Большое космическое путешествие - Дж. Ричард Готт

Рис. 23.6. Пространственно-временная схема Вселенной, туннелировавшей из ничего. Иллюстрация предоставлена Дж. Ричардом Готтом, адаптирована из Time Travel in Einstein’s Universe, Houghton Mifflin, 2001

Квантовое туннелирование – по-настоящему странная штука. Мы считаем, что Вселенная началась с какого-то странного события, поскольку последовавшие события были поистине замечательными. Может быть, это было квантовое туннелирование. Но на самом деле мы начинаем не с полного «ничто». Вначале было квантовое состояние, соответствующее Вселенной нулевого размера, в котором заложена вся информация о законах физики и квантовой механики. Как ничто может содержать информацию о законах физики? Законы физики – это просто правила, которым подчиняется материя. Если материи нет, то каков смысл физических законов? Это одна из проблем, связанных с возникновением Вселенной из ничего.

Тем временем Андрей Линде отметил, что инфлирующая Вселенная может породить другую инфлирующую Вселенную путем квантовой флуктуации. Деситтеровский инфляционный раструб может породить другой такой же раструб, который отпочкуется и станет расти сам, как ветка на дереве. На самом деле эта ветка инфлирует и станет такой же большой, как ствол, а также выпустит собственные ветки. Ветки будут расти от веток, и образуется бесконечная Вселенная-фрактал, полностью происходящая от исходного ствола. Каждая отдельная ветка – это воронка, в которой могут образовываться пузырьковые вселенные (см. рис. 23.3). Возможно, мы живем в пузырьковой вселенной на одной из веток, но по-прежнему остается вопрос: откуда взялся ствол?

Мы с Ли-Синь Ли пытались ответить на этот вопрос. Мы предположили, что одна из веток завернулась во времени назад и превратилась в ствол. Наша модель показана на рис. 23.7. В верхней части рисунка изображены четыре воронкообразные деситтеровские инфлирующие вселенные, обозначенные слева направо 1, 2, 3 и 4. Вселенная 2 порождает вселенную 1. Вселенная 2 порождает вселенную 3. Вселенная 3 порождает вселенную 4. Вселенная 4 – правнучка вселенной 2. Эти ветви продолжат расширяться, порождать новые ветви, и так до бесконечности. Эти воронки не сталкиваются друг с другом: представьте себе, что они растут рядом друг с другом в некоем пространстве с высшими измерениями. На этой пространственно-временной схеме, как и на предыдущей, реальна только поверхность.

Теперь переходим к наиболее удивительному свойству этой модели: вселенная 2 также порождает новую ветку, которая заворачивается во времени и становится стволом. В самом начале возникает небольшая временная петля, по форме напоминающая кольцо в цифре «6». Вселенная 2 – сама себе мать! Как мы уже говорили, общая теория относительности допускает существование петель в пространстве-времени. В этой модели нет сингулярностей кривизны. Нам удалось найти для этой вселенной самосогласованное и стабильное квантовое состояние вакуума. У временной петли есть горизонт Коши, граница той зоны, в которой возможны путешествия во времени. Горизонт пересекает ствол под углом 45°, как раз там, где ветка отходит от дерева. Можно закручивать петлю в «шестерке» снизу столько раз, сколько захочется, но если перейти на ветку, которая напоминает хвостик «шестерки», то пути назад не будет. Если вы еще не достигли горизонта Коши, то можете вернуться с ветки и зайти еще на один круг, чтобы посмотреть на себя в прошлом, но стоит пересечь горизонт Коши и миновать точку ветвления – и вам останется путь только вверх, к одной из верхних воронок. В самом начале этой вселенной стоит маленькая машина времени, которая однажды останавливается. Любопытно, что выход из такой машины времени стабилен, поэтому машину времени удобнее строить в начале существования Вселенной.

Рис. 23.7. Самопорождающаяся Вселенная Готта – Ли. Петля внизу – это машина времени; Вселенная рождает сама себя. Иллюстрация сделана по материалам статьи J. Richard Gott, Robert J. Vanderbei, Sizing Up the Universe, National Geographic, 2011

Это интересно, поскольку если установить машину времени у зарождения Вселенной, появится возможность объяснить первопричину этой Вселенной. Каждому событию во Вселенной предшествует какое-то другое событие. Если вы окажетесь в петле времени, то против часовой стрелки от вас всегда будут какие-то события, расположенные в прошлом и порождающие причинно-следственную связь. Мультивселенная конечна в прошлом, но самого раннего события в ней нет. Согласно общей теории относительности, такое возможно в искривленном пространстве-времени.

По-видимому, эта теоретическая модель также хорошо согласуется с теорией суперструн. Теория суперструн, она же M-теория, описывает одиннадцатимерное пространство-время, состоящее из одного макроскопического измерения времени, трех измерений пространства и семи дополнительных пространственных измерений, микроскопических и свернутых, – они понравились бы Калуце и Клейну. Сложная форма микроскопических измерений определяется законами физики. Интересно, что, согласно инфляционной теории, три наблюдаемых сегодня макроскопических измерения изначально были столь же малы, как и микроскопические измерения Калуцы – Клейна; это была деситтеровская талия размером около 3 × 10–27 см. В ходе инфляции эта микроскопическая деситтеровская окружность радикально увеличилась. Сначала в ней насчитывалось десять микроскопических свернутых пространственных измерений; семь такими и остались, а три просто раздулись до огромных размеров в самом начале времен. В нашей модели (Готта – Ли) предполагается, что исходное время также было свернуто в микроскопическую петлю. Возможно, ее окружность во времени (продолжительность обхода петли) составляла примерно от 5 × 10–44 до 10–37секунд (в случае предложенного нами самосогласованного квантового состояния вакуума). В этой временной петле свернуты все десять измерений пространства и времени, все они микроскопические.

Одно из удивительных свойств инфляции заключается в том, что небольшой участок инфлирующего вакуума расширяется и заполняет огромное пространство, но каждый мельчайший фрагмент этого пространства выглядит как исходный участок. Если один из этих мельчайших участков – исходный, то у нас появляется петля времени. Следовательно, в нашей теории Вселенная возникает не из ничего, а из чего-то, из маленького фрагмента самой себя. Вселенная может быть собственной матерью. Путешествия во времени – довольно необычный феномен, допустимый в рамках общей теории относительности; возможно, именно путешествия во времени объясняют, как возникла Вселенная.

Я бы сказал, что на сегодняшний день инфляционная теория вполне оформилась. Она подробно объясняет наблюдаемые флуктуации РИ (вспомните рис. 15.3). Если вы сомневаетесь в факте инфляции, не забывайте, что вялотекущая инфляция идет и сегодня. Расширение Вселенной ускоряется; по всей видимости, это связано с низкой плотностью современного состояния вакуума (темной энергии), которая составляет 6,9 × 10–30 г/см3. Инфляция началась потому, что в юной Вселенной темной энергии было очень много. По-видимому, в результате инфляции неизбежно возникает Мультивселенная. Насколько ученые в этом уверены? Однажды сэра Мартина Риса (королевского астронома) спросили на конференции, насколько он уверен, что мы живем в Мультивселенной. Рис ответил, что голову на отсечение не даст, но готов поспорить на жизнь собственного пса, что это так. Линде говорил, что поскольку потратил десятки лет на разработку инфляционной теории, он готов поспорить на собственную жизнь, что она верна. Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг сказал, что готов поставить на эту теорию две жизни – и Линде, и пса Мартина Риза!