Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Когда стали проступать контуры этого ландшафта, надежда вывести из теории струн один уникальный тип вакуума (и, следовательно, один существующий мир) развеялась как дым.

Проблема космологической постоянной оказалась своего рода лакмусовой бумажкой современных фундаментальных исследований. Космология в лице теории вечной инфляции довольно хорошо умеет обращаться с ней. Теория самого малого — физика элементарных частиц — очень нелегко переживает ее. Это стало для науки показателем какой-то важнейшей необходимости. И указанием пути. Нужно было каким-то образом склонить космологическую теорию к работе на стороне теории элементарных частиц. Нужно было найти возможности согласования и содействия. Некоторые талантливые и чуткие к ситуации физики это поняли и встали на этот путь. Первыми были Рафаэль Буссо и Джозеф Полчински: они сделали то, что давно «стучалось в двери» фундаментальной науки и диктовалось самим естественным ходом событий. Они объединили картину струнного ландшафта с идеями инфляционной космологии и показали, что в ходе вечной инфляции будут порождаться области со всеми возможными вакуумами.

Джозеф Полчински — блестящий теоретик, ведущий специалист по теории струн. Между тем, с его именем связан один курьез, который заслуживает нашего внимания. Полчински заявил своим коллегам, что бросит заниматься физикой, если будет открыто, что космологическая постоянная имеет значение, не равное строго нулю. Ведь значение, полученное в экспериментах, могло иметь только антропное объяснение: постоянная должна быть именно такой, малой, но ненулевой, фактически из-за нас и ради нас! На это Полчински согласиться не мог — он не переносил антропных рассуждений. Но теперь главное занятие его жизни — теория струн — подвело его к тому, что он был не прав, и Полчински изменил свое решение и в отношении физики (надо сказать, к счастью для последней), и в отношении антропного принципа.

Буссо и Полчински показали, что в ходе вечной инфляции будут порождаться области со всеми возможными вакуумами. Некоторые из этих областей станут сразу «съеживаться», коллапсировать, но некоторые — расширяться. Самый высокоэнергичный вакуум будет расширяться быстрее всех. На этом инфляционном фоне начнут зарождаться пузырьки менее энергичных вакуумов. Внутренние области пузырьков будут инфлировать тоже, только в меньшем темпе, и в них появятся пузырьки с еще меньшей энергией. В результате будет задействован весь ландшафт теории струн — образуется бесчисленное множество пузырьков со всеми возможными типами вакуума.

Мы живем в одном из пузырьков, но теория не говорит, в каком именно. Лишь очень малая доля из них пригодна для жизни, и мы должны оказаться именно в одном из таких редких пузырьков. Но именно так работает антропный принцип! Поэтому в 2003 году Леонард Сасскинд ввел термин «антропный ландшафт теории струн» и детально описал, как разнообразие вакуумов в теории струн впервые дает серьезную научную основу для антропных рассуждений. Струнные теоретики, говорил он, должны поддерживать антропный принцип, а не бороться с ним.

Конечно, впереди еще очень много работы. Необходимо подробно «картировать» струнный ландшафт. Какие типы вакуумов существуют? Какие семейства объектов связаны с каждым типом? Ясно, что все 10500 мы охарактеризовать не сможем. Правда, для выхода из этой ситуации существует математическая статистика и теория вероятностей. Необходимо также оценить вероятность появления пузырьков с одним типом вакуума по сравнению с другим. После этого у нас будут все ингредиенты для разработки модели вечно инфлирующей Вселенной с пузырьками внутри пузырьков внутри пузырьков (можно было бы еще добавить «внутри пузырьков» — этот процесс не ограничен).

Далее можно применить антропный принцип для определения вероятности нашего существования в том или ином типе вакуума, в том или ином пузырьке. Итак, мы начинали с Universe — единственной и уникальной фридмановской Вселенной. Затем теория вечной инфляции, прямо-таки сообразно своему названию, молниеносно раздвинула пределы мира и превратила Universe в Multiverse — множество вселенных в море инфляции. Теория струн как теория самого малого в содружестве с инфляционной космологией породила совершенно невиданный объект, который, с легкой руки Леонарда Сасскинда, мы могли бы называть Megaverse. «Я готов держать пари, — пишет Леонард Сасскинд, — что к началу XXII века физики будут с ностальгией оглядываться на наше настоящее, вспоминая золотой век, когда узкая и ограниченная концепция Вселенной XX века уступила место гораздо более широкому и масштабному Мегаверсу, населяющему ландшафт ошеломительных размеров».

Каждые сутки на Землю падает порядка 200 тыс. метеоритов. Ежегодно тонны межпланетной пыли достигают Земли. Поэтому за последние 500 лет масса Земли увеличилась на миллиард тонн.

У Вселенной должно быть начало

Что же было перед этим?

Согласно классической модели Большого взрыва, вся материя вокруг нас появилась из раскаленного огненного шара около 14 млрд лет назад. Откуда же взялся сам огненный шар? Теория инфляции показала, что он мог возникнуть из крошечного кусочка ложного вакуума после его инфляционного раздувания. Но вопрос все равно остается: откуда взялся этот первоначальный кусочек вакуума? В большинстве своем космологи недолюбливают подобные вопросы. И действительно, каков бы ни был ответ, всегда можно спросить: «А что было перед этим?» Эта логическая ситуация называется бесконечной регрессией: мы задаем и задаем вопрос о начале и не можем остановиться.

История космологии знает так называемую циклическую, или пульсирующую модель. Это отзвук классической космологии 40—50-х годов прошлого века. Правда, существуют и современные «усовершенствованные» версии. Но как бы эти версии ни были усовершенствованы, по сути своей пульсирующая модель страдает тем же недостатком, что и стандартная космологическая модель. В пульсирующей модели период расширения Вселенной сменяется периодом сжатия — это составляет полный цикл. Каждый новый цикл начинается с плотного горячего огненного шара имени Георгия Гамова. Далее все повторяется: стартует новое расширение. Но вопрос о начале опять остается, он только становится более тягостным, поскольку отодвигается и отодвигается в прошлое: должно же быть начало начал, начальный цикл, «первоцикл»? И откуда взялся огненный шар, с которого он начался?

Можно, конечно, считать Вселенную вечной. Нам известно уже, что глобальная Вселенная вечной инфляции постоянно воспроизводит себя. Она состоит из расширяющейся огромной области ложного вакуума, в которой постоянно зарождаются локальные вселенные, такие же, как наша. Инфляция никогда не прекращается. В нашей вселенной она закончилась 14 млрд лет назад, и теперь продолжается эволюция, которая хорошо описывается уравнениями ОТО. Но в масштабе глобальной Вселенной как целого инфляция будет неограниченно продолжаться в других отдаленных от нас областях.

Но тогда нелогично предполагать некоторое начало Вселенной в прошлом, поскольку она не имеет конца в будущем. Это было бы произвольным, специально введенным условием: в самом деле, зачем и на каком основании Вселенной иметь начало, если для продолжения ее существования теория не дает никаких ограничений? Так мы получаем вечную Вселенную и автоматически избавляемся от необходимости задавать вопросы о ее происхождении. Что ж, очень удобно. По принципиальному сходству это несколько напоминает модель стационарной вселенной, вроде обсуждавшейся модели Хойла с коллегами.

Очень удобно, но не очень правдоподобно! Дело в том, что есть существенные ограничения на продолжительность процесса инфляции. И эти ограничения делает сама ОТО. В будущем — нет. А вот в прошлом — как раз да! Иначе говоря, инфляция не может быть вечной в двух направлениях. Это не так давно показали рыцарь инфляционной теории и антропного образа рассуждения Алекс Виленкин и его коллеги — Эрвинд Борд и Алан Гут (тот самый, который первым предложил саму идею инфляции в космологии).

Теория относительности (и специальная, и общая: в некотором смысле их можно считать частями одной теории относительности) — это великое дело! Во-первых, потому, что она очень многообразно и надежно подтверждена экспериментами, во-вторых, потому, что она очень красиво работает в математическом отношении. Эта красота убеждает сильнее красноречия и экспериментов! Ею пользовались Хокинг и Пенроуз, чтобы доказать свою знаменитую теорему о сингулярностях. Ею воспользовалась и группа Виленкина.

Идея доказательства проста и изящна. Есть Вселенная и есть наблюдатели, которые сидят в своих галактиках. Наблюдатели равномерно рассеяны по Вселенной. Есть также космический турист, который свободно и равномерно, без толчков, рывков и ускорений движется мимо этих наблюдателей. Вселенная расширяется. Понятно, что в таком случае наблюдатели будут отдаляться друг от друга, как точки на поверхности раздувающегося воздушного шара. Далее вследствие того же расширения всякий встречный наблюдатель будет приближаться к туристу, а всякий уже пройденный наблюдатель будет от него отдаляться. Таким образом, скорость туриста относительно каждого встречного будет меньше, чем относительно каждого пройденного, то есть будет все меньше и меньше с точки зрения наблюдателей. Если же рассмотреть историю этого путешествия вспять, от будущего к прошлому, то скорость нашего туриста с точки зрения наблюдателей будет, наоборот, все больше и больше. Просто и логично, не подкопаешься. А вот теперь вступает в дело теория относительности! По мере того, как скорость туриста будет приближаться к скорости света (а быстрее он двигаться не может принципиально!), наблюдатели будут видеть, как его часы замедляются и как его время в конце концов застывает и превращается в мгновение, растянутое в вечность. Получается, что время этого путешествия, продленного в бесконечное прошлое, оказывается конечным. А это очень плохой симптом для вечной в прошлом вселенной: это значит, что некоторые истории в перспективе бесконечного прошлого не могут быть окончены. Они обрываются. А это означает, что вечная в прошлом Вселенная неполна — некоторые части историй не имеют продолжения, исчезают!