Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса - Брайан Грин

При движении сквозь поле Хиггса фундаментальные частицы приобретают и поддерживают массу, о наличии которой говорят эксперименты. Согласно этой идее, когда вы толкаете электрон или кварк, пытаясь изменить его скорость, ощущаемое вами сопротивление возникает благодаря «трению» частицы о патокообразное поле Хиггса. Именно это сопротивление мы называем массой частицы. Если в заданной области пространства вы выключите поле Хиггса, то частицы в ней внезапно станут безмассовыми. А если в другой области пространства удвоите значение поля Хиггса, частицы в ней внезапно удвоят свои массы.[17]

Подобное антропогенное вмешательство гипотетично, потому что энергия, необходимая для существенного изменения величины поля Хиггса даже в малой области пространства, сильно превышает доступную нам энергию. (Другая причина гипотетичности такого вмешательства в том, что существование поля Хиггса до сих пор не доказано. Теоретики усердно предсказывают, что высокоэнергетичные столкновения между протонами на Большом адронном коллайдере смогут отколоть кусочек поля Хиггса — частицу Хиггса — и её можно будет обнаружить в ближайшие годы.) Однако во многих вариантах инфляционной космологии поле Хиггса в разных дочерних вселенных естественно обладает разными значениями.

Подобно полю инфлатона, полю Хиггса соответствует кривая, которая показывает, каким количеством энергии оно обладает при разных значениях. Существенное различие с кривой потенциальной энергии поля инфлатона лишь в том, что поле Хиггса, как правило, находится не в точке ноль (рис. 3.1), а скатывается в одну из ям (рис. 3.6а). Представьте теперь начальную стадию в двух дочерних вселенных, выросших из пузырьков, одна из которых наша. В обеих разогретых вселенных бурный ажиотаж приводит к тому, что величина поля Хиггса начинает безудержно колебаться. Поскольку каждая вселенная расширяется и остывает, поле Хиггса успокаивается и его значение скатывается в одну из ям (рис. 3.6а). В нашей вселенной величина поля Хиггса оказывается, например, в левой яме, что приводит к известным экспериментально наблюдаемым свойствам частиц. Но в другой вселенной движение поля Хиггса может привести к тому, что он окажется в правой яме. Если такое произойдёт, то свойства этой вселенной будут значительно отличаться от свойств нашей вселенной. И хотя основополагающие законы в обеих вселенных будут одинаковыми, массы и другие свойства частиц будут отличаться.

Рис. 3.6. а) Кривая потенциальной энергии поля Хиггса с двумя ямами. Известные свойства нашей вселенной обусловлены полем, расположенным в левой яме; однако в другой вселенной поле располагается в правой яме, что соответствует другим физическим свойствам;

Рис. 3.6. б) Пример поверхности потенциальной энергии в теории с двумя полями Хиггса

Даже небольшая разница в свойствах частиц приводит к серьёзным последствиям. Если масса электрона в другой дочерней вселенной в несколько раз больше, чем у нас здесь, электроны и протоны будут стремиться объединяться в нейтроны, препятствуя тем самым обильному образованию водорода. Фундаментальные взаимодействия — электромагнетизм, ядерное взаимодействие и (как мы считаем) гравитация — также переносятся частицами. Изменение свойств этих частиц коренным образом изменит свойства взаимодействий. Например, чем тяжелее частица, тем медленнее она движется и тем короче расстояние, на котором действует соответствующая сила. Образование и устойчивость атомов в нашей вселенной основано на свойствах электромагнитных и ядерных взаимодействий. Если существенно изменить эти взаимодействия, атомы развалятся или, что более вероятно, вообще не смогут образоваться. Таким образом, ощутимое изменение свойств частиц приведёт к нарушению самых фундаментальных процессов, обеспечивающих привычные свойства нашей вселенной.

На рис. 3.6а показан самый простой случай, когда имеется всего одна разновидность поля Хиггса. Однако физики-теоретики исследовали более сложные сценарии с участием нескольких полей Хиггса (мы скоро увидим, что такие возможности обязательно возникают в теории струн), что даёт ещё больший набор различных дочерних вселенных. Пример с двумя полями Хиггса показан на рис. 3.6б. Как и прежде, различные ямы соответствуют значениям полей Хиггса, где могут находиться те или иные дочерние вселенные, выросшие из пузырьков.

Вселенные, заполненные полями Хиггса с непривычными значениями, будут сильно отличаться от нашей (рис. 3.7). Поэтому путешествие сквозь инфляционную мультивселенную может оказаться опасной затеей. Сомнительно, чтобы вам захотелось непременно посетить большинство вселенных, ведь условия там могут оказаться несовместимы с биологическими процессами, критичными для жизнедеятельности; что придаёт новый смысл высказыванию, что дома лучше. В инфляционной мультивселенной наша Вселенная может вполне оказаться райским островком в огромном, но в основном не пригодном для жизни космическом архипелаге.

Рис. 3.7. Поскольку поля Хиггса могут обладать разными значениями в разных дочерних вселенных, вселенные в сценарии инфляционной мультивселенной могут иметь разные физические свойства, хотя все они и подчиняются одним и тем же физическим законам

Вселенные в ореховой скорлупе

Различия между лоскутной мультивселенной и инфляционной мультивселенной настолько фундаментальны, что они могут показаться никак не связанными друг с другом. Лоскутная мультивселенная возникает в случае бесконечного пространства, а инфляционная мультивселенная обусловлена вечным инфляционным расширением. И всё же между ними существует глубокая и удивительная связь, которая смыкает идеи из двух предыдущих глав: параллельные Вселенные, возникающие благодаря инфляции, порождают Вселенные из лоскутной мультивселенной. Важную роль в этом процессе играет время.

Среди многих странностей, вскрытых теорией Эйнштейна, наиболее трудно для понимания то, что время течёт. И хотя повседневный опыт убеждает нас в объективности понятия течения времени, теория относительности доказывает, что это всего лишь артефакт жизни в условиях малой гравитации и на малых скоростях. На околосветовых скоростях и в сильных гравитационных полях привычная универсальная концепция времени быстро испаряется. Если вы мчитесь мимо меня, то события, одновременные с моей точки зрения, для вас будут происходить в разные моменты времени. Если вы зависли где-то вблизи чёрной дыры, один час на ваших часах для меня будет длиться бесконечно долго. Никакого гипноза или фокусов. Течение времени зависит от условий, в которых находится наблюдатель, — траектории его движения и действующей на него гравитации.[18]

Применительно ко всей вселенной или к нашему инфляционному пузырьку это немедленно порождает вопрос: как такое податливое, зависящее от обстоятельств время согласуется с понятием абсолютного космологического времени? Мы уверенно говорим о «возрасте» нашей Вселенной, но если галактики быстро движутся относительно друг друга со скоростями, которые зависят от расстояния между ними, — разве тогда относительность течения времени не становится кошмарной проблемой для любого воображаемого вселенского хранителя времени? Более точно, когда мы говорим, что нашей Вселенной «14 миллиардов лет», используем ли мы для измерения этого промежутка времени какие-то конкретные часы?

Да, используем. Тщательное изучение этого космического времени вскрывает прямую связь между параллельными вселенными в инфляционной и лоскутной моделях вселенных.

Любой используемый нами метод измерения времени подразумевает учёт изменений, происходящих в какой-то конкретной физической системе. С помощью обычных настенных часов мы проверяем изменения в положении стрелок. С помощью Солнца мы проверяем изменения в его положении на небе. С помощью изотопа углерода C14 мы проверяем его процентное содержание в исходном образце, где происходит радиоактивный распад с выделением азота. Исторический опыт и общая договорённость привели нас к использованию орбитального вращения Земли и вращения вокруг своей оси в качестве физических реперных точек, что приводит к стандартным понятиям «дня» и «ночи». Но когда мы размышляем о космических масштабах, то существует другой, более полезный метод измерения времени.

Мы видели, что инфляционное расширение приводит к огромным областям с однородными в среднем свойствами. Измерьте температуру, давление и среднюю плотность вещества в двух больших, но удалённых областях одной дочерней вселенной, и результаты совпадут. Они могут изменяться во времени, но однородность на больших масштабах гарантирует, что, в среднем, изменение здесь такое же, как изменение там. Важный наглядный пример — это обусловленное постоянным расширением пространства уменьшение плотности массы в нашем пузырьке-вселенной, происходящее в течение нашей многомиллиардной истории. Однако, поскольку уменьшение происходит однородно, то однородность на больших расстояниях в нашем пузырьке-вселенной не нарушилась.