Согласно теории космической инфляции, ранняя Вселенная начала расширятся экспоненциально, сразу после Большого Взрыва. Космологи выдвинули данную теорию в 1981 году, для объяснения нескольких важных проблем в космологии.
Одна из таких проблем – это проблема горизонта. Предположите на минуту, что Вселенная не расширяется. А теперь представьте, что в очень ранней Вселенной был выпущен фотон, который свободно летел, до момента столкновения с Северным полюсом Земли. А теперь представьте, что в то же время был выпущен фотон, на этот раз в направлении противоположном первому. Он должен был бы удариться в Южный полюс Земли.
Могут ли два данных фотона, обменяться какой-либо информацией, происходившей во время их создания? Очевидно, что нет. Потому, что время, необходимое для передачи данных от одного фотона – другому, в этом случае составит два возраста Вселенной. Фотоны обособлены. Они находятся за пределами горизонта друг – друга.
Тем не менее, наблюдения показывают, что фотоны, приходящие с противоположных направлений, каким-то образом взаимодействовали. Так как фоновая микроволновая космическая радиация имеет практически идентичную температуру во всех точках нашего неба.
Эта проблема может быть решена, принятием предположения, что некоторое время после Большого Взрыва, Вселенная расширялась экспоненциально. До этого момента, Вселенная могла иметь казуальный контакт и уравновешенную общую температуру. Регионы, находящиеся сегодня на большом расстоянии друг от друга, в ранней Вселенной находились очень близко. Это объясняет, почему фотоны, приходящие с разных направлений, практически всегда имеют идентичную температуру.
Простая модель, позволяющая понять расширение Вселенной, — похожа на раздувание воздушного шарика. Наблюдателю, находящемуся с любой стороны от шарика, может казаться, что он находится в центре расширения, так как все соседние точки становятся дальше.
Когда шарик надувается, расстояния между объектами на поверхности шарика около е60 = 1026. Это цифра с двадцатью шестью нолями. Она превосходит нормальные политико-экономические споры о инфляции.
Квантовые флуктуации
Давайте представим, что до того как шарик начали надувать, на нем была написана надпись. Настолько маленькая, что ее нельзя было прочесть. Надувание шарика, сделало послание читаемым. Это значит, что инфляция выступает в роле микроскопа, который показывает, что было написано на первоначальном шарике.
Похожим образом, мы можем рассмотреть квантовые флуктуации, которые были образованы в начале инфляции. Расширение космоса во время эпохи инфляции выступает в роли огромного микроскопа, который показывает квантовые флуктуации. Это оставляет отпечатки в фоновом микроволновом космическом излучении (более горячие и холодные регионы) и в расширении галактик.
При использовании классической физики, эволюция инфляционной Вселенной является однородной – каждая точка пространства развивается идентично. Однако, квантовая физика вносит некоторую неопределенность в начальные условия, для различных точек пространства.
Эти вариации действуют, как семена при формировании структуры. После периода инфляции, когда колебания усилятся, распределение материи будет немного отличаться, от места к месту во Вселенной. Сила притяжения формирует более плотные области, что приводит к образованию галактик.
Теория инфляции стала основной темой моей работы вскоре после того семинара в Гарварде, где я впервые о ней услышал. Надо сказать, что если бы я был более склонен к мистике, то мог бы заметить предзнаменования этого еще до семинара Гута. Определенные указания на отталкивающую гравитацию были как раз в той работе, которой я занимался в университете Тафтса.
Кампус Тафтса, стоящий на пологом склоне холма и окруженный тенистыми вязами, наполнен атмосферой изящества и покоя. Поднимаясь по ступеням на холм, к ядру кампуса, и проходя мимо укрытой ивами часовни в романском стиле, можно заметить странный памятник. Большая гранитная плита поднимается вертикально из земли подобно старинному надгробию. Надпись на ней гласит:
"Данный монумент воздвигнут Роджером У. Бэбсоном, основателем Фонда исследований гравитации. Он призван напоминать студентам о прекрасном будущем, когда будут открыты полуизоляторы, способные обуздать гравитацию как свободную энергию и сократить число авиакатастроф".
Это пресловутый антигравитационный камень, знак моей судьбы.
Роджер Бэбсон, основатель Бэбсоновского колледжа, был живым свидетельством того, как проницательность в управлении бизнесом может мирно уживаться с самыми ненаучными идеями. Он утверждал, что, опираясь на законы механики Ньютона, предсказал биржевой крах 1929 года и последовавшую за ним Великую депрессию. С Ньютоновой помощью он сколотил огромное состояние и в благодарность сэру Исааку выкупил помещение, служившее последним местом проживания Ньютона в Лондоне, а также яблоню из потомства того знаменитого дерева, которое росло возле родного дома Ньютона в Линкольншире. Согласно легенде, именно с него упало яблоко, которое навело Ньютона на мысль о гравитации. И, как вы могли догадаться, именно гравитация занимала центральное место во вселенной Бэбсона.
Одержимость Бэбсона гравитацией восходит к временам его детства, когда его сестра утонула в реке. Он винил в ее смерти гравитацию и решил освободить человечество от ее фатального притяжения. В своей книге "Гравитация - наш враг номер один" Бэбсон описывает преимущества, которые принес бы изолятор, противодействующий гравитации. Он бы уменьшил вес самолетов и повысил их скорость; его применение в подошвах обуви снизило бы вес при ходьбе. Знаменитый изобретатель Томас Эдисон, с которым Бэбсон дружил всю жизнь, навел его на мысль, что в коже птиц может содержаться некое антигравитационное вещество, и Бэбсон немедленно приобрел коллекцию из пяти тысяч птичьих чучел. Неясно, что именно он с ними потом делал, но, очевидно, это направление исследований не принесло успеха.
К чести Бэбсона надо признать, что он действительно вкладывал деньги в то, о чем говорил. Он сделал пожертвования нескольким университетам, включая Тафтский, чтобы способствовать антигравитационным исследованиям. Единственным условием этого гранта была установка в кампусе данного монумента с надписью.
Странное сооружение смущало администрацию Тафтса и послужило поводом для многочисленных студенческих забав. Время от времени оно исчезает, а потом появляется там, где его менее всего ожидают найти. Однажды оно преградило вход попечительскому совету и президенту университета в день вручения дипломов. В другой раз казалось, что камень действительно пропал, но чудесным образом он объявился на своем месте спустя десять лет. Оказалось, что группа студентов зарыла его где-то на территории кампуса, а затем выкопала и вернула на место на юбилейной встрече выпускников. Одной только гравитации было явно не под силу удержать камень на постаменте, так что в конце концов его закрепили в земле при помощи цемента.
Поскольку мало кто из ученых станет утверждать, что ведет активные исследования по антигравитации, получить деньги Бэбсона оказалось весьма непросто. Не то чтобы никто этого не пробовал: президент университета Джин Мейер, диетолог по специальности, безуспешно пыталась доказать, что потеря веса - это антигравитация. После многих лет дискуссий и юридических доказательств деньги наконец пошли на учреждение Института космологии Тафтса.
Как у любой уважающей себя академической организации, у нашего института есть свой уникальный ритуал - церемония "инаугурации" получающих докторскую степень по космологии. После защиты диссертации на голову новоиспеченного доктора, стоящего на коленях перед антигравитационным камнем, роняют яблоко. Оно падает из руки научного руководителя работы и должно быть съедено новоиспеченным доктором.
К моменту учреждения Института космологии Бэбсон уже давно умер, а его Фонд гравитационных исследований превратился в респектабельное учреждение, выдающее гранты на исследования по гравитационной тематике. Никто, естественно, не ждал, что космологи Тафтса станут изучать антигравитацию, но, как это ни удивительно, они занялись именно этим. Большая часть исследований в институте связана с ложным вакуумом и отталкивающей гравитацией, которую естественно считать антигравитацией. Так что, я думаю, мистер Бэбсон не смог бы найти лучшего применения своим деньгам. Даже несмотря на то, что мы так и не преуспели в сокращении числа авиакатастроф.
Глава 8. Вечная инфляция
Я думаю, самый вероятный ответ на вопрос о том, что было до инфляции, - еще большая инфляция.Из-за инфляции пространство между этими островами быстро расширяется, создавая место для рождения все новых островных вселенных. Таким образом, инфляция - это процесс, идущий вразнос, который остановился в наших окрестностях, но продолжается в других частях Вселенной, заставляя ее расширяться в бешеном темпе, постоянно выметывая новые островные вселенные, подобные нашей.
Энергия распада ложного вакуума зажигает горячий огненный шар из элементарных частиц, запускает процесс образования гелия и все последующие события стандартной космологии Большого взрыва. Таким образом, момент окончания инфляции играет в этом сценарии роль Большого взрыва. Если их отождествить, то нам уже не надо считать Большой взрыв одномоментным событием в нашем прошлом. Множество таких взрывов отгремело до него в отдаленных частях Вселенной, и бессчетное число других еще произойдет повсюду в будущем.
МТИ занимает громадный комплекс сооружений, где я не раз безнадежно терялся. Можно идти по коридору третьего этажа корпуса шесть и вдруг обнаружить, что уже находишься на четвертом этаже корпуса шестнадцать. Я решил не рисковать и выбрал простейший, хотя и самый длинный путь к цели - через главный вход (выделяющийся рядом коринфских колонн и увенчанный сверху зеленым куполом). Пройдя весь Бесконечный Коридор и поднявшись на несколько лестничных пролетов, я в итоге достиг офиса Гута.
Я рассказал Алану о случайном блуждании скалярного поля и о том, как описать его математически. И тут, в самой середине описания моей новой поразительной картины мира, я заметил, что Алан стал засыпать. Много лет спустя, узнав его получше, я понял, что он вообще очень сонлив. Мы организовали совместный семинар для космологов Бостона и окрестностей, и на каждом заседании Алан мирно засыпал спустя несколько минут после начала доклада. Удивительным образом, когда выступление заканчивалось, он просыпался и задавал самые глубокие вопросы. Алан отрицал наличие у него каких бы то ни было сверхъестественных способностей, но не все в это верили.
Оглядываясь назад, я понимаю, что должен был продолжать, но в то время, не зная о волшебной способности Алана, я быстро закруглился. Другие коллеги в своих отзывах тоже не проявляли энтузиазма. Физика - это наблюдательная наука, говорили они, так что мы должны воздерживаться от утверждений, которые не допускают проверки. Невозможно наблюдать ни другие большие взрывы, ни отдаленные области, где продолжается инфляция. Все они лежат за нашим горизонтом, и как нам убедиться в их реальном существовании? Я был сильно разочарован таким холодным приемом и решил включить эту работу в качестве раздела в статью по другой теме, посчитав, что она не заслуживает отдельной самостоятельной публикации.
Для объяснения идеи вечной инфляции в этой статье я использовал аналогию прогулки пьяницы у вершины холма. Пару месяцев спустя мне пришло письмо от редактора, в котором говорилось, что статья принята, за исключением того, что обсуждение пьяниц "неприемлемо для такого солидного журнала как The Physical Review ", и я должен заменить его более подходящей аналогией. Я слышал, что подобный инцидент произошел ранее с Сиднеем Коулманом. В его статье была диаграмма, которая выглядела как кружок с волнистым хвостиком. Коулман называл ее "диаграммой-головастиком". Как вы уже поняли, редактор счел и этот термин неприемлемым. "О"кей, - ответил Коулман, - давайте назовем ее диаграммой-сперматозоидом". В итоге без дальнейших комментариев была принята исходная версия статьи. Я прикинул возможность применить тактику Коулмана, но в итоге отказался от нее - не хотелось ввязываться в драку.
Я не возвращался к теории вечной инфляции почти 10 лет. Если не считать одного эпизода…
Мгновение вечности
Я переключился на работу, связанную с другими моими научными интересами, и постепенно мне самому стало казаться странным, что я был так одержим ненаблюдаемыми мирами. Но, по правде сказать, соблазн бросить взгляд за горизонт Вселенной никуда не девался. В 1986 году, не в силах ему больше противиться, мы с моим аспирантом Мукундой Арьялом (Mukunda Aryal) разработали компьютерную модель вечной инфляционной Вселенной.
Мне трудно даются технологии, и я в жизни не написал ни единой строчки программного кода. Но я очень хорошо понимаю, как "думают" компьютеры, и руководил несколькими крупными вычислительными проектами моих аспирантов. Поскольку я не мог проверять их код (а даже если б мог, не думаю, что это доставляло бы мне хоть какое-то удовольствие), я всегда опасался скрытых ошибок и относился к получаемым результатам с большой осторожностью. Поэтому я заставил Мукунду выполнить множество проверок, запуская моделирование для тривиальных случаев, где мы знали ответ заранее. Наконец, убедившись, что все работает отлично, мы приступили к настоящей работе.
Моделирование началось с маленького участка ложного вакуума, представленного светлым прямоугольником на экране компьютера. Спустя некоторое время стали появляться первые темные островки истинного вакуума. По мере того как границы этих островных вселенных продвигались в море инфляции, они быстро росли в размерах. Однако инфлирующая область расширялась еще быстрее, так что интервалы, разделяющие островные вселенные, увеличивались, а во вновь образованном пространстве возникали новые островные вселенные.
На картине, открывшейся после некоторого времени моделирования, были видны крупные островные вселенные, окруженные меньшими, вокруг которых располагались еще меньшие, и так далее. Это напоминало вид архипелага с самолета - узор, который математики называют фрактальным. На рис. 8.3 показан результат похожего, но более сложного моделирования, выполненного позднее моими студентами Виталием Ванчуриным и Сергеем Виницким (Vitaly Vanchurin and Serge Winitzki).
Мы с Мукундой опубликовали результаты моделирования в европейском журнале Physics Letters. Мое любопытство в отношении ненаблюдаемых вселенных теперь было удовлетворено и я переключился на другие работы. А данным вопросом тем временем вплотную занялся Андрей Линде.
Хаотическая инфляция Линде
Линде - настоящий герой инфляции, человек, который спас теорию посредством изобретения приплюснутого энергетического холма для скалярного поля. С 1983 года он работал над идеей о том, что Вселенная начинается из состояния первичного хаоса. Скалярное поле в этом состоянии беспорядочно меняется от точки к точке. В некоторых областях оно оказывается на вершине энергетического холма, и в таких местах происходит инфляция.
Линде понял, что полю не обязательно стартовать в верхней точке энергетического ландшафта. Оно может начинать скатываться вниз и с какой-то другой точки на склоне. Фактически энергетический холм может и не иметь верхней точки, вздымаясь ввepx без ограничений (рис. 8.4). У такого лишенного вершины - так сказать, топлес - холма есть дно - истинный вакуум, но нет определенного места для ложного вакуума. Его роль может играть любая точка на склоне, куда поле попало в исходном хаотическом состоянии, лишь бы это было достаточно высоко чтобы обеспечить необходимое для инфляции время скатывания. Линде описал эти идеи в статье, озаглавленной "Хаотическая инфляция".
Еще через несколько лет Линде изучил влияние квантовых флуктуаций на скалярное поле в данном сценарии. Неожиданно оказалось, что они тоже могут приводить к вечной инфляции, несмотря даже на то, что у энергетического холма нет плоской вершины.
Ключевое наблюдение Линде заключалось в том, что на больших высотах квантовые флуктуации становятся сильнее и могут толкать поле вверх против сил, тянущих его вниз по склону. Так что, если поле стартует высоко, оно не обращает большого внимания на склон и совершает случайные блуждания, как если бы находилось на вершине холма. Когда блуждания заносят его в низины энергетического ландшафта квантовые флуктуации слабее, поле начинает упорядоченно катиться вниз к состоянию истинного вакуума. Чтобы это случилось, требуется намного больше времени, чем на инфляционное удвоение, так что расширяющиеся области размножаются быстрее, чем распадаются, что опять же приводит к вечной инфляции.
Здесь я должен остановиться и прояснить терминологическое недоразумение, связанное с данной темой. Вечную инфляцию часто путают с хаотической, хотя это совсем разные вещи. Название "хаотическая" указывает на случайность начального состояния и не имеет никакого отношения к вечному характеру инфляции. Линде показал, что хаотическая инфляция также может быть вечной, но этим связь между теориями исчерпывается. Для ясности я в дальнейшем ограничусь обсуждением первоначальной модели инфляции с приплюснутым энергетическим холмом. Вечная инфляция на безверхом холме выглядит похожим образом.
Статья Линде о вечной инфляции вызвала не больше энтузиазма, чем моя, опубликованная тремя годами раньше. Однако его реакция была иной. Он не сдавал позиций, продолжал исследования по данному направлению и неоднократно выступал с докладами о своих результатах. Тем не менее физическое сообщество не поддавалось его нажиму. Понадобилось почти двадцать лет, чтобы удача повернулась лицом к вечной инфляции.
Глава 9. Говорящие небеса
Когда в 1980 году Алан Гут предложил теорию инфляции, это была не более чем спекулятивная гипотеза. Но к концу 1990-х она уже была близка к тому, чтобы стать краеугольным камнем современной космологии. Появившиеся новые наблюдения подтвердили предсказания теории, причем весьма неожиданным способом.
Возвращение космологической постоянной
Самое главное предсказание инфляции состоит в том, что наблюдаемая область Вселенной должна быть плоской, то есть иметь евклидову геометрию. Вселенная в целом вполне может быть сферической или иметь более сложную форму, но наш горизонт охватывает лишь крошечную ее часть, и поэтому мы не можем отличить ее геометрию от плоской. Как уже говорилось в главе 4, это утверждение эквивалентно тому, что средняя плотность Вселенной должна быть с очень высокой точностью равна критической.
В период появления теории инфляции астрономы относились к ее предсказаниям весьма скептически. Обычное вещество, состоящее из протонов, нейтронов и электронов, обеспечивает лишь несколько процентов от критической плотности. Существует также намного большее количество так называемой темной материи , состоящей из каких-то неизвестных частиц. В соответствии с ее названием темную материю нельзя наблюдать непосредственно, но ее присутствие проявляется гравитационным притяжением, действующим на видимые объекты. Наблюдения за движением звезд и галактик говорят о том, что масса темной материи примерно в десять раз больше массы обычной. И все-таки, даже если сложить оба этих вида массы, во Вселенной набирается лишь около 30 процентов критической плотности, до нужного значения не хватает еще 70 процентов.
Таковы были представления до 1998 года, когда две независимые исследовательские группы объявили о поразительном открытии. Они измерили яркость взрывов сверхновых в далеких галактиках и использовали эти данные для уточнения истории космологического расширения. К своему огромному удивлению, они обнаружили, что вместо замедления под действием гравитации скорость расширения в действительности возрастает. Это открытие говорило о том, что Вселенная заполнена некой гравитационно отталкивающей субстанцией. Простейшая возможность состоит в том, что истинный вакуум, в котором мы обитаем, имеет ненулевую плотность массы. Как мы знаем, вакуум является гравитационно отталкивающим, и если его плотность превышает половину плотности массы вещества, суммарным результатом будет отталкивание.
Плотность массы истинного вакуума - это то, что Эйнштейн называл космологической постоянной, идея, которую он сам объявил своей величайшей ошибкой. Она была похоронена почти на 70 лет, но сегодня, похоже, не выглядит такой уж неудачной. Как мы увидим далее, неожиданное возвращение космологической постоянной привело к глубокому кризису в физике элементарных частиц. Однако для теории инфляции это стало чрезвычайно благоприятным поворотом событий. Плотность массы вакуума, оцененная по величине космологического ускорения, составляет около 70 процентов критической плотности - в точности столько, сколько требуется, чтобы сделать Вселенную плоской!
Этот вывод был позднее подтвержден наблюдениями космического микроволнового излучения. Вместо того чтобы полагаться на фридмановскую связь между геометрией Вселенной и ее плотностью, микроволновые наблюдения позволяют напрямую определить геометрию пространства - по сути, путем измерения суммы углов огромного узкого треугольника одна вершина которого находится на Земле, а две другие - в точках испускания микроволн, приходящих к нам от двух близких точек на небе. (Длинные стороны этих треугольников имеют сегодня протяженность около 40 миллиардов световых лет.) В плоском пространстве, как известно еще со школьных уроков геометрии, сумма углов должна составлять 180 градусов. Большее значение суммы трех углов будет указывать на замкнутую Вселенную со сферической геометрией (рис. 9.1), а меньшее - на открытую с седлообразной. Микроволновые наблюдения показывают, что в действительности сумма углов очень близка к значению, которое соответствует плоскому пространству. Эти результаты можно выразить иначе, используя фридмановское соотношение между геометрией и плотностью. Самые последние измерения в таком случае указывают на то, что плотность Вселенной равна критической с точностью не хуже 2 процентов - впечатляющий успех инфляционной космологии.
Образы пылающего прошлого
Другим триумфом инфляции было объяснение небольших возмущений плотности, едва заметной ряби, которая позднее превратилась в галактики. Теория инфляции дала четкое предсказание: величина возмущений должна быть примерно одинаковой на всех астрофизических масштабах длины - от характерных межзвездных расстояний (в несколько световых лет) и вплоть до размеров всей видимой Вселенной. К началу 1990-x наблюдатели были готовы проверить это предсказание.
Как уже говорилось в главе 4, первичная рябь оставляет отпечаток в фоновом космическом излучении. Это послесвечение Большого взрыва было испущено 13 миллиардов лет назад и сейчас приходит к нам со всех направлений на небе. С самого открытия этого излучения в середине 1960-х годов космологи догадывались, что в нем скрыт образ ранней Вселенной. Однако первичные неоднородности были столь малы - всего одна стотысячная от средней интенсивности, - что долгие годы оставались за пределами точности измерений, и наблюдался лишь идеально однородный фон. Прорыв случился в 1992 году, когда был запущен спутник СОВЕ (Cosmic Background Explorer, "исследователь космического фона"). Он построил полную карту неба, измерив излучение, приходящее со всех направлений, и впервые смог различить едва заметные вариации его интенсивности.
Карта СОВЕ напоминает расфокусированную фотографию: на ней видны только крупные особенности космического огненного шара, а более тонкие детали, меньше примерно 7 градусов на небе, совершенно размыты. (Для сравнения: Луна видна под углом полградуса.) За СОВЕ последовала серия других экспериментов все возрастающей точности. Последним из них стала другая спутниковая миссия WMAP. На изображении огненного шара, полученном WMAP (рис. 4.2), различимы детали размером в 1/5 градуса, то есть оно в 30 раз более резкое, чем первоначальная карта СОВЕ.
По мере сбора данных постепенно, шаг за шагом, проступала картина первичной ряби. И, что поразительно, она оказывалась в полном согласии с предсказаниями теории инфляции! Эти свидетельства ранней горячей эпохи оставались на небе миллиарды лет, дожидаясь, пока их откроют и расшифруют. И вот теперь небеса наконец заговорили.
В ближайшие годы инфляции предстоит пройти через серию новых наблюдательных проверок. Физическая теория может подтверждаться экспериментом, но никогда не может быть доказана. С другой стороны, одного твердо установленного факта достаточно, чтобы ее опровергнуть. Например, инфляция предсказывает, что плотность должна быть равна критической с точностью 1 к 100 000 . Так что, если будущий эксперимент обнаружит более значительное отклонение, инфляция окажется в трудном положении.
Новое поколение миссий по исследованию микроволнового фона включает спутник "Планк" , который еще более повысит разрешение изображения, а также наземную обсерваторию QUIET, которая будет с высокой точностью измерять ориентацию электрического поля (поляризацию) микроволн. Поляризационный узор чувствителен к наличию гравитационных волн - крошечных вибраций геометрии пространства-времени. Этот эффект может служить для проверки еще одного предсказания инфляционной теории: мы должны быть погружены в гравитационно-волновое море с очень широким спектром длин волн - от размеров меньше Солнечной системы и до самых больших наблюдаемых масштабов. Амплитуда этих волн определяется энергией ложного вакуума - движущей силы инфляции. Чем выше энергия, тем больше волны. Так что, если QUIET зарегистрирует гравитационные колебания, мы получим возможность определить энергию ложного вакуума, вызывающего инфляционное расширение. Это стало бы важным шагом к пониманию инфляции и ее связи с физикой микромира.
По мере поступления новых данных мои мысли все чаще обращались к заброшенной идее вечной инфляции. Главным аргументом против нее было то, что она рассматривает Вселенную за нашим горизонтом, которая недоступна для наблюдения. Но если теория инфляции поддерживается данными в наблюдаемой части Вселенной, не следует ли нам доверять и ее заключениям о регионах, которые мы не можем наблюдать?
Если я брошу камень в черную дыру, то, используя теорию относительности, смогу описать, как он падает к ее центру и как разрушается и испаряется под действием колоссальных гравитационных сил. Все это невозможно наблюдать снаружи, поскольку ни свет, ни какой-либо другой сигнал не может вырваться изнутри черной дыры. И все же лишь немногие поставят под вопрос точность моего описания. У нас есть все основания полагать, что теория относительности действует внутри черных дыр точно так же, как и снаружи. То же самое можно теперь сказать и про теорию инфляции. Надо попробовать извлечь из нее все, что она может рассказать о величественном устройстве Вселенной, ее происхождении и конечной судьбе.
Глава 10. Бесконечные острова
Я бы и в ореховой скорлупе считал себя властелином необъятного пространства.Шекспир, "Гамлет" (Пер. К.Р. (Константина Романова)
Будущее цивилизаций
Вопрос, заставивший меня думать о вечной инфляции, больше напоминает научную фантастику, чем физику. Он касался будущего разумной жизни во Вселенной. Отдаленные перспективы любой появившейся цивилизации выглядят довольно мрачными. Даже если она избежит природных катастроф и самоуничтожения, она в конце концов лишится энергии. Звезды рано или поздно умирают, и все остальные источники энергии тоже исчерпываются. Но теперь вечная инфляция, похоже, дает некоторую надежду.
Умрут звезды в наших космических окрестностях, но бесконечное число новых звезд появится в будущих больших взрывах бесконечной инфляции. Видимая нам область - это лишь крошечная часть одного острова Вселенной, затерянного в инфляционном море ложного вакуума (см. рис. 8.3). Посреди этого моря постоянно возникают новые островные вселенные с мириадами новых звезд.
На самом деле образование звезд будет продолжаться всегда, даже внутри нашей собственной островной вселенной. Ее границы все время наступают на инфляционное море. Их неумолимое продвижение вызвано распадом ложного вакуума в прилегающих инфляционных областях. Фактически эти границы - это области, где Большой взрыв происходит прямо сейчас. Вновь образовавшиеся вселенные микроскопически малы, но с возрастом они безгранично растут. Центральные части больших островов Вселенной очень стары. Они темны и пустынны: все звезды здесь давно умерли, а жизнь исчезла. Но области по краям островов совсем молодые и должны быть полны сияющих звезд.
Высокоразвитая цивилизация может захотеть отправить миссию для колонизации вновь образовавшихся звездных систем у границы своего острова. На худой конец, они могут хотя бы послать сообщение новым цивилизациям, развивающимся вблизи границы или в других островных вселенных. Те цивилизации могут, в свою очередь, послать сообщения следующим, и так далее. Если мы пойдем по этому пути, то можем стать ветвью вечно растущего "древа" цивилизаций, и наша аккумулированная мудрость не будет полностью потеряна.
Эти сценарии предложил Андрей Линде в статье "Жизнь после инфляции" , и мне захотелось узнать, возможен ли хоть один из них в действительности, по крайней мере в принципе. Линде проанализировал различные аспекты этой проблемы, но не пришел к какому-то определенному выводу. Тот факт, что где-то во Вселенной звезды образовались позже, чем здесь, не означает, что мы можем попасть туда за доступное время. С другой стороны, благодаря Эйнштейну мы знаем, что понятия "раньше" и "позже" не абсолютны и могут зависеть наблюдателя. Чтобы продвинуться в решении данной задачи мне надо было понять структуру пространства-времени вечно инфлирующей Вселенной.
Как говорилось в главе 2, пространство и время в теории относительности объединены в четырехмерную сущность, называемую пространством-временем . Точка в нем - это событие имеющее определенное положение и время. Рассмотрим два события, которые могли бы привлечь ваше внимание, - например, встречу выпускников вашего класса здесь, на Земле, и межзвездный матч по суперболу, запланированный через 3 года на альфе Центавра, удаленной от нас примерно на 4 световых года. Вопрос: можете ли вы успеть на оба эти мероприятия?
Ответ можно найти, вычислив так называемый пространственно-временной интервал между двумя событиями. В пространстве-времени он играет роль, аналогичную расстоянию между точками в пространстве. Его математическое определение сейчас несущественно; зато важно, что интервалы могут быть двух типов: пространственно-подобные и времени-подобные . Интервал времени-подобен, если материальный объект может добраться от одного события до другого, не нарушая базового принципа теории относительности - невозможности двигаться быстрее скорости света. В этом случае все наблюдатели согласятся, какое из двух событий произошло раньше, а какое - позже. Напротив, если добраться от одного события до другого невозможно (то есть если это требует сверхсветовой скорости), - интервал пространственно-подобный. Ни одно из этих двух событий не может быть причиной другого. Эйнштейн показал, что временной порядок таких событий зависит от наблюдателя и всегда можно найти наблюдателя, для которого они происходят одновременно.
В нашем примере с альфой Центавра интервал оказывается пространственно-подобным, так что вам придется выбрать какому событию отдать предпочтение. Конечно, в данном случае нетрудно получить ответ, даже не вычисляя интервал. За три года свет проходит путь в три световых года, а чтобы преодолеть четыре - расстояние до альфы Центавра, - вам пришлось бы двигаться быстрее света. В искривленном пространстве-времени вселенной с бесконечной инфляцией анализ несколько усложняется, и вычислять интервал все-таки приходится.
Пространство-время островной вселенной схематически изображено на рисунке 10.1. Вертикальное направление соответствует времени, а горизонтальное - одному из трех пространственных измерений; два других измерения опущены. Каждая горизонтальная линия - это мгновенный снимок вселенной в некоторый момент времени. Историю островной вселенной можно проследить, начиная с горизонтальной пунктирной линии, помеченной "до", в нижней части рисунка и постепенно двигаясь вверх. (Момент времени, соответствующий этой линии, относится к инфлирующей части пространства-времени, где островная вселенная еще не образовалась.) Толстая сплошная линия, помеченная словами "Большой взрыв", - это граница между островной вселенной и инфлирующей частью пространства-времени. Точка, отмеченная черной галактикой, - это "здесь и сейчас", а белыми галактиками обозначены области, где условия похожи на те, что сегодня мы наблюдаем вокруг себя. Горизонтальная пунктирная линия, помеченная сейчас", изображает настоящее время. Она соответствует островной вселенной с пустынным центральным регионом и областями звездообразования вблизи границ.
Несложный расчет показывает, что все Большие взрывы, расположенные вдоль сплошной линии на рисунке, разделены пространственно-подобными интервалами. Для меня это стало важнейшим наблюдением, которое позволило сформулировать мой собственный ответ на вопрос о будущем цивилизаций. Оно также полностью изменило мои представления об островных вселенных.
Пространственно-подобный тип интервалов говорит о невозможности попасть от одного события Большого взрыва к какому-либо другому. Иными словами, вы не можете держаться на краю островной вселенной, поскольку ее края раздвигаются быстрее света. Выходит, мы никогда не сможем достичь берегов инфляционного моря и погреться в лучах новых солнц, которые будут там рождены. И мы не можем послать никакого сообщения будущим цивилизациям, которые разовьются вокруг этих солнц, поскольку никакой сигнал не может распространяться быстрее света. Печально, но вечная инфляция, похоже, не благоприятствует долгосрочным перспективам человечества.
Возможно, вас удивляет сверхсветовое расширение островных вселенных, поскольку оно выглядит противоречащим энштейновскому запрету на движение быстрее света. Однако этот запрет весьма избирателен: он относится только к движению материальных объектов (включая излучение, такое как цветовые или гравитационные волны) друг относительно друга, тогда как границы островной вселенной - это геометрические сущности, которые не обладают какой-либо массой или энергией. Сверхсветовое расширение границ означает, что последовательные Большие взрывы не могут быть причинно связаны между собой. Они не похожи на домино, где падение одной костяшки вызывает падение следующей. Распространение распада вакуума предопределяется рисунком скалярного поля, порожденным во время инфляции. Поле меняется в пространстве очень плавно, и в результате вакуум в соседних областях распадается почти одновременно. Вот почему Большие взрывы следуют друг за другом в такой быстрой последовательности, а граница расширяется столь стремительно.
Время не имеет значения
Признаюсь Тебе, Господи, я до сих пор не знаю, что такое время.Святой Августин
Но что же мы все-таки имеем в виду, говоря о том, что Большой взрыв у границы островной вселенной случился позже, чем в ее центральной области? Раз все интервалы между всеми событиями Большого взрыва пространственно-подобны, значит, между наблюдателями будут разногласия по вопросу о том, какое из этих событий случилось раньше, а какое позже. Кому из них мы должны верить? Сейчас мы постараемся прояснить этот вопрос. Наш анализ может показаться довольно запутанным, но его стоит проделать, поскольку он приведет нас к некоторым далеко идущим выводам.
В качестве разминки рассмотрим сначала однородную вселенную, описываемую одной из моделей Фридмана. В любой момент времени материя в ней однородно распределена в пространстве. Может показаться, что это тривиально, но должны определить, что значит "момент времени".
Когда космологи говорят о "моменте времени", они представляют себе огромное число наблюдателей, снабженных часами и разбросанных по всей вселенной. Каждый наблюдатель видит лишь небольшую область непосредственно вокруг себя, так что для описания вселенной в целом необходимо все сообщество наблюдателей. Мы можем считать себя одним из его членов. Наши часы сейчас показывают 14 миллиардов лет ПБВ . "То же самое время" в другой части вселенной наступит, когда на часах находящегося там наблюдателя появятся те же показания. Мы должны решить теперь, как наблюдателям, находящимся за горизонтом друг друга, синхронизировать свои часы.
В случае фридмановской вселенной ответ очевиден: в ней Большой взрыв - это естественное начало времен, так что каждый наблюдатель должен отсчитывать время от него. При таком определении одновременности плотность материи, измеренная всеми наблюдателями в одно и то же время, окажется одинаковой, а значит, вселенная будет однородной.
В принципе допустимо рассматривать совокупность наблюдателей, чьи часы выставлены по-разному. Например, мы можем сместить начало отсчета времени на некоторую величину относительно Большого взрыва и сделать так, чтобы эта величина менялась от одной области пространства к другой. Тогда вселенная будет выглядеть очень сложной и неоднородной. Разумеется, никто в здравом уме не станет использовать такое описание. Оно значительно усложняет анализ и скрывает истинную природу фридмановской вселенной. Но не всегда все бывает так просто.
Возвращаясь к вселенной с бесконечной инфляцией, рассмотрим сначала крупную область, подобную той, что показана на рисунке 8.3, включающую как островные вселенные, так и зоны, охваченные инфляцией. В такой области нельзя естественным образом выбрать начало отсчета времени. Поэтому определение "момента времени" становится в значительной мере произвольным, единственное условие состоит в том, что все события "момента" должны быть разделены пространственно-подобными интервалами. Если выбрать начальный момент достаточно рано, когда вся область находится в состоянии ложного вакуума, в дальнейшем в ней, как мы уже обсуждали в предыдущей главе, появятся и станут расширяться островные вселенные. Однако порядок их появления, а также темп и формы, приобретаемые ими по мере расширения, могут весьма сильно меняться в зависимости от выбора начального момента.
Допустим теперь, что мы интересуемся одной конкретной островной вселенной и хотим описать ее с точки зрения ее обитателей. Тогда ситуация оказывается совершенно иной. Как и в случае фридмановской вселенной, существует естественный выбор для начала времени. Все населяющие островную вселенную наблюдатели могут отсчитывать его от Большого взрыва - каждый в своем месте. Другими словами, Большой взрыв можно выбрать в качестве начального "момента времени". Такой выбор ведет к новой, радикально отличающейся картине островной вселенной. Чтобы различать описания большой области и отдельного острова, договоримся называть их соответственно внешним (глобальным) видом и внутренним (локальным).
Внутренний вид островной вселенной представлен на рисунке 10.2. Как и раньше, момент Большого взрыва изображен сплошной кривой, помеченной "Большой взрыв". Плотность вещества во всех событиях на этой кривой практически одинакова и определяется плотностью распадающегося ложного вакуума. Таким образом, на локальном виде островная вселенная почти однородна. Настоящий момент времени здесь представлен пунктирной линией, помеченной "сейчас", которая совпадает с рядом галактик на рисунке. Все точки на этой линии характеризуются одинаковой средней плотностью вещества и одинаковой концентрацией звезд - такой же, как наблюдается вблизи нас. Но самое замечательное - с локальной точки зрения островная вселенная бесконечна!
На глобальном виде островная вселенная растет по мере распространения Большого взрыва по ее границам, и, если подождать достаточно долго, она станет сколь угодно большой, однако с локальной точки зрения Большой взрыв случился единомоментно, а островная вселенная была бесконечно велика с самого начала. На рисунке 10.2 этой бесконечности соответствует тот факт, что сплошная линия Большого взрыва нигде не заканчивается. Если продолжить эту кривую, то ее отданные точки будут соответствовать все более поздним событиям Большого взрыва с глобальной точки зрения и все более далеким областям в начальный момент - с локальной. Бесконечность времени в рамках одного взгляда трансформируется в бесконечность пространства в рамках другой.
Большая картина
Попробуем подвести краткие итоги. Если бы каким-то образом нам удалось извне наблюдать Вселенную бесконечной инфляции, подобно тому как наблюдают Землю из космоса, мы увидели бы множество вселенных, разбросанных по обширному инфляционному морю ложного вакуума. В случае замкнутости Вселенной открывшийся перед нами вид мог бы чем-то напоминать глобус с континентами и архипелагами, окруженными океаном. Этот глобус с ошеломительной скоростью расширяется, островные вселенные тоже чрезвычайно быстро увеличиваются, а между ними постоянно появляются крошечные новые острова и немедленно принимаются расти. Число островных вселенных быстро умножается и становится бесконечным в пределе бесконечного будущего.
Обитатели островных вселенных, подобно нам, видят совершенно иную картину. Их вселенная не воспринимается ими как конечного размера остров. Она представляется им самостоятельной бесконечной вселенной. Граница между их вселенной и инфляционной частью пространства-времени - это Большой взрыв, случившийся в определенный момент в прошлом. Мы не можем добраться до инфляционного моря просто потому, что невозможно переместиться в прошлое.
Весьма примечательно, что "большая" Вселенная, содержащая все бесконечные островные вселенные, может быть замкнутой и конечной. Кажущееся противоречие разрешается, если принять во внимание, что понятие внутреннего времени в островных вселенных отличается от "глобального" времени, которое надо использовать для описания пространства-времени в целом. В глобальном времени внешние части островных вселенных еще не образовались и завершат свое формирование лишь в бесконечно отдаленном будущем, тогда как во внутреннем времени островная вселенная возникает единомоментно. Структура пространства-времени замкнутой Вселенной бесконечной инфляции изображена на рисунке 10.3.
Неожиданная особенность островных вселенных, состоящая в том, что изнутри они выглядят бесконечными, оказалась весьма важной: в дальнейшем она привела меня к выводу, который, возможно, является самым поразительным следствием вечной инфляции.
Глава 11. Да здравствует король!
Не должны ли все вещи, которые могут случиться, уже случиться, произойти, быть совершены в прошлом?Подсчет историй
Но конечным является не только число различных состояний О-региона - то же самое можно сказать и о числе его возможных историй.
История описывается цепочкой состояний в последовательные моменты времени. Такие понятия, как история, по-видимому, очень сильно различаются в квантовой и классической физике. В квантовом мире будущее не определяется однозначно прошлым. Одни и те же начальные условия могут вести множеству разных исходов, и мы можем подсчитывать лишь их вероятности. В результате диапазон возможностей значительно расширяется. Но квантовая неопределенность вновь не позволяет нам различить истории, которые слишком похожи одна на другую.
Квантовая частица, как правило, не имеет однозначно определенной истории. Это неудивительно, поскольку, как мы знаем, у нее нет и четко определенного положения. Но неопределенность не означает, что мы просто не знаем, по какому пути движется частица от своего источника к детектору. Ситуация куда удивительнее: похоже, что частица следует одновременно по множеству различных путей и все они вносят свой вклад в исход процесса.
Это шизофреническое поведение лучше всего иллюстрируется знаменитым двухщелевым экспериментом (рис. 11.4). Установка состоит из источника света и фотопластинки, которая закрыта непрозрачным экраном с двумя узкими щелями. Свет проникает через щели и создает изображение на пластинке. Эксперимент впервые поставил в начале XIX века английский физик Томас Юнг. Он обнаружил, что изображение складывается из чередующихся светлых и темных полосок. Свет от обеих щелей падает на все точки фотопластинки. Но в одни места световые волны приходят в фазе (гребни и впадины двух волн совпадают), усиливая друг друга, тогда как в других местах они оказываются в противофазе (гребни одной волны приходятся на впадины другой) и взаимно гасятся. Так узор из полосок объясняется волноподобной природой света.
Удивительные вещи начинаются, когда мы уменьшаем интенсивность источника света до такого уровня, что фотоны испускаются им поштучно - один за другим. Каждый фотон оставляет пятнышко на фотопластинке. Сначала они располагаются беспорядочно, но поразительно, что спустя некоторое время они складываются в узор, в точности совпадающий с полосками, которые получались раньше. Фотоны попадают на экран по отдельности, поэтому те, что прошли через одну щель, не могут взаимодействовать с теми, что прошли через другую. Но как тогда им удается "усиливать" или "гасить" друг друга?
Чтобы глубже разобраться в вопросе, можно посмотреть, что случится, если вынудить фотоны проходить через одну или через другую щель. Допустим, мы выполняем эксперимент, открыв только одну щель, а затем на столько же времени открываем другую, не меняя фотопластинку. Поскольку фотоны проходят через установку по одному, это не должно внести изменений, и мы ожидаем получить тот же узор. Верно? Нет. В этой модифицированной версии эксперимента никаких полосок не наблюдается, а на снимке будут только очертания двух щелей.
Отсюда вытекает, что представление, будто фотон проходит через одну из щелей, не обращая внимания на то, открыта ли другая, неверно. Когда открыты обе щели, фотон каким-то образом "чувствует" две возможные истории, которым он может следовать. Они совместно определяют вероятность того, что фотон попадет в конкретное место на пластинке. Этот феномен называется квантовой интерференцией между историями.
Квантовая интерференция редко проявляется столь наглядно, как в двухщелевом эксперименте, но она влияет на поведение каждой частицы во Вселенной. Двигаясь из одного места в другое, частицы "разнюхивают" множество различных маршрутов, так что вместо четко определенного прошлого мы имеем запутанную сеть интерферирующих историй.
Как тогда можно быть уверенным, что некоторое событие действительно имело место? Как придать смысл понятию истории? Ответ вновь возвращает нас к крупнозернистому описанию.
Как и прежде, разделим пространство на маленькие ячейки и зададим крупнозернистое состояние системы (О-региона в нашем случае) путем указания "адресов" ячеек для всех частиц. Крупнозернистая история задается последовательностью таких состояний через равные интервалы времени, например, каждые две секунды. Подчеркнем важный момент: эффект интерференции обычно силен только для очень близких друг к другу историй. Если увеличивать размеры ячеек и интервалы времени, то разные крупнозернистые истории станут все сильнее и сильнее отличаться друг от друга, и в некоторый момент их интерференция окажется совершенно ничтожной. После этого можно говорить об альтернативных историях системы.
Формализм квантовой механики в терминах крупнозернистых историй был относительно недавно, в 1990-х годах, разработан Робертом Гриффитсом, Роланом Омнэ, Джеймсом Хартлом и Мюрреем Гелл-Манном (Robert Griffiths, Roland Omnes, James Hartle and Murray Gell-Mann). Они обнаружили, в частности, что минимальный размер ячеек, при котором еще можно говорить об определенности истории, как правило, является микроскопическим, а минимальный интервал времени - это крошечная доля секунды. Неудивительно, что в макроскопическом мире человеческого опыта история представляется хорошо определенной.
Крупнозернистая история протекает за конечное число шагов, и любая ограниченная во времени история должна состоять из конечного числа моментов. В каждый момент система может находиться лишь в конечном числе состояний, а значит, и число различных историй системы должно быть конечным.
Мы с Хауме, по-быстрому прикинув на обороте конверта, оценили число возможных историй О-региона от Большого взрыва до наших дней. Как и следовало ожидать, получилось еще одно "гуголплексное" число: 10 в степени 10 150 . Действительное количество квантовых состояний и историй О-региона не так важно, но конечность их числа имеет важные последствия для нашей дискуссии.
История повторяется
Давайте рассмотрим ситуацию внимательнее. Она возникла как следствие теории инфляции, согласно которой островные вселенные бесконечны внутри и каждая из них содержит бесконечное множество О-регионов. Она также опирается на квантовую механику, говорящую, что существует лишь конечное число историй, которые могут реализоваться в любом О-регионе. Объединяя эти два утверждения, мы с неизбежностью приходим к выводу, что каждая конкретная история должна повторяться бесконечное число раз. Согласно квантовой механике, все, что строго не запрещено законами сохранения, имеет ненулевую вероятность реализации, а значит, наверняка случилось в бесконечном числе О-регионов!
Среди этих бесконечно повторяемых сценариев должны быть весьма странные истории. Например, планета, похожая на нашу Землю, может вдруг сколлапсировать в черную дыру. Или она может испустить колоссальный импульс излучения и перейти на другую орбиту, значительно ближе к центральной звезде. Такие происшествия чрезвычайно маловероятны, но это лишь означает, что придется перебрать очень много О-регионов, прежде чем найдется такой, в котором это случилось.
Удивительным следствием этой новой картины мира является существование бесконечного числа миров, идентичных нашему. Да, дорогой читатель, десятки ваших дублей держат сейчас в руках эту книгу. Они живут на планетах, в точности таких же, как наша Земля со всеми ее горами, городами, деревьями и бабочками. Эти земли обращаются вокруг точных копий Солнца, и каждое солнце принадлежит огромной спиральной галактике - точной копии нашего Млечного Пути.
Как далеко находятся все эти земли, населенные нашими дублями? Мы знаем, что материя, содержащаяся в нашем О-регионе, может находиться в 10 в степени 10 90 различных состояний. Объем, содержащий, скажем, гуголплекс (10 в степени 10 100 ) О-регионов, должен исчерпать все возможности. Такой объем будет иметь поперечник порядка гуголплекса световых лет. На больших расстояниях О-регионы, включая наш, будут повторяться.
Должны также существовать регионы, где истории немного отличаются от нашей, со всеми возможными вариациями. Когда Юлий Цезарь со своими легионами стоял на берегу реки Рубикон, он знал, что должен принять важнейшее решение. Переход реки станет государственной изменой, и пути назад уже не будет. Со словами "Jacta alea est!" - "Жребий брошен!" - он приказал войскам идти вперед. И жребий действительно был брошен: на некоторых землях Цезарь стал римским диктатором, а на других он был разбит, подвергнут пыткам и казнен как враг государства. Конечно, на большинстве земель никогда не было человека по имени Цезарь, а в большинстве мест Вселенной нет ничего похожего на нашу Землю, поскольку существует гораздо больше других возможных вариантов развития помимо простого повторения.
Весьма символично, что эта сюрреалистичная картина мира появилась в городке, пропитанном духом Сальвадора Дали. Подобно живописи Дали, она смешивает странные, кошмарные детали с привычной реальностью. И тем не менее это прямое следствие инфляционной космологии. Мы с Хауме написали статью о новой картине мира и представили ее в ведущий физический журнал The Physical Review . Мы опасались, что статья будет отвергнута как "слишком философская", но ее приняли без возражений. В дискуссионном разделе ближе к концу мы писали:
"Существование О-регионов со всеми возможными историями, среди которых есть идентичные или почти идентичные нашей, имеет ряд тревожных следствий. Если только у вас появилась мысль о возможности какого-то страшного несчастья, можете быть уверены, что оно уже случилось в каком-то из О-регионов. Если вы с трудом избежали аварии, значит, в некоторых регионах с точно такой же предшествующей историей вам не повезло. С другой стороны, некоторые читатели будут рады узнать, что существует бесконечное число О-регионов, где Эл Гор стал президентом и - да! - Элвис жив".
Пресса отреагировала немедленно - как и предсказывал Хауме. На следующий месяц в британском журнале New Scientist вышел обзор нашей статьи под заголовком "Да здравствует король!"
Что еще нового?
Позднее мы выяснили, что у картины множества наших клонов, разбросанных по Вселенной, есть предыстория. Знаменитый российский физик Андрей Сахаров высказал подобную идею в своей Нобелевской лекции в 1975 году. Он говорил:
"В бесконечном пространстве должны существовать многие цивилизации, в том числе более разумные, более "удачные", чем наша. Я отстаиваю также космологическую гипотезу, согласно которой эволюция Вселенной повторяется в основных своих чертах бесконечное число раз".
Кое-кто даже называл мысль, что в бесконечной Вселенной должно случиться абсолютно все, самоочевидной. Это утверждение, однако, ложно. Рассмотрим, например, последовательность нечетных чисел 1, 3, 5, 7, … . Она бесконечна, но нельзя говорить, что она содержит все возможные числа. Ведь в ней отсутствуют все четные числа. Аналогично, бесконечность пространства сама по себе не гарантирует, что все возможности реализуются где-то во Вселенной. Например, по всему пространству могла бы бесконечно повторяться одна и та же галактика.
На этот момент указали южноафриканские физики Джордж Эллис (George Ellis) и Дж. Брандрит (G. Brundrit). Они доказали, исходя из предположения о бесконечности Вселенной, что в ней должно быть бесконечное число мест, очень похожих на нашу Землю. (В своем анализе они опирались на классическую физику и поэтому могли говорить только сходстве, но не об идентичности других земель и нашей.) Они предположили вдобавок, что начальное состояние Вселенной случайным образом меняется от одного О-региона к другому, так что в бесконечном объеме исчерпываются все возможные их варианты. Таким образом, существование наших клонов не самоочевидно, а опирается на предположения о пространственной бесконечности и "исчерпывающей случайности" Вселенной.
Напротив, в случае бесконечной инфляции эти свойства не нужно вводить как независимые предположения. Из самой теории вытекает, что островные вселенные бесконечны и что начальные условия в момент Большого взрыва задаются случайными квантовыми процессами во время инфляции. Существование клонов, таким образом, является неизбежным следствием теории.
Значение слова "быть"
Все зависит от значения слова "есть".Билл Клинтон
Идея множества миров, или "параллельных" вселенных, обсуждалась также и в совершенно ином контексте. Возможно, вы слышали о многомировой интерпретации квантовой механики, которая утверждает, что Вселенная постоянно расщепляется на множество копий самой себя так, что в разных копиях реализуются все возможные исходы каждого квантового процесса. Несмотря на кажущееся сходство с бесконечной инфляцией, это на самом деле совсем разные теории. Чтобы не путать их, давайте совершим короткий экскурс в мир множества миров.
Квантовая механика - феноменально успешная теория. Она объясняет строение атомов, электрические и тепловые свойства твердых тел, ядерные реакции и сверхпроводимость. Физики безоговорочно доверяют ей, но при этом основания данной теории на удивление темны, и дебаты об их интерпретации продолжаются до сих пор.
Самым спорным является вопрос о природе квантово-механических вероятностей. Так называемая копенгагенская интерпретация, разработанная Нильсом Бором и его последователями, гласит, что квантовый мир принципиально непредсказуем. Согласно Бору, бессмысленно спрашивать, где находится квантовая частица, пока вы не произведете измерение, чтобы ее обнаружить. Вероятности всех возможных исходов измерения можно вычислить, используя правила квантовой механики. Частицы как будто никак не могут "решиться" и прыгают на определенное место в самый последний момент, когда выполняется измерение.
Альтернативная интерпретация предложена Хью Эвереттом III в его докторской диссертации, защищенной в 1950 году в Принстонском университете. Он утверждал, что на самом деле реализуются все возможные исходы каждого квантового события, но происходит это в разных, "параллельных" вселенных. При любом измерении положения частицы Вселенная разветвляется на мириады копий, в которых частица обнаруживается во всех возможных местах. Процесс ветвления полностью детерминирован, но мы не знаем, с какой из ветвей будет связан наш опыт. В результате исход нашего измерения по-прежнему остается вероятностным, причем Эверетт показал, что все вероятности оказываются в точности такими же, как и в копенгагенской интерпретации.
Поскольку выбор интерпретации не влияет ни на какие результаты или предсказания теории, большинство работающих физиков относятся к дискуссии об основаниях квантовой механики как агностики и не тратят время на подобные вопросы. По словам физика Исидора Раби (Isidor Rabi), занимающегося элементарными частицами, "квантовая механика - это просто алгоритм. Используйте его. Он работает, не беспокойтесь". Такой подход "заткнись и считай" прекрасно работает везде, кроме квантовой космологии, в которой квантовая механика применяется к целой Вселенной. "Ортодоксальную" копенгагенскую интерпретацию, требующую, чтобы внешний наблюдатель выполнял над системой процедуры измерения, в этом случае невозможно даже сформулировать: нет никакого внешнего по отношению к Вселенной наблюдателя. Космологи, таким образом, склонны предпочитать многомировую картину.
Эверетт и некоторые его последователи настаивают, что все параллельные миры в равной мере реальны, однако другие полагают, что это лишь возможные миры и среди них только один реален. Эта дискуссия может оказаться простым спором о терминах: когда говорят, что есть другая параллельная вселенная, независимая от нашей, что в точности означает это утверждение? Как сказал президент Клинтон по другому поводу, "все зависит от значения слова "есть". Параллельные вселенные подобны параллельным прямым: у них нет общих точек. Каждая из них развивается самостоятельно в отдельном пространстве и времени, которые нигде не могут проникнуть в нашу Вселенную. Но как тогда мы можем сказать, существуют они на самом деле или только как возможности?
Я должен подчеркнуть, что все это никак не влияет на картину вечной инфляции, описанную в начале этой главы. Если принимается многомировая интерпретация, то существует ансамбль "параллельных" вечно инфлирующих вселенных, каждая с бесконечным числом О-регионов. Новая картина мира приложима к каждой из вселенных этого ансамбля.
Более того, в отличие от идеи параллельных миров другие О-регионы безусловно реальны. Все они принадлежат общему пространству-времени, и, будь у нас в запасе достаточный срок, мы даже смогли бы добраться до них и сравнить их истории с нашей.
Обходные пути
Без сомнения, многие читатели удивятся: неужели нам действительно надо верить во всю эту чепуху с нашими клонами? Нет ли способа избежать столь причудливых выводов? Если вы совершенно не способны смириться с мыслью, что ваш двойник в далекой галактике является республиканцем (или, наоборот, демократом), и если вы готовы ухватиться за любую соломинку, чтобы этого избежать, позвольте подбросить вам пару соломинок.
Прежде всего, есть вероятность, что теория инфляции неверна. Идея инфляции очень убедительна и подтверждается наблюдениями, но, конечно, далеко не в той мере, как, например, теория относительности Эйнштейна.
Даже если наша Вселенная является продуктом инфляции, можно допустить, что инфляция не вечна. Правда, это потребует довольно серьезных натяжек в теории. Чтобы избежать вечной инфляции, энергетический ландшафт скалярного поля должен быть специальным образом подогнан под наши требования.
Ни одна из этих возможностей не выглядит привлекательно. Теория инфляции - это самое лучшее из имеющихся у нас объяснений Большого взрыва. Если мы примем эту теорию и не станем ее калечить, добавляя совершенно не обязательные и произвольные свойства, у нас не будет иного выбора, кроме как признать инфляцию бесконечной, со всеми вытекающими из этого последствиями, нравятся они нам или нет.
Прощание с уникальностью
В представлениях древних мы, люди, были центром Вселенной. Небо располагалось не слишком далеко, и судьбы людей и царств можно было прочесть по звездам и планетам на его бархатном своде. Наш уход с авансцены начался с трудов Коперника и длился вплоть до конца прошлого столетия. Не только Земля не является центром Солнечной системы, но и само Солнце - лишь рядовая звезда на окраине довольно типичной галактики. И все же нас грела мысль, что на Земле есть нечто совершенно особенное - что это единственная планета с данным конкретным набором жизненных форм и что человеческая цивилизация с ее искусством, культурой и историей уникальна во всей Вселенной. Можно было думать, что эта единственность - достаточное основание, чтобы охранять нашу маленькую планету, как драгоценное произведение искусства.
Теперь мы лишились и этой последней претензии на уникальность. В картине мира, возникающей из теории вечной инфляции, Земля и наша цивилизация никак не могут считаться уникальными. По бесконечным просторам космоса разбросано бесчисленное множество идентичных цивилизаций. С этим понижением статуса человечества до абсолютной космической ничтожности наш путь прочь от центра мировой сцены может считаться завершенным.
От англ. field - "поле". - Примеч. перев.
Слово "кикспэн" (kickspan ) образовано от англ. слов kick - "толчок" и span - "величина", "амплитуда". Это максимальное расстояние, на котором возможна коммуникация в инфляционной Вселенной. Оно равно критическому размеру кусочка ложного вакуума, необходимого для инфляции (см. главу 6): 1 миллиметр для электрослабого вакуума и в 10 13 раз меньше для вакуума Великого объединения. Это расстояние играет роль горизонта в расширяющейся инфляционной Вселенной.
Термин "период полураспада" происходит из ядерной физики, где он означает время, в течение которого распадается половина атомов в образце радиоактивного вещества.
Алан Гут называет эти острова "карманными вселенными". Однако Ленни Сасскинд (Lenny Susskind) отметил, что это уничтожает всякую романтику. (Следует отметить, что в первой половине прошлого века термином "островные вселенные" в научно-популярной литературе называли галактики. - Примеч. перев. )
Во избежание путаницы с этого момента я буду пользоваться термином "Большой взрыв" для обозначения конца инфляции, а начальное (или конечное) состояние с бесконечной кривизной и плотностью буду называть сингулярностью.
A. Vilenkin, "The birth of inflationary universes" ("Рождение инфляционных вселенных"), Physical Review , vol. D27, p. 2848 (1983). Это статья о квантовой космологии; вечная инфляция обсуждается в последнем разделе.
Экспоненциально раздувающаяся область быстро заполнила бы компьютерный экран, заставив нас остановить моделирование. Мы справились с этой проблемой, используя расширяющуюся шкалу расстояний, которая росла в том же темпе, что и область инфляции. Если пользоваться такой растягивающейся линейкой, величина объема инфлирующего ложного вакуума не меняется во времени, и он занимает постоянную площадь на экране. В аналогии с экономической инфляцией, которую мы использовали в главе 5, этот способ измерения соответствует выражению цен в "первоначальных долларах", благодаря чему эффект инфляции исключается.
М. Aryal and A. Vilenkin, "The fractal dimension of the inflationary universe" ("Фрактальная размерность инфляционной вселенной"), Physics Letters , vol. B199, p. 351 (1987).
A.D. Linde, "Eternally existing self-reproducing chaotic inflationary universe" ("Вечно существующая самовоспроизводящаяся хаотическая инфляционная вселенная"). Physics Letters , vol. В175, p. 395 (1986). Термин "вечная инфляция" был введен Линде в этой статье.
Ускоренное расширение Вселенной было открыто Группой по сверхновым с большими красными смещениями (High-Z Supernova Search Team) под руководством гарвардского астронома Роберта Киршнера (Robert Kirshner) и Брайана Шмидта (Brian Schmidt) из обсерватории Сайдинг Спрингс в Австралии, а также Проектом по сверхновым в космологии (Supernova Cosmology Project), возглавляемым Солом Перлмуттером (Saul Perlmutter). Из первых рук об этом открытии можно прочесть в остроумной книге Роберта Киршнера "Экстравагантная Вселенная: взрывающиеся звезды, темная энергия и ускоряющийся космос" (The Extravagant Universe: Exploding Stars, Dark Energy, and the Accelerating Cosmos , Princeton University Press, Princeton, 2004).
Расстояние до сверхновой, которое определяется по ее видимому с Земли блеску, говорит о том, как долго свет от нее шел к нам, а значит, и о том, когда случился взрыв. Покраснение света (доплеровское смещение) можно использовать для оценки скорости космологического расширения в то время. Подробнее об этом см. главу 14.
В следующих главах будут упомянуты некоторые другие возможности. Многие физики склонны к агностицизму в отношении причин космологического ускорения и говорят о нем как о "темной энергии".
Если же, с другой стороны, наблюдения покажут, что плотность превышает критическую более чем на одну стотысячную, следствием будет то, что Вселенная представляет собой относительно небольшую трехмерную сферу, ненамного крупнее современного горизонта. Для инфляции это создаст очень серьезные проблемы.
Он назван в честь первооткрывателя квантовой физики Макса Планка, который вывел формулу, описывающую, как энергия теплового излучения распределена между волнами различной частоты. Спутник был запущен 14 мая 2009 года.
Происхождение гравитационных волн аналогично появлению возмущений плотности (см. главу 6). Они порождаются квантовыми флуктуациями в ходе инфляции, амплитуда которых не зависит от линейного масштаба. Предсказание относительно гравитационных волн вытекает из работы Алексея Старобинского, выполненной в 1980 году, еще до того, как Гут предложил идею инфляции.
QUIET начал работу в ноябре 2009 года. Он способен детектировать гравитационные волны, порожденные инфляцией, но только если ложный вакуум имел энергетический масштаб Великого объединения. Для не столь энергичного вакуума потребуются более чувствительные инструменты.
Напомним, что мы договорились отождествлять Большой взрыв с концом инфляции.
A.D. Linde, "Life after inflation" ("Жизнь после инфляции"), Physics Letters , vol. B211, p. 29,1988.
В плоском пространстве-времени квадрат интервала между двумя событиями определяется как (разность во времени) 2 − (расстояние в пространстве) 2 . За исключением знака "минус" это очень похоже на вычисление квадрата гипотенузы по теореме Пифагора. Для вычисления интервала расстояния в пространстве и времени должны выражаться в совместимых единицах. Например, если время измеряется в годах, то мерой длины должны быть световые годы. Интервал времени-подобен, если его квадрат положителен, и пространственно-подобен, если отрицателен. Для встречи класса и матча по суперболу, которые обсуждаются в тексте, разница во времени составляет 3 года, а расстояние в пространстве - 4 световых года. Значит, квадрат интервала будет 32 − 42 = −7 . Поэтому интервал является пространственно-подобным.
Как и раньше, ПБВ означает "после Большого взрыва".
Состояние движения наблюдателя также влияет на показания его часов. Еще раз подчеркнем, что во вселенной Фридмана существует естественный выбор: наблюдатели, которые покоятся по отношению к галактикам (или частицам вещества) в местах своего размещения. Это так называемые "сопутствующие наблюдатели".
С той оговоркой, что замкнутая Вселенная подобна трехмерной сфере, тогда как поверхность Земли имеет только два измерения.
Традиционная каталонская каменная усадьба или ферма. - Примеч. перев.
Это ограничение неприложимо к областям, превосходящим размеры космического горизонта. Предполагается, что на пределе оно применимо к О-региону, который по размерам совпадает с горизонтом.
От слова "гуголплекс" - названия числа 10 в степени 10 100 .
Мы писали статью в 2001 году, сразу после весьма спорных выборов в США, на которых Джордж Буш обошел Эла Гора на очень небольшую величину.
J. Garriga and A. Vilenkin, "Many worlds in one" ("Много миров в одном"), Physical Review , vol. D64, p. 043511 (2001).
A.D. Sakharov, in Alarm and Hope (в сб. "Тревога и надежда"), eds. Yankelevich and A. Friendly (Knopf, New York, 1978).
G.F.R. Ellis and G.B. Brundrit, Life in the infinite universe ("Жизнь в бесконечной Вселенной"), Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society , vol. 20, p. 37 (1979).
Глубокое обсуждение многомировой интерпретации, стимулирующее ее дальнейшее осмысление, можно найти в книге David Deutsch, The Fabric of Reality (Дэвид Дойч, "Ткань реальности"), Penguin, New York, 1997.
Цитируется по: G. Edelman, Bright Air, Brilliant Fire: On the Matter of the Mind , Penguin, New York, 1992, p. 216.
По выражению Дэвида Мермина (David Mermin), см. Physics Today , April 1989, p. 9.
Эта точка зрения близка к копенгагенской интерпретации, за тем исключением, что не настаивает на присутствии внешнего наблюдателя.
Нашим возможностям путешествовать в другие О-регионы может помешать наблюдаемое ускорение расширения Вселенной, вызванное постоянной энергией вакуума. В этом случае галактики других О-регионов будут удаляться все быстрее и быстрее, и мы никогда не сможем их догнать. Некоторые модели, однако, предсказывают, что энергия вакуума будет постепенно снижаться, как это происходило в период инфляции. В таком случае не будет никаких принципиальных ограничений на дальность путешествий.
Пример энергетического ландшафта, предназначенного для того, чтобы избежать вечной инфляции, показан на следующем рисунке (сравните с рис. 6.4).
Некоторые этические следствия новой картины мира обсуждаются в статье "Philosophical implications of inflationary cosmology" ("Философские следствия инфляционной космологии"), написанной мною в соавторстве с философом Джошуа Ноубом (Joshua Knobe) и моим коллегой по Тафтсу Кеном Оламом (Ken Olum), которая опубликована в марте 2006 года в The British Journal of the Philosophy of Science .
Что бы случилось, если бы в далеком прошлом пространство Вселенной находилось в состоянии ложного вакуума? Если плотность материи в ту эпоху была меньше, чем требуется для уравновешивания Вселенной, тогда доминировала бы отталкивающая гравитация. Это вызвало бы расширение Вселенной, даже если бы первоначально она не расширялась.
Чтобы сделать наши представления более определенными, будем считать, что Вселенная замкнута. Тогда она раздувается подобно воздушному шару. С ростом объема Вселенной материя разрежается, и ее плотность падает. Однако плотность массы ложного вакуума является фиксированной константой; она всегда остается одинаковой. Так что очень быстро плотность материи становится пренебрежимо малой, мы остаемся с однородным расширяющимся морем ложного вакуума.
Расширение вызывается натяжением ложного вакуума, превосходящим притяжение, связанное с плотностью его массы. Поскольку ни одна из этих величин не меняется со временем, темп расширения остается с высокой точностью постоянным. Этот темп характеризуют пропорцией, в которой Вселенная расширяется за единицу времени (скажем, за одну секунду). По смыслу эта величина очень похожа на темп инфляции в экономике - процентное увеличение цен за год. В 1980 году, когда Гут вел семинар в Гарварде, уровень инфляции в США составлял 14%. Если бы это значение оставалось неизменным, цены удваивались бы каждые 5.3 года. Аналогично, постоянный темп расширения Вселенной подразумевает, что существует фиксированный интервал времени, на протяжении которого размер Вселенной увеличивается вдвое.
Рост, который характеризуется постоянным временем удвоения, называют экспоненциальным. Известно, что он очень быстро приводит к гигантским числам. Если сегодня кусок пиццы стоит 1 доллар, то через 1о циклов удвоения (53 года в нашем примере) его цена составит $10^{24}$ доллара, а через 330 циклов достигнет $10^{100}$ долларов. Это колоссальное число, единица, за которой следует 100 нулей, имеет специальное название - гугол. Гут предложил использовать в космологии термин инфляция для описания экспоненциального расширения Вселенной.
Время удвоения для вселенной, заполненной ложным вакуумом, невероятно короткое. И чем выше энергия вакуума, тем оно короче. В случае электрослабого вакуума вселенная расширится в гугол раз за одну тридцатую микросекунды, а в присутствии вакуума Великого объединения это случится в $10^{26}$ раз быстрее. За столь короткую долю секунды область размером с атом раздуется до размеров, намного превосходящих всю наблюдаемую сегодня Вселенную.
Поскольку ложный вакуум нестабилен, он в конце концов распадается, и его энергия зажигает огненный шар из частиц. Это событие обозначает конец инфляции и начало обычной космологической эволюции. Тем самым, из крошечного исходного зародыша мы получаем громадных размеров горячую расширяющуюся Вселенную. А в качестве дополнительного бонуса в этом сценарии удивительным образом исчезают проблемы горизонта и плоской геометрии, характерные для космологии Большого взрыва.
Суть проблемы горизонта состоит в том, что расстояния между некоторыми частями наблюдаемой Вселенной таковы, что они, по-видимому, всегда были больше расстояния, пройденного светом с момента Большого взрыва. Это предполагает, что они никогда не взаимодействовали друг с другом, а тогда трудно объяснить, как они достигли почти точного равенства температур и плотностей. В стандартной теории Большого взрыва путь, пройденный светом, растет пропорционально возрасту вселенной, тогда как расстояние между областями увеличивается медленнее, поскольку космическое расширение замедляется гравитацией. Области, которые не могут взаимодействовать сегодня, смогут влиять друг на друга в будущем, когда свет покроет наконец разделяющее их расстояние. Но в прошлом пройденное светом расстояние становится еще короче, чем надо, так что, если области не могут взаимодействовать сегодня, они тем более не были способны к этому раньше. Корень проблемы, таким образом, связан с притягивающей природой гравитации, из-за которой расширение постепенно замедляется.
Однако во вселенной с ложным вакуумом гравитация отталкивающая, и вместо того, чтобы замедлять расширение, она ускоряет его. При этом положение меняется на противоположное: области, которые могут обмениваться световыми сигналами, в будущем потеряют эту возможность. И, что более важно, те области, которые сегодня недосягаемы друг для друга, должны были взаимодействовать в прошлом. Проблема горизонта исчезает!
Проблема плоского пространства разрешается столь же легко. Оказывается, что Вселенная удаляется от критической плотности, только если ее расширение замедляется. В случае ускоренного инфляционного расширения все обстоит наоборот: Вселенная приближается к критической плотности, а значит, становится более плоской. Поскольку инфляция увеличивает Вселенную в колоссальное число раз, нам видна лишь крошечная ее часть. Эта наблюдаемая область выглядит плоской подобно нашей Земле, которая тоже кажется плоской, если смотреть на нее, находясь вблизи поверхности.
Итак, короткий период инфляции делает Вселенную большой, горячей, однородной и плоской, создавая как раз такие начальные условия, которые требуются для стандартной космологии Большого взрыва.
Теория инфляции начала покорять мир. Что же касается самого Гута, то его пребывание в статусе постдока закончилось. Он принял предложение от своей альма-матер, Массачусетского технологического института, где и продолжает работать поныне.
Отрывок из книги А. Виленкина "Many Worlds in One: The Search for Other Universes"
Помимо вопроса о происхождении Вселенной, современные космологи сталкиваются с рядом других проблем. Чтобы стандартная теория большого взрыва могла предсказать то распределение материи, которое мы наблюдаем, ее исходное состояние должно характеризоваться очень высокой степенью организованности. Сразу же возникает вопрос: каким образом такая структура могла образоваться? Физик А. Гут из Массачусетского технологического института предложил свою версию теории большого взрыва, которая объясняет спонтанное возникновение этой организации, устраняя необходимость искусственно вводить точные параметры в уравнения, описывающие исходное состояние Вселенной. Его модель была названа «инфляционной Вселенной». Суть ее в том, что внутри быстро расширяющейся, пере гретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться сильнее, подобно тому, как переохлажденная вода стремительно замерзает, расширяясь при этом. Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартным теориям большого взрыва.
Однако модель Гута тоже не лишена недостатков. Чтобы уравнения Гута правильно описывали инфляционную Вселенную, ему пришлось очень точно задавать исходные параметры для своих уравнений. Таким образом, он столкнулся с той же проблемой, что и создатели других теорий. Он надеялся избавиться от необходимости задавать точные параметры условий большого взрыва, но для этого ему пришлось вводить собственную параметризацию, оставшуюся необъясненной. Гут и его соавтор П. Штайнгарт признают, что в их модели «расчеты приводят к приемлемым предсказаниям только в том случае, если заданные исходные параметры уравнений варьируют в очень узком диапазоне. Большинство теоретиков (включая и нас самих) считают подобные исходные условия маловероятными». Далее авторы говорят о своих надеждах на то, что когда-нибудь будут разработаны новые математические теории, которые позволят им сделать свою модель более правдоподобной.
Эта зависимость от еще не открытых теорий - другой недостаток модели Гута. Теория единого поля, на которой основывается модель инфляционной Вселенной, полностью гипотетична и «плохо поддается экспериментальной проверке, так как большую часть ее предсказаний невозможно количественно проверить в лабораторных условиях». (Теория единого поля - это достаточно сомнительная попытка ученых связать воедино некоторые основные силы Вселенной.)
Другой недостаток теории Гута - это то, что в ней ничего не говорится о происхождении перегретой и расширяющейся материи. Гут проверил совместимость своей инфляционной теории с тремя гипотезами происхождения Вселенной. Сначала он рассмотрел стандартную теорию большого взрыва. В этом случае, по мнению Гута, инфляционный эпизод должен был произойти на одной из ранних стадий эволюции Вселенной. Однако эта модель ставит перед нами неразрешимую проблему сингулярности. Вторая гипотеза постулирует, что Вселенная возникла из хаоса. Некоторые ее участки были горячими, другие - холодными, одни расширялись, а другие сжимались. В этом случае инфляция должна была начаться в перегретой и расширяющейся области Вселенной. Правда, Гут признает, что эта модель не может объяснить происхождение первичного хаоса.
Третья возможность, которой Гут отдает предпочтение, заключается в том, что перегретый расширяющийся сгусток материи возникает квантово-механическим путем из пустоты. В статье, появившейся в журнале «Сайентифик Америкэн» в 1984 году, Гут и Штайнгарт утверждают: «Инфляционная модель Вселенной дает нам представление о возможном механизме, при помощи которого наблюдаемая Вселенная могла появиться из бесконечно малого участка пространства. Зная это, трудно удержаться от соблазна сделать еще один шаг и прийти к выводу, что Вселенная возникла буквально из ничего».
Однако какой бы привлекательной ни была эта идея для ученых, готовых ополчиться на любое упоминание о возможности существования высшего сознания, создавшего Вселенную, при внимательном рассмотрении она не выдерживает критики. «Ничто», о котором говорит Гут, - это гипотетический квантово-механический вакуум, описываемый еще не разработанной теорией единого поля, которая должна объединить уравнения квантовой механики и общей теории относительности.
Другими словами, в данный момент этот вакуум невозможно описать даже теоретически.
Надо отметить, что физики описали более простой тип квантово-механического вакуума, который представляет собой море так называемых «виртуальных частиц», фрагментов атомов, которые «почти существуют». Время от времени некоторые из этих субатомных частиц переходят из вакуума в мир материальной реальности. Это явление получило название вакуумных флуктуаций. Вакуумные флуктуации невозможно наблюдать непосредственно, однако теории, постулирующие их существование, были подтверждены экспериментально. Согласно этим теориям, частицы и античастицы без всякой причины возникают из вакуума и практически сразу исчезают, аннигилируя друг друга. Гут и его коллеги допустили, что в какой-то момент вместо крошечной частицы из вакуума появилась целая Вселенная, и вместо того, чтобы сразу исчезнуть, эта Вселенная каким-то образом просуществовала миллиарды лет. Авторы этой модели решили проблему сингулярности, постулировав, что состояние, в котором Вселенная появляется из вакуума, несколько отличается от состояния сингулярности.
Однако у этого сценария есть два основных недостатка. Во-первых, можно только удивляться смелости фантазии ученых, распространивших достаточно ограниченный опыт с субатомными частицами на целую Вселенную. С. Хоукинг и Г. Эллис мудро предостерегают своих излишне увлекающихся коллег: «Предположение о том, что законы физики, открытые и изученные в лаборатории, будут справедливы в других точках пространственно-временного континуума, безусловно, очень смелая экстраполяция». Во-вторых, строго говоря, квантово-механический вакуум нельзя называть «ничто». Описание квантово-механического вакуума даже в самой простой из существующих теорий занимает множество страниц в высшей степени абстрактных математических выкладок. Такая система, несомненно, представляет собой «нечто», и сразу же встает все тот же упрямый вопрос: «Как возник столь сложно организованный "вакуум"?»
Вернемся к изначальной проблеме, для решения которой Гут создал инфляционную модель: проблеме точной параметризации исходного состояния Вселенной. Без такой параметризации невозможно получить наблюдаемое распределение материи во Вселенной. Как мы убедились, решить эту проблему Гуту не удалось. Более того, сомнительной представляется сама возможность того, что какая-нибудь версия теории большого взрыва, включая версию Гута, может предсказать наблюдаемое распределение материи во Вселенной. Высокоорганизованное исходное состояние в модели Гута, по его же словам, в конце концов, превращается во «Вселенную» диаметром 10 сантиметров, наполненную однородным сверхплотным, перегретым газом. Она будет расширяться и остывать, но нет никаких оснований предполагать, что она когда-нибудь превратится в нечто большее, чем однородное облако газа. По сути дела, к этому результату приводят все теории большого взрыва. Если Гуту пришлось пускаться на многие ухищрения и делать сомнительные допущения, чтобы в конце концов получить Вселенную в виде облака однородного газа, то можно представить себе, каким должен быть математический аппарат теории, приводящей ко Вселенной в том виде, в каком мы ее знаем! Хорошая научная теория дает возможность предсказывать многие сложные природные явления, исходя из простой теоретической схемы. Но в теории Гута (и любой другой версии теории большого взрыва) все наоборот: в результате сложных математических выкладок мы получаем расширяющийся пузырь однородного газа. Несмотря на это, научные журналы печатают восторженные статьи об инфляционной теории, сопровождающиеся многочисленными красочными иллюстрациями, которые должны создать у читателя впечатление, что Гут наконец достиг заветной цели - нашел объяснение происхождения Вселенной. Мы бы не стали торопиться с такими заявлениями. Честнее было бы просто открыть постоянную рубрику в научных журналах, чтобы публиковать в ней теорию происхождения Вселенной, модную в этом месяце.
Трудно даже представить себе всю сложность исходного состояния и условий, необходимых для возникновения нашей Вселенной со всем многообразием ее структур и организмов. В случае нашей Вселенной степень этой сложности такова, что ее едва ли можно объяснить с помощью одних физических законов. Теоретики прибегают к помощи так называемого «антропического принципа».
По их гипотезе, квантово-механический вакуум производит вселенные миллионами. Но в большинстве из них нет условий, необходимых для возникновения жизни, поэтому никто не может исследовать эти миры.
В то же время в других вселенных, включая нашу собственную, сложились подходящие условия для появления исследователей, поэтому нет ничего удивительного в том, что в этих вселенных царит такой неправдоподобный порядок. Иначе говоря, сторонники антропического принципа принимают сам факт существования человека за объяснение упорядоченной структуры Вселенной, которая создала условия для возникновения человека. Однако подобные логические увертки ничего не объясняют.
Другой формой псевдонаучной казуистики является утверждение о том, что Вселенная появилась по воле слепого случая. Эти слова тоже ровным счетом ничего не объясняют. Сказать, что нечто, появившееся один раз, появилось случайно - значит просто сказать, что оно появилось. Такого рода утверждения нельзя считать научным объяснением, так как они не содержат в себе никакой новой информации. Другими словами, эти «объяснения» ни на шаг не приблизили ученых к решению проблемы происхождения Вселенной.
Да простят нас теоретики, но мы осмелимся предположить, что методы, которыми они пользуются, неадекватны поставленной задаче. Два основных интеллектуальных инструмента, используемых космологами для описания эволюции Вселенной, - это общая теория относительности и квантовая механика. Однако, вдобавок ко всем трудностям, уже описанным нами, обе эти теории сами не без изъянов. Спору нет, эти теории достаточно хорошо описывают некоторые физические явления, однако это еще не доказывает, что они совершенны во всех отношениях.
Общая теория относительности описывает искривленное пространство время и является неотъемлемой частью любой современной теории происхождения Вселенной. Поэтому если общая теория относительности нуждается в пересмотре, то любая космологическая теория, основанная на ней, тоже нуждается в поправках.
Применение общей теории относительности, так же как и более ранней теории Эйнштейна, частной теории относительности, сопряжено с одной трудностью: в обеих понятие времени переосмыслено. В ньютоновой физике время рассматривается как переменная, независимая от пространства. Благодаря этому мы можем описать траекторию движения объекта в пространстве и времени: в данный момент времени объект находится в определенной точке пространства, а со временем его положение меняется. Но теория относительности Эйнштейна объединяет пространство и время в четырехмерный континуум, так что про объект уже нельзя сказать, что в определенный момент времени он занимает определенное положение в пространстве. Релятивистское описание объекта показывает его положение в пространстве и времени как единое целое, от начала и до конца существования объекта. Например, человек, с точки зрения теории относительности, представляет собой пространственно-временное единство, от зародыша во чреве матери до трупа (так называемый «пространственно-временной червь»). Этот «червь» не может сказать: «Сейчас я взрослый, а раньше был ребенком». Течения времени не существует. Вся жизнь человека представляет собой единое целое. Такой взгляд на человека обесценивает наше личное восприятие прошлого, настоящего и будущего, вынуждая нас поставить под сомнение саму реальность этого восприятия.
В своем письме к М. Бессо Эйнштейн писал: «Ты должен согласиться с тем, что субъективное время с его акцентом на настоящем не имеет объективного смысла»." После смерти Бессо, Эйнштейн выразил свое соболезнование его вдове следующим образом: «Майкл немного опередил меня, покинув этот странный мир. Однако это не имеет значения. Для нас, убежденных физиков, различие между прошлым, настоящими будущим - хоть и навязчивая, но всего лишь иллюзия». « По сути дела, эти представления отрицают сознание, которое подчеркивает реальность переживаемого момента. Наше нынешнее тело мы ощущаем как реальное, тогда как наше детское тело сохранилось только в памяти. Для нас нет никаких сомнений в том, что мы занимаем определенное место в пространстве в данный момент времени. Теория относительности превращает серии событий в единые пространственно-временные структуры, но мы ощущаем их как последовательность определенных этапов во времени.
Следовательно, любая модель происхождения Вселенной, построенная на основе теории относительности, не способна объяснить наше восприятие времени, и потому все эти модели в их современном виде несовершенны и неприемлемы.
Сразу после зарождения Вселенная расширялась невероятно быстро.
С 30-х годов XX века астрофизики уже знали, что, согласно закону Хаббла , Вселенная расширяется, а значит, она имела свое начало в определенный момент в прошлом. Задача астрофизиков, таким образом, внешне выглядела простой: отследить все стадии хаббловского расширения в обратной хронологии, применяя на каждой стадии соответствующие физические законы, и, пройдя этот путь до конца — точнее, до самого начала, — понять, как именно всё происходило.
В конце 1970-х годов, однако, оставались нерешенными несколько фундаментальных проблем, связанных с ранней Вселенной, а именно:
- Проблема антивещества . Согласно законам физики, вещество и антивещество имеют равное право на существование во Вселенной (см. Античастицы), однако Вселенная практически полностью состоит из вещества. Почему так произошло?
- Проблема горизонта. По фоновому космическому излучению (см. Большой взрыв) мы можем определить, что температура Вселенной везде примерно одинакова, однако отдельные ее части (скопления галактик) не могли находиться в контакте (как принято говорить, они были за пределами горизонта друг друга). Как же получилось, что между ними установилось тепловое равновесие?
- Проблема распрямления пространства. Вселенная, судя по всему, обладает именно той массой и энергией, которые необходимы для того, чтобы замедлить и остановить хаббловское расширение. Почему из всех возможных масс Вселенная имеет именно такую?
Ключом к решению этих проблем послужила идея, что сразу после своего рождения Вселенная была очень плотной и очень горячей. Всё вещество в ней представляло собой раскаленную массу кварков и лептонов (см. Стандартная модель), у которых не было никакой возможности объединиться в атомы. Действующим в современной Вселенной различным силам (таким, как электромагнитные и гравитационные силы) тогда соответствовало единое поле силового взаимодействия (см. Универсальные теории). Но когда Вселенная расширилась и остыла, гипотетическое единое поле распалось на несколько сил (см. Ранняя Вселенная).
В 1981 году американский физик Алан Гут осознал, что выделение сильных взаимодействий из единого поля, случившееся примерно через 10 -35 секунды после рождения Вселенной (только задумайтесь — это 34 нуля и единица после запятой!), стало поворотным моментом в ее развитии. Произошел фазовый переход вещества из одного состояния в другое в масштабах Вселенной — явление, подобное превращению воды в лед. И как при замерзании воды ее беспорядочно движущиеся молекулы вдруг «схватываются» и образуют строгую кристаллическую структуру, так под влиянием выделившихся сильных взаимодействий произошла мгновенная перестройка, своеобразная «кристаллизация» вещества во Вселенной.
Кто видел, как лопаются водопроводные трубы или трубки автомобильного радиатора на сильном морозе, стоит только воде в них превратиться в лед, тот на собственном опыте знает, что вода при замерзании расширяется. Алану Гуту удалось показать, что при разделении сильных и слабых взаимодействий во Вселенной произошло нечто подобное — скачкообразное расширение. Это расширение, которое называется инфляционным , во много раз быстрее обычного хаббловского расширения. Примерно за 10 -32 секунды Вселенная расширилась на 50 порядков — была меньше протона, а стала размером с грейпфрут (для сравнения: вода при замерзании расширяется всего на 10%). И это стремительное инфляционное расширение Вселенной снимает две из трех вышеназванных проблем, непосредственно объясняя их.
Решение проблемы распрямления пространства нагляднее всего демонстрирует следующий пример: представьте координатную сетку, нарисованную на тонкой эластичной карте, которую затем смяли как попало. Если теперь взять и сильно встряхнуть эту смятую в комок эластичную карту, она снова примет плоский вид, а координатные линии на ней восстановятся, независимо от того, насколько сильно мы деформировали ее, когда скомкали. Аналогичным образом, не важно, насколько искривленным было пространство Вселенной на момент начала ее инфляционного расширения, главное — по завершении этого расширения пространство оказалось полностью распрямленным. А поскольку из теории относительности мы знаем, что кривизна пространства зависит от количества материи и энергии в нем, становится понятно, почему во Вселенной находится ровно столько материи, сколько необходимо, чтобы уравновесить хаббловское расширение.
Объясняет инфляционная модель и проблему горизонта , хотя не так прямо. Из теории излучения черного тела мы знаем, что излучение, испускаемое телом, зависит от его температуры. Таким образом, по спектрам излучения удаленных участков Вселенной мы можем определить их температуру. Такие измерения дали ошеломляющие результаты: оказалось, что в любой наблюдаемой точке Вселенной температура (с погрешностью измерения до четырех знаков после запятой) одна и та же. Если исходить из модели обычного хаббловского расширения, то вещество сразу же после Большого взрыва должно было разлететься слишком далеко, чтобы температуры могли уравняться. Согласно же инфляционной модели, вещество Вселенной до момента t = 10 -35 секунды оставалось гораздо более компактным, чем при хаббловском расширении. Этого чрезвычайно краткого периода было вполне достаточно, чтобы установилось термическое равновесие, которое не было нарушено на стадии инфляционного расширения и сохранилось до сих пор.
Американский физик, специалист в области элементарных частиц и космологии. Родился в Нью-Брюнсвике, штат Нью-Джерси. Докторскую степень получил в Массачусетском технологическом институте, куда в 1986 году и вернулся, став профессором физики. Свою теорию инфляционного расширения Вселенной Гут разработал еще в Стэнфордском университете, занимаясь теорией элементарных частиц . Известен его отзыв о Вселенной как о «бескрайней скатерти-самобранке».