Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной - Юрий Артамонов
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Более того, сценарий требует, чтобы время было универсальным так же, как и реальным. Популяция вселенных быстро развивается, вырастая в любой момент, любая вселенная создает черную дыру. Если мы выводим из теории предсказания, она должна установить, как много вселенных имеют такие и такие свойства в каждый момент времени. Это время должно иметь смысл не только на протяжении каждой вселенной, но и по всей популяции. Так что нам нужно понятие времени, которое дает нам картину одновременности внутри каждой вселенной и на протяжении всей популяции [11].
*
Теперь сравним все это со случаем вечной инфляции. Ранняя вселенная постулируется как подверженная инфляции, поскольку квантовые поля, отвечающие за ее частицы и силы, находятся в фазе, которая производит очень большую темную энергию.
к оглавлению
Это приводит вселенную к экспоненциально быстрому расширению. Инфляция обычно прекращается, когда в результате фазового перехода формируется пузырь. Это аналоги пузыря водяного пара, возникающего в нагреваемом котелке с водой; пузырь содержит газообразную фазу воды, которая формируется из жидкой фазы. В космологическом сценарии пузырь содержит фазу квантовых полей, которой недостает темной энергии, так что его расширение замедляется, и он становится нашей вселенной.
Виленкин и Линде заметили, что в окружающей среде, все еще содержащей большую темную энергию, будет продолжаться быстрая инфляция. Формируется много пузырей, которые затем становятся другими вселенными, как и наша собственная. Они нашли, что при определенных условиях процесс может продолжаться всегда, поскольку подверженная инфляции среда никогда никуда не девается, даже если она производит бесконечное число пузырей вселенных. Если этот сценарий правильный, то наша вселенная лишь один из бесконечного числа сформированных пузырей в вечно подверженной инфляции среде.
В простейшей версии, на которую я буду ориентироваться для целей нашего обсуждения, законы, которые управляют каждым пузырем, выбираются хаотически из ландшафта возможных законов [12]. Во многих обсуждениях этот ландшафт предполагается заданным различными теориями струн, но любая теория с изменяющимися параметрами, включая саму Стандартную Модель, будет действовать.
В простейшем случае доля пузырей, которые выбирают каждый закон, постоянна, так что по мере производства все большего и большего числа пузырей вселенных вероятности сохранения различных законов во всей популяции остаются теми же самыми. В таком простом сценарии время и динамика не играют роли в том, как законы нашей вселенной определяются среди всех других (возможно, бесконечного числа) возможностей. Таким образом, распределение вселенных (то есть, вероятностей для вселенных иметь различные законы и свойства) достигает некоторой разновидности равновесия и остается таким навсегда. Сценарий в этом смысле вневременной, что дает хороший пример противоположности по отношению к космологическому естественному отбору.
Поскольку законы в каждом пузыре выбираются хаотически, вселенные с тонко настроенными законами, необходимые для существования жизни, чрезвычайно редки. Так что наша вселенная оказывается нетипичной вселенной в популяции пузырей вселенных.
Чтобы соединить данный сценарий с наблюдениями нашей вселенной, космологи
к оглавлению
должны обратиться к антропному принципу, который, как отмечено, устанавливает, что мы можем жить только во вселенной, чьи законы и начальные условия создают гостеприимный для жизни мир. Антропный принцип заставляет нас выбрать ничтожную долю гостеприимных вселенных из несопоставимо большей коллекции безжизненных миров, поскольку мы могли бы находиться только в одной из первых.
Замечательно, что имеется много общего в списке особенностей, делающих мир гостеприимным для жизни и делающих мир способным производить много черных дыр. Так что две теории - космологический естественный отбор и антропный принцип - по-видимому, объясняют некоторые из тех же тонко настроенных параметров Стандартной Модели. Но отметим, насколько различны эти объяснения. В космологическом естественном отборе наш мир является типичной вселенной и большая часть популяции будет разделять особенности, которые дают вселенной высокую приспособленность, тогда как в мультивселенной вечной инфляции миры вроде нашего экстремально редки. В первом случае мы имеем настоящее объяснение, в последнем - только принцип отбора.
Эти различные виды объяснения отличаются и в их способности делать подлинные предсказания еще не наблюдавшихся особенностей вселенной. Как мы видели, космологический естественный отбор уже предложил несколько настоящих предсказаний. Но сценарии, привлекающие антропный принцип как объяснение законов и начальных условий для нашей вселенной, до сих пор не дают ни одного фальсифицируемого предсказания для выполнимого в настоящее время эксперимента. Я сомневаюсь, что когда-нибудь дадут.
Ниже излагается, почему так. Рассмотрим любое свойство нашей вселенной, которое вы можете захотеть объяснить. Это свойство или необходимо для разумной жизни, или нет. Если первое, то это свойство уже объясняется нашим существованием, так как оно должно поддерживаться в любой очень малой доле вселенных с разумной жизнью. Теперь рассмотрим второй класс свойств, которые для разумной жизни не нужны. Поскольку законы выбираются хаотически в каждом пузыре, эти свойства хаотически распределены по популяции вселенных. Но поскольку эти свойства ничего не должны делать с жизнью, они также будут хаотически распределенными по коллекции вселенных с жизнью. Так что теория не делает предсказаний о том, что мы должны наблюдать в нашей вселенной по поводу этих свойств.
Хорошим примером первого вида свойств является масса электрона;
к оглавлению
имеются хорошие основания считать, что условия для жизни могли бы быть разрушены, если масса электрона сильно отличалась бы от наблюдаемой величины [13]. Хорошим примером второго вида свойств является масса топ-кварка; насколько мы знаем, она могла бы варьироваться в большом диапазоне без влияния на биологическое дружелюбие нашей вселенной. Отсюда антропный принцип не может помочь нам объяснить наблюдаемую величину указанной массы.
Вечная инфляция делает одно потенциально проверяемое предсказание, что кривизна пространства в каждом пузыре вселенной слабо отрицательна. (Пространство с отрицательной кривизной искривлено подобно седлу - в отличие от пространства с положительной кривизной, подобного сфере). Если наша вселенная была создана в пузыре инфляционной мультивселенной, это должно быть верно и для нее тоже. Это настоящее предсказание, но есть несколько проблем относительно его проверяемости. Первое, отрицательная кривизна очень близка к нулю, а нуль очень трудно отличить от очень малого числа, положительного или отрицательного. На самом деле кривизна исчезает в пределах экспериментальной ошибки. Даже с лучшими данными, ожидаемыми от проводимых сейчас экспериментов, будет очень тяжело сказать, равна кривизна точно нулю, слабо отрицательна или слабо положительна. Как и во всех научных экспериментах, всегда будет некоторая неопределенность в измерениях. При заданной указанной неопределенности маловероятно, что какие-либо наблюдения в скором времени смогут фальсифицировать данное предсказание.
Даже если мы справились с проверкой того, что пространственная кривизна слабо отрицательна, это не обеспечивает доказательства, что наша вселенная является одним из пузырей гигантской мультивселенной. Имеется немало космологических моделей и сценариев, совместимых с небольшой отрицательностью кривизны; одна из них заключается в том, что наша вселенная уникальна и просто является решением уравнений Эйнштейна с отрицательной кривизной. Такие решения существуют и не требуют инфляции для их подтверждения. Другая модель, что инфляция произвела только одну вселенную. И ни одно наблюдение не может подтвердить гипотезу о свойствах предполагаемой коллекции других вселенных, которые никаким образом не влияют на нашу собственную.
*
Сценарий вечной инфляции требует выбора возможных теорий, и это может быть удовлетворено огромным числом возможных теорий струн.
к оглавлению
То, что имеется большой ландшафт возможных струнных теорий, было ясно из вышеупомянутой статьи Строминджера 1986 года, но ситуация стала кризисом, который невозможно игнорировать, когда в 2003 было открыто подтверждение существования астрономического числа теорий струн с малыми положительными величинами космологической константы [14]. Их число грубо оценивается в 10500. Однако, по крайней мере, до сегодняшнего дня, это число, хотя и чрезвычайно велико, все еще конечно. Далее в 2005 физик из Массачусетского Технологического Института Вашингтон Тейлор и его коллеги смогли сконструировать подтверждение бесконечного числа струнных теорий с малыми отрицательными космологическими константами [15].
