Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса

Поля, порождённые магнитом, нельзя увидеть, нельзя услышать, ни одно из наших чувств восприятия не настроено на них. Однако это всего лишь физиологические ограничения. Так же как от пламени идёт тепло, так и от магнита исходит магнитное поле. Находясь за пределами физической границы твёрдого магнита, магнитное поле является некоей «дымкой» или «эссенцией», которая наполняет пространство и действует по распоряжению магнита.

Кроме магнитных есть и другие поля. Заряженные частицы порождают другой тип — электрические поля, подобные тем, из-за которых можно получить удар током, прикоснувшись к металлической ручке двери комнаты, устланной шерстяными коврами. Эксперименты Фарадея совершенно неожиданно показали, что электрические и магнитные поля внутренне связаны: было обнаружено, что изменение электрического поля порождает магнитное и наоборот. В середине XIX века Джеймс Клерк Максвелл подвёл мощный математический фундамент под эти эксперименты, описав электрические и магнитные поля в виде чисел, приписанных каждой точке пространства, причём значения этих чисел характеризуют способность поля оказывать влияние в данной точке. В точках пространства, где численные значения магнитных полей велики, например в томографической камере, металлические предметы будут испытывать сильное отталкивание или притяжение. В точках пространства, где велики численные значения электрических полей, например внутри грозового облака, могут происходить сильные электрические разряды, такие как молнии.

Максвелл вывел уравнения, впоследствии названные в его честь, которые описывают изменение силы электрических и магнитных полей в пространстве от точки к точке и от одного момента времени к другому. Именно эти уравнения описывают море электрических и магнитных полей — так называемые электромагнитные волны, окружающие нас со всех сторон. Включите сотовый телефон, радио или беспроводной компьютер, и получаемые сигналы будут лишь крохотной крупицей из электромагнитного потока, молчаливо обтекающего нас каждую секунду. А более всего потрясает то, что и видимый свет, согласно уравнениям Максвелла, является электромагнитной волной, такой, которую научились воспринимать в процессе эволюции наши глаза.

Во второй половине XX столетия физики присоединили концепцию поля к быстро развивающемуся пониманию микромира, основанному на квантовой механике. В итоге квантовая теория поля стала математическим аппаратом для создания самых точных теорий материи и сил в природе. С её помощью физики установили, что помимо электрических и магнитных полей существует целый набор других полей, таких как сильные и слабые ядерные поля, электронные, кварковые, и нейтринные поля. Поле, которое является теоретическим фундаментом инфляционной космологии[7], называется полем инфлатона. Однако на настоящий момент его статус остаётся совершенно гипотетическим.

Квантовые поля и инфляция

Поля обладают энергией. Интуитивно мы знакомы с этим, потому что поля участвуют в процессах, требующих затрат энергии, как, например, вызванное полями движение предметов (как в случае с канцелярской скрепкой). В количественном отношении уравнения квантовой теории поля показывают, как при заданном численном значении поля в заданной области пространства вычислить содержащееся в нём количество энергии. Как правило, чем больше значение поля, тем больше количество энергии. Значение поля может изменяться от точки к точке, но если поле является постоянным, то есть везде имеет одинаковое значение, энергия также будет одинаковой в каждой точке пространства. Важное наблюдение Гута состояло в том, что такие однородные конфигурации поля наполняют пространство не только однородной энергией, но также и однородным отрицательным давлением. Таким способом он обнаружил физический механизм возникновения гравитационного отталкивания.

Чтобы увидеть, почему однородное поле приводит к отрицательному давлению, представьте сначала более привычную ситуацию с участием положительного давления: открытие бутылки шампанского. По мере того как вы медленно вытаскиваете пробку, вы ощущаете положительное давление газа в бутылке, которое выталкивает её наружу. Вы можете легко непосредственно убедиться, что на такое движение пробки наружу тратится лишь малая часть энергии шампанского. Вы видели дымок около бутылочного горлышка сразу после открытия бутылки? Он образуется, потому что энергия, истраченная шампанским при выталкивании пробки, приводит к уменьшению температуры, что заставляет конденсироваться окружающий водяной пар аналогично тому, как конденсируется выдыхаемый воздух в морозный день.

Теперь представьте, что шампанское заменили чем-нибудь менее праздничным, но более поучительным — полем, значение которого однородно во всей бутылке. На этот раз открытие пробки даст совершенно другой эффект. Пока пробка выходит наружу, внутри бутылки возникает небольшой дополнительный объём, куда может проникнуть поле. Так как энергия однородного поля одинакова во всех точках, то чем больший объём заполняется полем, тем бо́льшая полная энергия содержится в бутылке. Что означает, что, в отличие от шампанского, при вынимании пробки энергия добавляется в бутылку.

Как такое может быть? Откуда берётся энергия? Давайте представим, что произойдёт, если содержимое бутылки, вместо того чтобы выталкивать пробку наружу, начнёт тянуть её внутрь. Тогда для открытия бутылки нужно будет тянуть пробку на себя, то есть приложить усилия, которые в свою очередь передадут энергию ваших мышц содержимому бутылки. Таким образом, чтобы объяснить увеличение энергии бутылки, мы должны предположить, что в отличие от шампанского, выталкивающего пробку наружу, однородное поле засасывает её внутрь. Вот что мы имеем в виду, когда говорим, что однородное поле приводит к отрицательному, а не положительному давлению.

Хотя и не существует официанта, открывающего бутылку с космосом, условие остаётся в силе: если есть поле — гипотетическое поле инфлатона — однородное во всей области пространства, то оно заполнит эту область не только энергией, но и создаст в ней отрицательное давление. И, как теперь понятно, такое отрицательное давление создаёт гравитационное отталкивание, которое приводит к безостановочному расширению пространства. Когда Гут подставил в уравнения Эйнштейна предполагаемые значения энергии инфлатона и давления, согласованные с экстремальными условиями ранней Вселенной, то вычисления показали, что возникающее гравитационное отталкивание должно быть колоссальным. Оно на несколько порядков сильнее, чем гравитационное отталкивание, рассмотренное Эйнштейном годами ранее, когда он возился с космологической постоянной, и приводит к фееричному пространственному расширению. Уже одно это захватывало дух. Но Гут осознал, что имеется ещё один неотъемлемый бонус.

Такое же рассуждение, объясняющее, почему однородное поле обладает отрицательным давлением, применимо также и к космологической постоянной. (Если в бутылке находится пустое пространство с космологической постоянной, то при медленном вытаскивании пробки возникает дополнительное пространство, которое даёт дополнительный вклад в энергию. Единственный источник этой энергии находится в ваших мышцах, напряжение которых направлено против втягивающего отрицательного давления, создаваемого космологической постоянной.) Как и в случае с однородным полем, однородное отрицательное давление космологической постоянной приводит к гравитационному отталкиванию. Однако здесь важна не аналогия сама по себе, а то, как космологическая постоянная отличается от однородного поля.

Космологическая постоянная — это всего лишь константа, фиксированное число из третьей строчки гравитационной декларации, которая порождает сегодня ровно такое же гравитационное отталкивание, как и миллиарды лет назад. В противоположность этому значение поля может изменяться и, вообще говоря, изменяется. При включении микроволновой печи находящееся внутри неё электромагнитное поле изменяется; при включении томографа электромагнитное поле внутри камеры изменяется. Гут осознал, что инфляционное поле, заполняющее пространство, ведёт себя похожим образом — включается для инфляции и затем выключается, — что позволяет гравитационному отталкиванию действовать лишь в короткий промежуток времени. Это важно. Наблюдения показывают, что если взрывоподобное расширение пространства вообще имело место, то оно должно было произойти миллиарды лет назад и резко оборваться, после чего началось размеренное расширение, о котором свидетельствуют точные астрономические измерения. Итак, исключительно важное свойство инфляционной гипотезы состоит в том, что эпоха мощного гравитационного отталкивания была временной.

Механизм включения и последующего выключения инфляционного взрыва основывается на физических построениях, изначально предложенных Гутом и впоследствии существенно переработанных Линде, Альбрехтом и Стейнхардом. Чтобы понять суть их предложений, представьте себе шар, а ещё лучше представьте Колобка, неуверенно сидящего на вершине холма. Физик сказал бы, что благодаря своему положению Колобок обладает энергией. Точнее, он обладает потенциальной энергией, и это означает, что эта сдерживаемая энергия готова вот-вот вырваться наружу, и проще всего это произойдёт, когда Колобок свалится вниз, и потенциальная энергия превратится в энергию движения (кинетическую энергию). Опыт подтверждает, а физические законы делают точным утверждение о типичности такой ситуации. Система, наполненная потенциальной энергией, воспользуется любой возможностью высвободить её. Иными словами, если что-нибудь может упасть, оно падает.

Энергия, переносимая полем с ненулевым значением, также является потенциальной: она может высвободиться, что в случае с Колобком не привело ни к чему хорошему. Подобно тому как рост потенциальной энергии Колобка, по мере того как он забирается на гору, определяется формой склона — при движении с небольшим уклоном его потенциальная энергия изменяется минимально, а на крутых склонах, где надо карабкаться вверх, она резко возрастает, — потенциальная энергия поля имеет аналогичную форму, которая называется кривой потенциальной энергии. Такая кривая определяет изменения потенциальной энергии поля при изменении его значения (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Энергия поля инфлатона (вертикальная ось) при заданном значении поля (горизонтальная ось)

Вслед за пионерами инфляции давайте представим, что в самые ранние моменты космоса пространство было равномерно заполнено полем инфлатона, значение которого соответствует самой высокой точке на кривой потенциальной энергии. Прислушаемся к их мнению и представим, что кривая потенциальной энергии выпрямляется и приобретает вид ровного плато (рис. 3.1), позволяя инфлатону задержаться на самой вершине. Что произойдёт дальше при таких гипотетических условиях?

Произойдут два события, и оба очень важны. Пока инфлатон находится на плато, он наполняет пространство большой потенциальной энергией и отрицательным давлением, приводя к взрывоподобному инфляционному расширению. Но подобно тому как потенциальная энергия Колобка высвобождается при скатывании с горы, так и инфлатон высвобождает потенциальную энергию во всё пространство, скатываясь к более низким значениям. И по мере уменьшения значения инфлатона его энергия и отрицательное давление рассеиваются, что приводит к завершению взрывоподобного расширения. Не менее важно, что высвободившаяся полем инфлатона энергия не теряется, а подобно остывающему пару, конденсирующемуся в капли воды, энергия инфляции конденсируется в однородную среду частиц, заполняющих пространство. Такой двухступенчатый процесс — короткое, но быстрое расширение, за которым следует преобразование энергии в частицы, — приводит к огромному однородному пространству, заполненному сырьём для будущих звёзд и галактик.

Подробности этого процесса зависят от факторов, которые ни теория, ни эксперимент пока не могут определить (начальное значение поля инфлатона, точная форма наклона кривой потенциальной энергии и так далее){23}, но типичные модели, возникающие в математических выкладках, говорят о том, что энергия инфлатона скатывается по наклону за кратчайшие доли секунды, порядка 10−35. И кроме того, за этот короткий промежуток времени пространство расширяется в колоссальное число раз, возможно в 1030, если не более. Эти числа настолько велики, что их сложно с чем-то сравнивать. Они говорят, что область пространства размером с горошину расширяется до размеров, превышающих наблюдаемую часть Вселенной, за время настолько малое, что одно моргание глазом превышает его в миллион миллиардов миллиардов миллиардов раз.

Хотя представить себе такой масштаб очень трудно, важно то, что область пространства, породившая наблюдаемую часть Вселенной, была настолько мала, что в ней легко могла установиться одинаковая температура, прежде чем молниеносный взрыв расширил её до космических масштабов. Инфляционное расширение и миллиарды лет последующей космологической эволюции значительно понизили температуру, но однородность пространства в ранние времена определила однородность в настоящую эпоху. Это решает загадку возникновения однородных условий во Вселенной. При инфляции однородная температура во всём пространстве неизбежна.{24}

Вечная инфляция

В течение почти трёх десятилетий с момента открытия инфляция является основным инструментом космологических исследований. Но для получения точного вида всей исследовательской панорамы следует помнить, что инфляция — это способ осмысления космологии, а не какая-то конкретная теория. Исследования показали, что существует множество способов для воплощения инфляции; отличаются лишь детали, такие как число полей инфлатона, обеспечивающих отрицательное давление, конкретные кривые потенциальной энергии различных полей и так далее. К счастью, разнообразные реализации инфляции имеют общие черты, и поэтому можно сделать определённые выводы, даже не имея окончательной версии теории.

Среди разных сценариев инфляции есть один, изначально выдвинутый Александром Виленкиным{25} из университета Тафтса и впоследствии разработанный другими исследователями, прежде всего Линде; он имеет первостепенную важность. Фактически именно поэтому я потратил первую половину этой главы, объясняя инфляционный сценарий.

Во многих вариантах инфляционной теории взрывоподобное пространственное расширение не является единомоментным событием. Наоборот, процесс, благодаря которому образовалась наша область Вселенной — быстрое расширение пространства и следующее за ним более обычное, более спокойное расширение, сопровождающееся рождением частиц, — может неоднократно повторяться в толще космоса. Если представить космос в целом, он будет изобиловать бесчисленным множеством далеко разбросанных областей, каждая из которых несёт след произошедшего инфляционного расширения. Наш мир, который мы издавна привыкли считать единственной вселенной, является одним из множества таких областей, парящих в неизмеримо большем пространстве. Если в других областях есть разумные существа, они бы также уверенно считали, что их вселенная единственна. Таким образом, инфляционная космология приводит нас к очередной вариации на тему параллельных миров.

Для понимания того, как возникает такая инфляционная мультивселенная, в мою аналогию с Колобком следует добавить два усложняющих обстоятельства.

Первое: образ Колобка, сидящего высоко на вершине холма, отражает поле инфлатона, обладающее значительной потенциальной энергией и отрицательным давлением и находящееся в неустойчивом равновесии. Но если Колобок сидит на вершине одного холма, поле инфлатона обладает значением в каждой точке пространства. В основу теории закладывается изначальное равенство значений поля инфлатона во всех точках исходной области. Поэтому чтобы более адекватно представить инфляционный сценарий, нам бы потребовалось вообразить нечто довольно странное: многочисленных клонов Колобка, забравшихся на многочисленные, близко расположенные, тождественные вершины гор во всём пространстве.

Второе: до сих пор мы почти никак не затрагивали квантовый аспект квантовой теории поля. Поле инфлатона, как и всё остальное в нашей квантовой вселенной, подвержено квантовой неопределённости. Это означает, что его значение будет испытывать случайные флуктуации, мгновенно немножко возрастая здесь и убывая немножко там. В обычной жизни квантовые флуктуации слишком малы, чтобы их заметить. Однако вычисления показывают, что чем больше энергия инфлатона, тем больше его флуктуации, возникающие из-за квантовой неопределённости. Поскольку энергия инфлатона во время инфляционного расширения крайне высока, то квантовые флуктуации в ранней Вселенной должны быть большими и доминирующими.{26}

Таким образом, следует представлять не просто целый отряд Колобков, забравшихся высоко на одинаковые горные вершины; также следует вообразить, что происходят случайные подземные толчки — тут сильнее, там слабее, а вот там очень сильно. Тогда можно понять, что произойдёт. Разные клоны Колобков будут удерживаться на своих горных вершинах в течение разного времени. Где-то сильное землетрясение свалит большинство Колобков вниз; где-то толчки будут не очень сильными, и им удастся свалить только часть Колобков; а где-то Колобки начали сваливаться вниз, но сильный толчок их может закинуть обратно на вершину. Через некоторое время вся местность поделится случайным образом на области (что похоже на то, как Соединённые Штаты разделены на отдельные штаты): в каких-то из них ни один из Колобков не удержался наверху, а в остальных Колобки спокойно сидят на своих вершинах.

Случайность квантовых флуктуаций приводит к похожему выводу для поля инфлатона. Исходно инфлатон находится на самом верху кривой потенциальной энергии в каждой точке некоторой области пространства. Затем квантовые флуктуации действуют как подземные толчки. По этой причине, как показано на рис. 3.2, пространство быстро разделяется на области: в некоторых квантовые флуктуации заставляют поле скатиться по кривой вниз, а в других оно остаётся наверху.

Рис. 3.2. Различные области пространства, где инфлатон уже скатился по склону (тёмно-серые), либо где он удерживается наверху (светло-серые)

Пока дела идут неплохо. Но теперь следите внимательнее, именно здесь начинается различие между Колобками и космологией. Поле, находящееся на вершине кривой потенциальной энергии, воздействует на окружение значительно сильнее, чем сидящие на вершинах Колобки. Вспоминая нашу присказку — что однородная энергия поля и отрицательное давление приводят к гравитационному отталкиванию, — мы понимаем, что область, заполненная полем инфлатона, расширяется с фантастической скоростью. Это означает, что эволюция поля инфлатона управляется двумя противоположными процессами. Квантовые флуктуации, стремящиеся сбросить поле с верхнего положения, уменьшают область пространства, заполненного большой энергией. Инфляционное расширение путём быстрого увеличения тех областей, где поле удерживается в верхнем положении, увеличивает объём пространства, заполненного большой энергией.

Какой из процессов возобладает?

В абсолютном большинстве предложенных вариантов инфляционной космологии увеличение происходит по-меньшей мере так же быстро, как уменьшение. Причина в том, что поле инфлатона, которое можно слишком быстро сбросить со своей вершины, как правило, создаёт очень небольшое инфляционное расширение для решения проблемы горизонта; таким образом, в космологически успешных вариантах инфляции увеличение превалирует над уменьшением, и поэтому полный объём пространства, в котором энергия поля велика, увеличивается со временем. Принимая, что подобные полевые конфигурации приводят к дальнейшему инфляционному расширению, мы видим, что однажды начавшись, инфляция не заканчивается никогда.

Это похоже на вирусную эпидемию, где для устранения угрозы необходимо уничтожить вирус быстрее, чем он сможет воспроизвести себя. Инфляционный вирус «воспроизводит» себя — большое значение поля порождает быстрое пространственное расширение и таким образом наполняет большую область с таким же большим значением поля — и это происходит быстрее, чем противоположный процесс успевает погасить этот эффект. Инфляционный вирус весьма успешно сопротивляется уничтожению.{27}

Космос и швейцарский сыр

Все эти идеи совместно показывают, что инфляционная космология значительно обновляет наше представление о реальном пространстве, что можно вообразить с помощью простой аналогии. Представьте вселенную в виде гигантского куска швейцарского сыра, в котором дырки соответствуют областям, где величина поля инфлатона мала, а в остальных местах, наоборот, велика. То есть дырки — это области, подобные нашей Вселенной, прошедшие стадию супербыстрого расширения, в процессе чего энергия поля инфлатона преобразовалась в частицы, которые со временем формируют галактики, звёзды и планеты. Перефразируя предыдущие результаты, в космическом сыре возникает всё больше и больше дырок, потому что квантовые процессы понижают величину поля инфлатона в случайном наборе местоположений. В то же время «сырно-заполненные» области без дырок растягиваются ещё больше, потому что в них происходит инфляционное расширение, подстёгиваемое большим значением поля инфлатона. Оба процесса совместно приводят к тому, что кусок космического сыра постоянно расширяется и в нём образуется всё большее количество дырок, из которых вырастают дочерние вселенные. На более стандартном языке космологии каждая дырка называется пузырьком-вселенной (или ячейкой-вселенной).{28} Каждая из них является полостью, образовавшейся в результате супербыстрого расширения пространства (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Инфляционная мультивселенная возникает при непрерывном образовании пузырьков — дочерних вселенных — в постоянно расширяющемся пространственном окружении, заполненном полем инфлатона большой величины

Не позволяйте наглядному, но уменьшительному названию «пузырёк-вселенная» ввести вас в заблуждение. Наша вселенная огромна. То что она может быть образованием, вложенным в ещё бо́льшую космическую структуру — один пузырёк в огромном куске космического сыра, — лишь подтверждает фантастически огромные размеры, в рамках инфляционной парадигмы, космоса в целом. То же самое справедливо и для других пузырьков. Каждый из них — это вселенная, подобная нашей — настоящая, огромная, постоянно расширяющаяся.

Существуют варианты инфляционной теории, в которых инфлатон не вечен. Подбирая различные параметры теории, такие как число полей инфлатона и кривые потенциальной энергии, умные теоретики могут сделать так, чтобы инфлатон повсеместно скатился из верхнего положения. Но подобные идеи — скорее исключение. Как правило, инфляционные модели приводят к невообразимо огромному числу дочерних вселенных, находящихся в вечно расширяющемся пространстве. И поэтому если инфляционная теория верна, и если согласно множеству теоретических исследований её физически значимая реализация приводит к вечной инфляции, то существование инфляционной мультивселенной является неизбежным следствием.

Поворачивая перспективу

В 1980-х годах, когда Виленкин осознал вечный характер инфляционного расширения и сопутствующих параллельных вселенных, он пришёл в сильное возбуждение и поехал к Алану Гуту в Массачусетский технологический институт, чтобы рассказать ему об этом. Где-то в середине рассказа голова Гута склонилась — он уснул. В принципе, это не является плохим знаком; вообще-то, хорошо известно, что Гут начинает клевать носом во время семинаров — например, во время моих выступлений он несколько раз закрывал глаза, — но затем он просыпается и задаёт удивительно проницательный вопрос. Однако физическое сообщество проявило не больше энтузиазма, чем Гут; поэтому Виленкин отложил эту идею и стал работать над другими проектам.

Сегодня отношение к вечной инфляции очень разное. Когда Виленкин впервые задумался об инфляционной мультивселенной, прямых подтверждений в пользу самой инфляционной теории было не так и много. Поэтому те немногие, кто хоть как-то заинтересовался, считали, что идеи об инфляционном расширении, порождающем огромное множество параллельных Вселенных, являются спекуляцией на спекуляции. Но в последующие годы количество наблюдательных данных в пользу инфляции значительно увеличилось, в основном, благодаря точным измерениям реликтового излучения.

Хотя наблюдаемая однородность реликтового излучения является одной из основных мотиваций развития инфляционной теории, первые сторонники теории понимали, что быстрое пространственное расширение не сможет обеспечить абсолютную однородность излучения. Наоборот, они утверждали, что квантово-механические флуктуации, растянутые инфляционным расширением, нарушают однородность, создавая миниатюрные температурные колебания, подобные мельчайшей ряби на ровной поверхности пруда. Этот блистательный результат оказал огромное влияние на последующее развитие.[8] Рассмотрим всё поподробнее.

Квантовая неопределённость приводит к флуктуациям поля инфлатона. Действительно, если инфляционная теория верна, то взрывоподобное инфляционное расширение здесь закончилось, потому что большая и удачливая квантовая флуктуация почти 14 миллиардов лет назад сбросила инфлатон с верхней точки в нашей части вселенной. Но это ещё не конец истории. Пока инфлатон в нашем пузырьке-вселенной скатывается вниз к точке завершения инфляции, его значения по прежнему подвержены квантовым флуктуациям. Флуктуации, в свою очередь, могут изменить величину инфлатона на чуть выше здесь и чуть ниже там, подобно волнистой поверхности покрывала, брошенного поверх кровати. Это приводит к небольшим изменениям в энергии, которой инфлатон наполняет пространство. Как правило, такие квантовые изменения настолько малы и происходят на таких микроскопических расстояниях, что на космических масштабах ими можно спокойно пренебречь. Однако инфляционное расширение — это никак не обычный процесс.

Расширение пространства происходит настолько быстро, даже на выходе из инфляционного режима, что всё микроскопическое растягивается настолько, что становится макроскопическим. Подобно надписи, сделанной крохотными буковками на воздушном шаре, которая начинает проявляться, по мере того как воздух растягивает поверхность шара, влияние квантовых флуктуаций становится видимым, когда инфляционное расширение растягивает космическую ткань. В частности, небольшие отклонения в энергии, вызванные квантовыми флуктуациями, переходят в температурные отклонения, которые отпечатываются на реликтовом излучении. Вычисления показывают, что температурные отклонения нельзя назвать уж очень большими, но они могут достигать примерно одной тысячной доли градуса. Если температура в одной области составляет 2,725 K, то в близлежащих областях в результате растянутых квантовых флуктуаций температура может быть чуть ниже, скажем, 2,7245 K, или чуть выше — 2,7255 K.

Поиск таких температурных колебаний стал предметом скрупулёзных астрономических наблюдений. В конце концов они были обнаружены. В точном согласии с предсказаниями теории они составляют примерно тысячную долю градуса (рис. 3.4). Но больше всего впечатляет то, что картина расположения температурных отклонений на небе точно соответствует теоретическим предсказаниям. На рис. 3.5 сопоставлены теоретические предсказания колебаний температуры — как функция расстояния между областями (в угловых размерах между соответствующими прямыми, проведёнными с Земли) с наблюдательными данными. Согласие результатов просто потрясающее.

Рис. 3.4. В инфляционной космологии гигантское пространственное расширение растягивает микроскопические квантовые флуктуации до макроскопических размеров, что приводит к наблюдаемым температурным колебаниям реликтового излучения (более тёмные пятнышки чуть холоднее более светлых)

Рис. 3.5. Диаграмма температурных колебаний реликтового излучения. Температурные колебания отложены по вертикальной оси; расстояние между двумя областями (в угловых размерах между соответствующими прямыми, проведёнными с Земли — бо́льшие углы правее, меньшие углы левее) отложено на горизонтальной оси.{29} Теоретические предсказания нанесены сплошной линией; экспериментальные данные представлены кружочками

Нобелевская премия по физике 2006 года за обнаружение этих температурных колебаний была присуждена Джорджу Смуту и Джону Мазеру, которые в начале 1990-х годов возглавляли исследовательскую группу проекта COBE[9] из более чем тысячи сотрудников. За прошедшее десятилетие всё новые и более точные измерения подтверждают данные на рис. 3.5 и приводят к более точному согласию с предсказанными значениями температурных колебаний.

Эти исследования стали венцом захватывающей истории открытий, начавшихся с гипотез Эйнштейна, Леметра и Фридмана, стремительно продвинутых вперёд вычислениями Гамова, Альфера и Германа, усиленных идеями Дикке и Пиблса, подтверждёнными затем в наблюдениях Пензиаса и Вильсона, и теперь достигших кульминации благодаря скрупулёзной работе армии астрономов, физиков и инженеров, чьи совместные усилия привели к обнаружению невероятно слабого космического автографа, оставленного миллиарды лет назад.

На качественном уровне можно сказать, что мы все должны быть благодарны пятнышкам на рис. 3.4. Когда инфляция в нашем пузырьке-вселенной подходила к концу, области с несколько большей энергией (или массой, как следует из формулы E = mc2) создавали чуть более сильное гравитационное притяжение, притягивая больше частиц из близлежащих окрестностей и становясь, таким образом, больше. Большое скопление частиц в свою очередь создавало ещё более сильное гравитационное притяжение, притягивая ещё больше вещества и ещё больше увеличиваясь в размерах. С течением времени этот эффект снежного кома привёл к образованию целых глыб вещества и энергии, которые за миллиарды лет стали галактиками и звёздами. Таким способом инфляционная теория устанавливает замечательную связь между самыми большими и самыми маленькими структурами космоса. Само существование галактик, звёзд, планет и жизни как таковой возникает из микроскопической квантовой неопределённости, усиленной инфляционным расширением.

Теоретические умозаключения, лежащие в основе инфляции, не являются бесспорными: в конце концов, инфлатон является гипотетическим полем, существование которого всё ещё нужно доказать; кривая потенциальной энергии была постулирована теоретически, а не обнаружена экспериментально; инфлатон обязан каким-то образом начать свою эволюцию в заданной области пространства с самого верха кривой потенциальной энергии, и так далее. Несмотря на это, даже если какие-то детали теории не совсем верны, согласие между теорией и экспериментом убедило многих, что инфляционный сценарий правильно отражает фундаментальные представления о космической эволюции. Поскольку в большинстве сценариев инфляция является вечной и приводит к постоянно растущему числу дочерних вселенных, то такое объединение теории и эксперимента является пусть косвенным, но убедительным аргументом в пользу существования ещё одной версии параллельных миров.

Встречаем инфляционную мультивселенную

В лоскутной мультивселенной нет резкого раздела между одной параллельной вселенной и другой. Они все являются частями единственного пространства, качественные характеристики которого не сильно меняются от области к области. Сюрприз поджидает нас при более детальном рассмотрении. Большинство из нас никак не ожидают, что миры повторяются; мы не готовы регулярно сталкиваться со своими клонами, клонами друзей и близких. Но если бы мы могли углубиться в космос достаточно далеко, то обнаружили бы именно это.

В инфляционной мультивселенной есть резкий раздел между вселенными. Они являются дырками в космическом сыре, отделёнными друг от друга «сырно-заполненными» областями, в которых значение поля инфлатона остаётся большим. Поскольку «сырно-заполненные» промежуточные области до сих пор испытывают инфляционное расширение, дочерние вселенные, выросшие из пузырьков, быстро удаляются друг от друга со скоростью разбегания, пропорциональной объёму расширившегося пространства между ними. Чем дальше они удаляются, тем выше скорость расширения: в итоге удалённые пузырьки-вселенные разлетаются быстрее, чем скорость света. Даже при неограниченных технологиях и длительности жизни нет никакого способа преодолеть подобный раздел. Более того, нет никакого способа послать хотя бы сигнал.

И всё же мы можем вообразить путешествие к одной или многим дочерним вселенным. Что бы мы обнаружили во время такого путешествия? Поскольку каждая дочерняя вселенная возникает в результате одного и того же процесса — инфлатон скатывается с верхней точки, в результате чего область выходит из инфляционного режима, — все они управляются одной физической теорией, и поэтому подчиняются одному своду физических законов. Но так же как поведение однояйцевых близнецов может в корне отличаться в зависимости от окружения, так и тождественные законы при разных условиях могут проявлять себя огромным количеством способов.

Например, вообразите некую дочернюю вселенную, которая выглядит почти как наша, вся в галактиках, содержащих звёзды и планеты, однако с одним существенным отличием. Эту вселенную пронизывает магнитное поле, в тысячи раз более сильное, чем создаваемое в новейших магнитно-резонансных томографах, но нет такого оператора, который смог бы его отключить. Это мощное поле будет воздействовать на поведение многих вещей. Не только предметы с большим содержанием железа будут следовать привычке плыть по линиям поля, изменятся сами фундаментальные свойства частиц, атомов и молекул. Достаточно сильное магнитное поле настолько разрушительно для клеточных образований, что жизнь в привычном нам виде будет невозможна.

Физические законы одинаковы как внутри магнитно-резонансных томографов, так и снаружи, поэтому фундаментальные физические законы в намагниченной вселенной будут ровно такими же, как у нас. Различия в экспериментальных результатах и наблюдаемых свойствах будут полностью обусловлены внешними условиями — сильным магнитным полем. Талантливые учёные в намагниченной вселенной моментально выделят этот внешний фактор и придут к открытию таких же математических законов, как у нас.

В течение последних сорока лет исследователи разработали модель аналогичного сценария прямо здесь, в нашей с вами Вселенной. Самая известная теория в фундаментальной физике — Стандартная модель физики частиц — постулирует, что мы помещены в экзотический туман, название которому поле Хиггса (в честь английского физика Питера Хиггса, который, опираясь на работы Роберта Брута, Франсуа Энглера, Джеральда Гуральника, Карла Хагена и Тома Киббла, впервые сформулировал эту идею в 1960-х годах). Поле Хиггса и магнитное поле невидимы, и поэтому могут заполнять пространство без прямого указания на своё присутствие. Однако согласно современной теории частиц поле Хиггса маскируется более тщательно. При движении частиц сквозь однородное, заполняющее всё пространство поле Хиггса они не ускоряются, не замедляются, не следуют по каким-то особым траекториям, как в присутствии сильного магнитного поля. Из теории следует, что воздействие на частицы со стороны поля Хиггса более тонкое и глубокое.

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.[10]

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; 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.{30}

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.

Это важно, потому что подобно тому, как устойчиво уменьшающееся количество изотопа углерода C14 в органическом мире даёт способ измерения времени на Земле, постоянно уменьшающаяся плотность массы даёт способ измерения времени во Вселенной. Поскольку уменьшение плотности происходит однородно, плотность массы как маркер течения времени обеспечивает наш пузырёк-вселенную единым стандартом. Если каждый из нас аккуратно установит время на своих часах в соответствии со средней плотностью массы (перенастройка обязательно понадобится после путешествия к чёрной дыре, либо после путешествий с околосветовыми скоростями), то все часы во Вселенной будут синхронизированы. Когда мы говорим о возрасте Вселенной, то есть о возрасте нашего пузырька, то речь идёт о времени, измеренном по таким воображаемым космическим синхронизированным часам. Единое космическое время осмысленно, только если оно измерено по таким часам.

Такой же вывод справедлив для раннего пузырька-вселенной, но с одной оговоркой. Обычное вещество ещё не сформировалось, поэтому нельзя говорить о средней плотности массы в пространстве. Наоборот, поле инфлатона наполняет нашу Вселенную энергией, которая вскоре будет преобразована в привычные частицы. Это следует учитывать, и установить свои часы согласно плотности энергии поля инфлатона.

Теперь вспомним, что энергия инфлатона задаётся его значением, что отражается кривой потенциальной энергии. Таким образом, чтобы определить время в заданной точке в нашем пузырьке-вселенной, мы должны определить в этой точке значение инфлатона. Затем, подобно тому как два дерева имеют одинаковый возраст, если у них одинаковое количество колец, а два образца ледникового отложения имеют одинаковый возраст, если процентное содержание изотопа углерода в них совпадает, — две точки пространства находятся в том же времени, если значения поля инфлатона в этих точках одинаковы. Таким способом мы устанавливаем и синхронизируем часы в нашем пузырьке-вселенной.

Причина, по которой я всё это обсуждаю, в том, что в приложении к космическому швейцарскому сыру инфляционной мультивселенной из этих размышлений следует вывод, который резко противоречит здравому смыслу. Подобно Гамлету, восклицавшему: «О боже, я бы мог замкнуться в ореховой скорлупе и считать себя царём бесконечного пространства»[11], — каждая из дочерних вселенных, выросших из пузырьков, обладает конечной пространственной протяжённостью, если на неё смотреть снаружи, но бесконечной, если смотреть изнутри. Осознание этого факта бесподобно. Именно бесконечное пространство необходимо для лоскутных параллельных вселенных. Поэтому теперь мы можем ввести лоскутную мультивселенную в инфляционный сценарий.

Крайнее несоответствие между внутренней и внешней перспективами возникает из-за того, что представления о времени внутреннего и внешнего наблюдателей совершенно не совпадают. Хотя это совсем не очевидно, но сейчас мы увидим, что то, что внешнему наблюдателю кажется бесконечным временем, для внутреннего наблюдателя в каждый данный момент времени кажется бесконечным пространством.{31}

Пространство в дочерней вселенной

Чтобы понять, как такое может быть, представьте себе некую молодую даму по имени Трикси, которая, путешествуя вместе с быстро расширяющейся областью пространства, заполненного инфлатоном, наблюдает образование из находящегося поблизости пузырька дочерней вселенной. Направив свой инфлатонный детектор на растущий пузырёк, она сможет напрямую зафиксировать изменение значения поля инфлатона. И хотя эта область — дырка в космическом сыре — трёхмерна, проще измерить поле вдоль какой-нибудь одномерной линии поперечного сечения по диаметру, и если Трикси так поступит, то получит данные, приведённые на рис. 3.8а. Строчки показывают значение инфлатона, измеренного последовательно во времени (чем выше, тем позже по времени) с точки зрения Трикси. Из рисунка очевидно, что Трикси видит пузырёк постоянно растущим (более светлые области на рисунке соответствуют меньшим значениям инфлатона).

Рис. 3.8а. По строкам указана величина инфлатона в определённый момент времени с точки зрения внешнего наблюдателя. Чем выше строка, тем более позднему моменту она соответствует. Столбцы соответствуют положению в пространстве. Пузырёк — это такая область пространства, в которой инфляция закончилась из-за уменьшения значения инфлатона. Всё более и более светлые клетки соответствуют величине инфлатона внутри пузырька. С точки зрения внешнего наблюдателя пузырёк всё время увеличивается

Теперь представим, что некий джентльмен Нортон тоже изучает тот же пузырёк, но только изнутри. Он упорно трудится, проводя точные астрономические наблюдения с помощью своего инфлатонного детектора. В отличие от Трикси, Нортон калибрует время по значению инфлатона. Эти рассуждения играют ключевую роль для понимания искомого вывода, поэтому постарайтесь в них вникнуть до конца. Итак, представьте, что все в нашем пузырьке-вселенной носят часы, измеряющие и показывающие значение инфлатона. Когда Нортон устраивает вечеринку, он приглашает гостей прийти к нему домой, когда инфлатонные часы покажут 60. Поскольку все часы установлены одинаково согласно единому стандарту — значению поля инфлатона, — вечеринка начнётся без заминки. Все придут в один и тот же момент времени, потому что у всех одно представление о синхронности.

В такой ситуации Нортону будет несложно определить размер пузырька-вселенной в любой заданный момент его шкалы времени. На самом деле всё просто, как в детских раскрасках, когда части рисунка обозначены цифрами, указывающими, каким цветом это нужно сделать. Соединяя все точки с одинаковым численным значением поля инфлатона, Нортон очертит всю область пузырька в какой-то определённый момент времени. Его времени. Времени внутреннего наблюдателя.

Результаты Нортона показаны на рис. 3.8б. Каждая линия соединяющая точки с одинаковыми значениями поля инфлатона отображает пространство в данный момент времени. Из рисунка явно следует, что каждая линия тянется бесконечно, и это означает, что размер пузырька-вселенной с точки зрения его населения бесконечен. Таким образом, бесконечное время снаружи, которое для Трикси представляется в виде бесконечного числа строк на рис. 3.8, оказывается в каждый момент времени безграничным пространством для внутреннего наблюдателя такого как Нортон.

Рис. 3.8б. Та же самая информация, что и на рис. 3.8а, видится иначе наблюдателю внутри пузырька. Совпадающие значения инфлатона соответствуют одинаковым моментам времени, поэтому нарисованные линии проходят через те точки пространства, которые существуют в один и тот же момент времени. Меньшие значения инфлатона соответствуют более поздним моментам. Заметим, что линии можно продолжить бесконечно далеко, так что с точки зрения внутреннего наблюдателя пространство бесконечно

Это очень серьёзное достижение. В главе 2 мы выяснили, что существование лоскутной мультивселенной зависит от того, бесконечен или нет размер пространства, а теперь оказывается, что это совсем не обязательно. Каждый пузырёк в инфляционной вселенной имеет конечный пространственный размер, если смотреть снаружи, и бесконечный размер, если смотреть изнутри. Таким образом, если инфляционная мультивселенная реальна, то население пузырька — мы — живёт не только в инфляционной, но также в лоскутной мультивселенной.{32}

Когда я впервые узнал о лоскутной и инфляционной мультивселенных, именно инфляционный сценарий представлялся мне наиболее правдоподобным. Инфляционная космология дала ответы на ряд давних вопросов и сделала предсказания, хорошо согласующиеся с наблюдениями. Как мы видели выше, инфляция по своей природе является процессом, который никогда не останавливается; она порождает и порождает пузырьки-вселенные, в одном из которых мы с вами живём. В свою очередь идея лоскутной мультивселенной, вступающая в полную силу, когда пространство не просто большое, а бесконечное (у вас может появиться клон в большой вселенной, а может и нет, но он обязательно появиться в бесконечной вселенной), может и не реализоваться: в конце концов может оказаться, что размер вселенной конечен. Но теперь мы видим, что пузырьки-вселенные, возникающие при вечной инфляции с точки зрения находящихся внутри них наблюдателей, являются пространственно бесконечными. Инфляционные параллельные вселенные порождают лоскутные вселенные.

Самая лучшая из имеющихся космологических теорий для объяснения большинства имеющихся космологических данных приводит нас к мысли о том, что мы населяем лишь одну из обширных инфляционных систем параллельных вселенных, в каждой из которых сокрыто своё многообразие параллельных лоскутных вселенных. Космос, каким он представляется в самых передовых исследованиях, содержит не только параллельные вселенные, но и вселенные, параллельные параллельным. Это наводит на мысль, что реальность не просто обширна — она невообразимо обширна.

Глава 4. Объединяя законы природы

На пути к теории струн

Современная космология, от Большого взрыва до инфляции, ведёт своё начало из одного научного ядра: общей теории относительности Эйнштейна. В новой теории гравитации Эйнштейн отбросил общепринятое представление о жёстком и неизменном пространстве и времени; перед наукой предстал динамичный космос. Открытия такого масштаба крайне редки. Но Эйнштейн мечтал о покорении ещё более высоких вершин. С накопленным к 1920-м годам математическим арсеналом и геометрической интуицией он приступил к развитию единой теории поля.