Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Но она не обязательно должна быть такой простой. Вселенные могут быть искривленными и конечными. Или они могут возникать из «материнской» вселенной, которая бесконечна сама по себе. Или такие «дочерние» вселенные тоже могут быть бесконечными. Представьте себе, что вы выдуваете пузырь из жевательной резинки. Если вы хоть раз пытались это сделать, то знаете, что маленькие пузыри обычно сдуваются, а те, что побольше, продолжают расти (и в итоге лопаются, но этот факт мы пока что игнорируем). Вообразите, что такой пузырь начинает расти в той части плоской вселенной, которая плотно населена амебообразными существами. Кого-то из них затянет внутрь, а кто-то останется снаружи, в ужасе наблюдая, как его друзья исчезают в небытии. Но все прошло удачно, большинство амеб, оказавшихся внутри пузыря, пережили этот катаклизм и начали исследовать новый мир. Сменились поколения, и наконец ученые измерили радиус кривизны пространства и выяснили, что они живут в замкнутом сферическом космосе. Все это время пузырь продолжал расти, поэтому к данному моменту туннель, соединяющий его с материнской вселенной, уже находится за пределами их космического горизонта. Они живут в замкнутой расширяющейся вселенной, не зная о своей связи с плоским бесконечным космосом. Возможно, в их мире существует миф, повествующий о боге, который выдул их вселенную из другой вселенной, населенной богами, которые целыми днями занимаются только тем, что надувают другие пузыри. В это же время существа, оставшиеся в материнской вселенной, наблюдают, как вход в пузырь становится все уже и уже, пока наконец не закрывается вовсе. Вместо него остается лишь шрам на ткани пространства, отмечающий эти давние события. Вселенная-пузырь, возможно, остается соединенной с материнской вселенной чем-то вроде пуповины, но их жители уже изолированы друг от друга.

Может ли что-то подобное происходить на самом деле? Как ни удивительно, да, это теоретически возможно. И вот почему.

Для начала вообразите себе вселенную, наполненную материей Хиггса. Не думайте, что это то же самое, что и бозон Хиггса в стандартной модели. Все теории физики частиц, пытающиеся объяснить физику энергий, не входящих в стандартную модель, обычно включают в себя дополнительную материю, похожую на бозоны. Давайте впредь называть материю Хиггса ее настоящим именем – поле. Понятие поля было введено в XIX веке Майклом Фарадеем и Джеймсом Клерком Максвеллом в рамках их теории электромагнетизма и является ключевым в современной физике. По сути, поле представляет собой пространственное влияние определенного источника. Для того чтобы составить картину температурного поля в комнате, нужно всего лишь измерить температуру в разных ее точках. Такое поле, зависящее исключительно от значения температуры в определенной точке в пространстве, называется скалярным. Еще один тип поля – это скорость потока воды в реке. Если течение не идеально равномерно, то в нем всегда будут существовать отклонения и завихрения. Поле, для которого важно не только значение в определенной точке, но и направление движения в ней, называется векторным. В качестве примера векторного поля можно привести поток ветра, дующего вокруг дома. Хиггсовы поля скалярны, в то время как электромагнитные состоят одновременно из скалярных и векторных полей.

Но вернемся к нашей модели вселенной. Давайте представим, что это заполняющее весь космос Хиггсово поле не достигло своего минимального уровня энергии и смещенная энергия заставляет его разгоняться и расширяться. И здесь возникает важнейший момент, приводящий нас к идее множественности вселенных. Вовсе не обязательно, чтобы вся вселенная была наполнена смещенной энергией скалярного поля. Хватит и небольшого участка. Если его объем будет достаточным, то он будет раздуваться на фоне огромной, потенциально бесконечной вселенной, как воздушный шарик. Точно так же мы выдуваем пузыри из жвачки! Вот только толчок, который заставляет пузырь расти, дает не бог, а смещенная энергия скалярного поля. Насколько большим должен быть такой участок пространства, чтобы расти в геометрической прогрессии? На самом деле хватит и пространства, охваченного космическим горизонтом. Например, при том уровне энергии, который заставил частицы приобретать массу в присутствии бозона Хиггса (и существовал примерно в течение одной триллионной доли секунды после Большого взрыва), достаточно было бы одного миллиметра. И чем ближе к началу времени, тем меньше становится этот участок. Итак, пока мы всего лишь представляем, что этот участок пространства, наполненный скалярным полем, возник в прошлом точно так же, как и наша Вселенная. К вопросу этого возникновения мы еще вернемся.

Таким образом, мы можем представить себе сценарий, при котором пространство космоса похоже на клетчатый плед, в разных клетках которого скалярное поле имеет разные значения, отличные от его минимального уровня энергии. Вообразите, что на каждом из таких участков стоит холм с катящимся по склону мячом и при этом каждый мяч находится на разной высоте. Достаточно большие участки пространства будут расширяться в геометрической прогрессии, а скорость расширения будет зависеть от количества смещенной энергии на участке (чем выше мяч на склоне, тем быстрее расширение). Очень скоро космос превратится в кучу разномастных пузырей, растущих с разной скоростью. Каждый из таких пузырей – это потенциальная вселенная, связанная с материнской вселенной трубкой или туннелем, своеобразной пуповиной, которую чаще называют кротовиной (кротовой норой, червоточиной). Этот сценарий, получивший название хаотической инфляции, был предложен в 1980-х годах американским космологом российского происхождения Андреем Линде, который сейчас работает в Стэнфордском университете. Слово «хаотический» в данном случае обозначает случайное распределение значений скалярного поля на различных участках пространства.

Линде добавил в свою модель потрясающий ход. Квантовая механика учит нас, что ничто в Природе не остается неподвижным. Все вибрирует, пускай эти вибрации и не воспринимаются нами в повседневной жизни. Но для скалярного поля, наполняющего нашу гипотетическую вселенную, эти квантовые колебания очень важны. Чем дальше поле отходит от своего минимального уровня энергии, тем колебания сильнее. Если в уже надувающемся пузыре достаточно большой кусок поля достигнет более высокого уровня энергии, он начнет расти с другой скоростью. В результате он отколется от пузыря и сформирует собственную вселенную, «внучку» оригинальной. Читатель легко может представить себе эту картину: пузыри, постоянно возникающие на поверхности других пузырей и формирующие все новые и новые вселенные с собственной историей. Линде заключил, что вселенная, наполненная скалярным полем с уровнем энергии, смещенным от минимального, в обязательном порядке будет порождать новые вселенные и, таким образом, превратится в постоянно растущую мультивселенную без начала и конца.

В это же время еще один космолог российского происхождения, Александр Виленкин из Университета Тафта, предложил альтернативную теорию, ведущую к аналогичным последствиям. Виленкин рассматривал поля с крайне плоским начальным распределением энергии (если раньше мы использовали аналогию со склоном холма, то эти поля можно сравнить с вершинами горных плато). Если в теории Линде квантовый эффект толкал поле вверх и вниз, то в модели Виленкина поле случайным образом двигалось по плато в различных направлениях. Если участок с таким плато оказывается достаточно большим, он растет по экспоненте, производя множество пузырей. Виленкин назвал свою модель вечной инфляцией, так как он заключил, что в мире всегда будут существовать плато, расположенные достаточно высоко на склоне нашего воображаемого холма и ведущие к разрастанию пространства. В каких-то регионах поле уже достигнет минимального энергетического уровня, и фаза ускоренного роста прекратится (как это случилось с нашей Вселенной), а в каких-то в это же время он только начнется. Виленкин показал, что растущие участки будут возникать чаще, чем замедляющие свое расширение.[72] Итак, двое моих российско-американских коллег (от общения с которыми на совместных встречах я всегда получаю удовольствие) создали запутанные модели бесконечно самовоспроизводящихся вселенных. Пускай каждый участок имеет свое начало и свою историю, сама мультивселенная может существовать вечно. Большой взрыв может оказаться лишь одним из множества разнообразных случаев зарождения вселенных.