» будет опубликована в окончательной форме в «Encyclopedia of Philosophy of Religion» (ссылка на Wiley.com появится позднее). Публикуется с разрешения.

Космология до появления теории относительности

В аристотелевской физике первичная материя, из которой состоят все физические субстанции, вечна и нетварна, как и Сам Бог. Она лежит в основе вечного процесса зарождения и разрушения всего в подлунной сфере. В своей крупномасштабной структуре Вселенная остается неизменной от вечности.

Даже с упадком аристотелевской физики в результате научной революции, которую совершил Исаак Ньютон, предположение о статической Вселенной оставалось неоспоримым. Хотя сам Ньютон считал, что Бог сотворил мир, Вселенная, описываемая его физикой, по всей видимости, была вечной. Безусловно, в физике до появления теории относительности уже были подсказки — такие как парадокс Ольберса или надвигающаяся тепловая смерть Вселенной — указывающие на то, что есть нечто неправильное в господствующем предположении о вечном, статичном космосе. Но эти мелочные заботы не могли опровергнуть то, что повсеместно считалось само собой разумеющимся: что Вселенная в целом существовала вечно и неизменно.

Космология на основе общей теории относительности

Сотрясения надвигающегося землетрясения, которое разрушит старую космологию, впервые почувствовали в 1917 году, когда Альберт Эйнштейн применил космологическое приложение своей недавно открытой теории гравитации, Общей теории относительности (далее ОТО). Эйнштейн предполагал, что Вселенная однородна и изотропна и что она существует в стационарном состоянии с постоянной средней плотностью массы и постоянной кривизной пространства. Однако, к своему огорчению, он обнаружил, что ОТО не позволила бы создать такую модель Вселенной, если только он не введет в свои уравнения гравитационного поля некий «дополнительный член», чтобы уравновесить гравитационное воздействие материи и тем самым обеспечить статическую Вселенную. Однако статическая Вселенная Эйнштейна балансировала на лезвии бритвы, и малейшее колебание — даже перенос материи из одной части Вселенной в другую — могло привести к тому, что Вселенная либо взорвалась бы, либо расширилась. Серьезно восприняв эту особенность модели Эйнштейна, русский математик Александр Фридман и бельгийский астроном Жорж Леметр смогли независимо сформулировать в 1920-х годах решения уравнений поля, которые предсказывали расширяющуюся Вселенную.

А в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл измерил красное смещение в оптических спектрах света от далеких галактик, которое было принято за указание на универсальное удаляющееся движение источников света на луче зрения, и убедительно подтвердило модель Фридмана-Леметра. Невероятно, но то, что открыл Хаббл, было изотропным расширением Вселенной, предсказанным Фридманом и Леметром на основе ОТО Эйнштейна. Это был настоящий поворотный момент в истории науки. «Из всех великих предсказаний, которые когда-либо делала наука на протяжении столетий, — восклицает Джон Уилер, — было ли когда-либо что-то более великое, чем это, предсказывающее, и предсказывающее правильно, и предсказывающее вопреки всем ожиданиям такое фантастическое явление, как расширение Вселенной?»[1]

Стандартная модель Большого взрыва

Согласно модели Фридмана- Леметра, с течением времени расстояния, разделяющие галактические массы, увеличиваются. Важно понимать, что модель, основанная на ОТО, описывает не расширение материального содержания Вселенной в предсуществующее пустое ньютоновское пространство, а скорее расширение самого пространства. Считается, что идеальные частицы космологической жидкости («ideal particles of the cosmological fluid»), состоящие из материи и энергии Вселенной, покоятся по отношению к самому пространству, но постепенно удаляются друг от друга по мере того, как само пространство расширяется или растягивается, подобно тому, как пуговицы, приклеенные к поверхности воздушного шара, будут удаляться друг от друга по мере надувания воздушного шара. По мере расширения Вселенная становится все менее и менее плотной. Отсюда поразительный вывод: по мере обращения расширения и экстраполяции назад во времени Вселенная будет становиться все более плотной, пока в какой-то момент в конечном прошлом не достигнет состояния бесконечной плотности. Это состояние представляет собой сингулярность, при которой кривизна пространства-времени вместе с температурой, давлением и плотностью становится бесконечной. Следовательно, оно образует край или границу самого пространства-времени. Термин «Большой взрыв», первоначально представлявший собой насмешливое выражение, придуманное Фредом Хойлом для характеристики начала Вселенной, предсказанного моделью Фридмана-Леметра, потенциально может ввести читателя в заблуждение, ведь расширение нельзя визуализировать извне (не существует «вне», так же как нет и «до» по отношению к Большому взрыву).

Таким образом, стандартная модель Большого взрыва, как стала называться модель Фридмана-Леметра, описывает Вселенную, которая не вечна в прошлом, а возникла определенное время назад. Более того, постулируемое ею происхождение есть абсолютное происхождение ex nihilo. Ибо не только вся материя и энергия, но и сами пространство и время возникают в начальной космологической сингулярности. Как подчеркивают Джон Бэрроу и Фрэнк Типлер, «в этой сингулярности возникли пространство и время; буквально ничего не существовало до сингулярности, поэтому, если Вселенная возникла в такой сингулярности, у нас действительно имеется сотворение ex nihilo».[2] В стандартной модели Вселенная возникает ex nihilo в том смысле, что в начальной сингулярности истинным является утверждение, что не существует более ранней пространственно-временной точки, или неверным является утверждение, что нечто существовало до сингулярности.

Безначальные модели

Хотя достижения в астрофизической космологии вызвали различные пересмотры стандартной модели[3], ничто не поставило под сомнение ее фундаментальное предсказание конечности прошлого и начала Вселенной. Действительно, как показывает Джеймс Синклер, история космогонии 20-го века являет собой парад множества неудачных теорий, пытавшихся предотвратить абсолютное начало, предсказанное стандартной моделью.[4] Эти безначальные модели неоднократно демонстрировались либо как физически несостоятельные, либо как подразумевающие то самое начало Вселенной, которого они так стремились избежать. Тем временем ряд примечательных теорем о сингулярности все больше сужал петлю вокруг эмпирически обоснованных космогонических моделей, показывая, что при все более и более общих условиях начало неизбежно. В 2003 году Арвинд Борде, Алан Гут и Александр Виленкин смогли показать, что любая Вселенная, которая в среднем находится в состоянии космического расширения на протяжении всей своей истории, не может быть бесконечной в прошлом, но должна иметь начало. В 2012 году Виленкин показал, что космогонические модели, не подпадающие под это единственное условие, не могут по другим причинам предотвратить начало Вселенной. Виленкин подытоживает: «В настоящее время не существует моделей, которые предоставили бы удовлетворительную модель Вселенной без начала».[5] С тех пор Виленкин лишь только усилил этот вывод: «У нас нет жизнеспособных моделей вечной Вселенной. Теорема БГВ дает основания полагать, что такие модели попросту невозможно сформулировать».[6]

Теорема БГВ доказывает, что классическое пространство-время при одном очень общем условии не может расширяться до бесконечности в прошлом, но должно достичь границы в какой-то момент в конечном прошлом. Либо существовало что-то по ту сторону этой границы, либо нет. Если нет, то эта граница — и есть начало Вселенной. Если что-то и было по ту сторону, то это была бы неклассическая область, описываемая еще не открытой теорией квантовой гравитации. В таком случае, говорит Виленкин, эта область и будет началом Вселенной.

Подумайте: если существует такая неклассическая область, то она не является вечной в прошлом в классическом смысле. Но судя по всему, она и не существует буквально вневременно, подобно тому, как философы считают абстрактные объекты вечными или богословы считают Бога вечным. Ибо предполагается, что она существовала до классической эры, и предполагается, что классическая эра возникла из нее, что, по-видимому, устанавливает временную связь между эрой квантовой гравитации и классической эрой.[7] В любом случае, такое квантовое состояние не является стабильным и поэтому либо сотворило бы Вселенную из вечности прошлого, либо не произвело бы ее вообще. Как утверждают Энтони Агирре и Джон Кехайяс,

«очень трудно разработать систему, особенно квантовую, в которой ничего не происходит «вечно», а затем она начинает развиваться. Истинно стационарное или периодическое квантовое состояние, которое длилось бы вечно, никогда не стало бы эволюционировать, тогда как состояние с какой-либо нестабильностью не будет длиться неопределенное время».[8]

Следовательно, сама эра квантовой гравитации должна была иметь начало, чтобы объяснить, почему всего около 14 миллиардов лет назад она перешла в классическое время и пространство. Следовательно, будь то на границе или в режиме квантовой гравитации, Вселенная начала существовать.

Сотворение из ничего

Пол Дэвис задает неизбежный вопрос:

«Что же вызвало Большой взрыв? . . . Можно считать, что причиной Большого взрыва является какая-то сверхъестественная сила, какая-то сила вне пространства и времени, или же можно предпочесть рассматривать Большой взрыв как событие без причины. Как мне представляется, у нас не слишком большой выбор. Либо . . . что-то вне физического мира. . . или же . . . это было событие без причины». [9]

Представляется метафизически абсурдным, что Вселенная возникла без причины, и поэтому следует предпочесть сверхъестественную силу. Однако некоторые ученые утверждают, что квантовая физика может объяснить происхождение Вселенной из ничего.

«Ничего»

К сожалению, некоторые из этих ученых обладают возмутительно наивным пониманием языка. Слово «ничего» является термином универсального отрицания. Оно означает «отсутствие чего-либо». Но поскольку слово «ничего» грамматически является местоимением, мы можем использовать его в качестве подлежащего или прямого дополнения предложения. Принимая «ничего» не в качестве термина универсального отрицания, а как слово, говорящее о чем-то, мы можем создавать всевозможные забавные ситуации. Если вы скажете: «У меня сегодня ничего не было на обед», какой-то остроумный парень может ответить: «Да ну? Каково оно было на вкус?» Использование таких слов отрицания, как «ничего», «никто» и «никого» в качестве единичных терминов, говорящих о чем-то, является шуткой.

Как же поразительно затем обнаружить, что некоторые физики, прекрасно понимающие свой язык, используют слово «ничего» именно в качестве единичного термина. Например, Лоуренс Краусс говорит нам с серьезным лицом, что:

«Существует множество форм ничего, [и] все они имеют физические определения».

«Законы квантовой механики говорят нам, что ничего является нестабильным».

«70% доминирующего вещества во Вселенной является ничем».

«Там ничего нет, но есть энергия».

«Ничего обладает определенным весом».

«Ничего — это практически все».[10]

Во всех этих утверждениях слово «ничего» рассматривается в качестве единичного термина, говорящего о чем-то, например, о квантовом вакууме или о квантовом поле. Но это физические реальности и, следовательно, они явно являются чем-то. Именование этих реальностей «ничего» в лучшем случае введет в заблуждение, гарантированно собьет с толку неспециалистов, а в худшем — преднамеренно исказит науку.

Возникновение из ничего

У Виленкина есть другое предположение относительно того, как Вселенная могла возникнуть буквально из ничего. Он объясняет,

«Современная физика может описать возникновение Вселенной как физический процесс, не требующий причины. Ничто не может быть создано из ничего, говорит Лукреций, хотя бы потому, что сохранение энергии делает невозможным создание чего-либо [то есть; нечто?] из ничего. . . .

Но в этом рассуждении есть лазейка. Энергия гравитационного поля отрицательна; вполне возможно, что эта отрицательная энергия могла бы компенсировать положительную энергию материи, сделав полную энергию космоса равной нулю…»

Если все сохраняющиеся числа замкнутой Вселенной равны нулю, то ничто не мешает такой Вселенной спонтанно возникнуть из ничего. А согласно квантовой механике с некоторой вероятностью произойдет любой процесс, который строго не запрещен законами сохранения. . . .

Что стало причиной появления Вселенной из ничего? А причина и вовсе не нужна». [11]

Предположим, что положительная энергия, связанная с материей, в точности уравновешена отрицательной энергией, связанной с гравитацией, так что в результате такого баланса энергия равна нулю. Ключевым ходом Виленкина является утверждение о том, что в таком случае «ничто не мешает такой Вселенной спонтанно возникнуть из ничего». Но это утверждение тривиально. С необходимостью следует, что если нет ничего, то нет ничего, что могло бы помешать возникновению Вселенной. Таким же образом, если нет ничего, то нет ничего, что позволило бы Вселенной возникнуть. Если бы было что-то, что могло бы предотвратить или позволить возникновение Вселенной, то это было бы что-то, а не ничего. Если ничего нет, то нет ничего, и точка.

Отсутствие чего-либо, препятствующего возникновению Вселенной, не означает метафизической возможности возникновения Вселенной из ничего. Для иллюстрации, если бы ничего не было, то не было бы ничего, что препятствовало бы возникновению Бога без причины, но это не означает, что такое явление метафизически возможно. Метафизически невозможно, чтобы Бог возник без причины, даже если бы ничего не мешало этому, потому что ничего не существовало бы.

Виленкин, однако, делает вывод, что «причина и вовсе не нужна» для возникновения Вселенной, потому что законы сохранения не помешали бы этому, и «согласно квантовой механике с некоторой вероятностью произойдет любой процесс, который строго не запрещен законами сохранения». Предположим, что если бы ничего не существовало, то и законы сохранения, и законы квантовой физики все же функционировали бы. На каком основании мы можем сделать вывод, что с учетом законов квантовой механики произойдет что-то, что строго не запрещено законами сохранения? Законы сохранения строго не запрещают отправление всех людей на небо Богом, но вряд ли это дает основания для оптимизма. Они также строго не запрещают Ему посылать всех в ад, и в этом случае произойдут оба исхода, что логически невозможно, так как они являются логически противоположными универсальными обобщениями. Этот аргумент можно изложить и без богословских рассуждений: законы сохранения строго не запрещают возникновение чего-либо, но они также не запрещают возникновение ничего, но и то, и другое не может произойти одновременно. Логически абсурдно полагать, что если что-то не запрещено законами сохранения, то значит, что оно произойдет.

Наконец, вывод Виленкина о том, что, поскольку положительная и отрицательная энергии во Вселенной в сумме равны нулю, следовательно, не требуется никакой причины для возникновения Вселенной, трудно принимать всерьез. Это все равно, что сказать, что если чьи-то долги уравновешивают его активы, то собственный капитал равен нулю, и поэтому нет никакой причины у чьего-то финансового положения! Кристофер Айшем справедливо отмечает, что для создания положительной и отрицательной энергии в первую очередь все еще необходимо «онтическое основание», даже если в итоге ее сумма равна нулю.[12]

Вывод

Учитывая метафизическую невозможность возникновения Вселенной из ничего, вера в сверхъестественного Творца в высшей степени разумна. По крайней мере, мы можем с уверенностью сказать, что человек, верящий в доктрину creatio ex nihilo, не находится в конфликте с эмпирическими данными космологии Большого взрыва, а, напротив, полностью следует им.

[1]John Wheeler, “Beyond the Hole,” в Some Strangeness in the Proportion, ed. Harry Woolf (Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1980), 354.

[2 HYPERLINK "https://www.reasonablefaith.org/writings/scholarly-writings/the-existence-of-god/big-bang-cosmology" HYPERLINK "https://www.reasonablefaith.org/writings/scholarly-writings/the-existence-of-god/big-bang-cosmology" HYPERLINK "https://www.reasonablefaith.org/writings/scholarly-writings/the-existence-of-god/big-bang-cosmology"]John Barrow and Frank Tipler, The Anthropic Cosmological Principle (Oxford: Clarendon Press, 1986), 442.

[3] В основном за счет добавления ранней инфляционной эры и ускоряющегося расширения.

[4] William Lane Craig and James Sinclair, “The Kalam Cosmological Argument,” in The Blackwell Companion to Natural Theology, ed. Wm. L. Craig and J. P. Moreland (Oxford: Wiley-Blackwell, 2009), 101-201; idem, “On Non-Singular Spacetimes and the Beginning of the Universe,” in Scientific Approaches to the Philosophy of Religion, ed. Yujin Nagasawa (London: Macmillan, 2012), 95-142.

На русском: «Новое естественное богословие», под редакцией Уильяма Крейга и Джеймса Морленда, Пер. с англ. (Серия «Богословие и наука»); М.: Издательство ББИ, 2014. – xiv + 801 с.

[5] Alexander Vilenkin, “Did the universe have a beginning?” http://www.youtube.com/watch?v=NXCQelhKJ7A. Cf. Audrey Mithani and Alexander Vilenkin, “Did the universe have a beginning?” arXiv:1204.4658v1 [hep-th] 20 Apr 2012, p. 1, где они заявляют: «Ни один из этих сценариев не может быть вечным в прошлом».

[6] Alexander Vilenkin, “The Beginning of the Universe,” Inference: International Review of Science 1/4 (Oct. 23, 2015), http://inference-review.com/article/the-beginning-of-the-universe.

[7] Кристофер Айшем отмечает, что, хотя квантовые космогонии «различаются в своих деталях, все они сходятся в той идее, что пространство и время каким-то образом возникают из чисто квантово-механической области, которую можно описать в некоторых отношениях, в категориях классического, воображаемого времени, в четырех пространствах» (C. Isham, “Quantum Theories of the Creation of the Universe,” in Quantum Cosmology and the Laws of Nature, second ed., ed. Robert Russell et al. [Vatican City State: Vatican Observatory, 1996], 75). Эта черта квантовой космогонии весьма проблематична, поскольку диахроническое возникновение времени явно непоследовательно. Но как понять синхронное появление времени как супервентной реальности в контексте космогонии? Разумнее всего будет сказать, что евклидово описание — это описание более низкого уровня классического пространства-времени до планковского времени. Итак, одна и та же реальность описывается на двух уровнях. Это означает, что, если у классического пространства-времени есть начало, то есть начало и у режима квантовой гравитации. Ибо они являются описаниями одной и той же реальности. В первом сингулярность является частью описания; в другом нет. Таким образом то, что предшествует планковскому времени, — это не эра квантовой гравитации как таковая; скорее это то, что предшествует классическому периоду, для которого описание квантовой гравитации является более фундаментальным описанием. Если это верно, то, учитывая начало классически описанной Вселенной, невозможно, чтобы Вселенная, описываемая квантовой гравитацией, не имела начала. Потому что это одна и та же Вселенная на разных уровнях описания.

[8] Anthony Aguirre and John Kehayias, “Quantum Instability of the Emergent Universe,” arXiv:1306.3232v2 [hep-th] 19 Nov 2013.

[9] Paul Davies, “The Birth of the Cosmos,” в God, Cosmos, Nature and Creativity, ed. Jill Gready (Edinburgh: Scottish Academic Press, 1995), 8-9.

[10] Все эти цитаты взяты из видеороликов Краусса, размещенных на YouTube, в том числе из его Мемориала Азимова “Nothing Debate” 1:20:25; лекции для американских атеистов 26:23; интервью для Ричарда Фидлера; дискуссии с Ричардом Докинзом в Arizona State Origins Project 37min.; и Стокгольмской лекции 46:37.

[11] Vilenkin, “The Beginning of the Universe.”

[12] Christopher Isham, “Quantum Cosmology and the Origin of the Universe,” лекция, представленная на конференции “Cosmos and Creation,” Cambridge University, 14 июля 1994.