Вечная инфляция

Некоторые ученые думают, что Вселенная началась с сингулярности — бесконечно малого объёма с бесконечной плотностью энергии. Другие, и в особенности Стивен Хокинг и его последователи, верят в квантовое туннелирование из ничего. Мы знаем только одно: Вселенная когда-то началась. И в какой-то момент времени в прошлом она находилась в состоянии с очень большой плотностью энергии и, возможно, претерпела инфляционное расширение. Почти все космологи «верят» в то, что гипотеза об инфляционной стадии расширения Вселенной очень хорошо объясняет многие космологические загадки. В главе 4 я уже рассказывал о наблюдательных фактах, лежащих в основе этой веры.

Мы все уверены, что наблюдаемая история нашей Вселенной началась примерно 14 миллиардов лет назад в точке Ландшафта, где плотность энергии оказалась достаточной для того, чтобы обеспечить инфляционное расширение пространства как минимум в 10^20 раз. Причём эта величина, вполне возможно, недооценена. Плотность энергии в эту эпоху была невероятно огромна — мы не можем сказать, насколько огромна, но уж точно несоизмеримо больше, чем плотность энергии, достижимая в самых мощных ускорителях элементарных частиц. Повидимому, в то время Вселенная ещё не была поймана в ловушку одной из долин Ландшафта, а покоилась на относительно гладком и пологом плато. В процессе инфляции наш карман пространства (наша наблюдаемая Вселенная) медленно двигался по этому плато, имевшему небольшой уклон, к крутому обрыву в его конце. При падении с обрыва потенциальная энергия нашей Вселенной преобразовалась в тепло и элементарные частицы, породив материю, из которой впоследствии образовались звёзды и галактики. Это событие, при котором Вселенная заполнилась веществом, носит название повторный разогрев. После этого она скатилась на дно нашей долины с тонко настроенной под удобное для нашего существования значение космологической постоянной. Вся наша космология относится именно к этому короткому периоду падения Вселенной от одного значения энергии вакуума к другому. Именно в этот период произошли все самые интересные события в истории наблюдаемой Вселенной.



Как карман с нашей Вселенной оказался на краю обрыва? Этого мы не знаем. Но очень удобно считать, что Вселенная началась именно тут. Без инфляции, вызванной высокой плотностью энергии на плато, вселенная не смогла бы эволюционировать в ту заполненную веществом Вселенную, которая нас окружает: достаточно большую, достаточно гладкую, достаточно однородную и при этом имеющую именно такую степень неоднородности, которая лучше всего подходит для возникновения жизни.

Проблема теории, которая ставит нас в начале времён на край обрыва, в том, что это всего лишь одна из колоссального количества возможных отправных точек. Единственное отличие этой точки от других состоит в том, что она предоставляет потенциальную возможность для развития жизни. Случайное помещение Вселенной в такую удачную точку Ландшафта — не лучший аргумент для исследователя, который хочет объяснить происхождение нашего мира без апелляции к концепции разумного замысла. Но, как я расскажу далее, теория, содержащая гигантский ландшафт, и не требует никакого выбора. На мой взгляд, совершенно неизбежно, более того, математически доказуемо, что если ландшафт очень разнообразен, то всегда найдётся такая часть пространства, которая эволюционирует в удачную для нас точку Ландшафта. Но не все с этим соглашаются.

Принстонский космолог Пол Стейнхардт в порядке критики антропного принципа заявил: «Антропный принцип допускает огромное количество предположений, связанных с существованием множества вселенных… Зачем же все эти гипотезы о существовании бесконечного числа вселенных, обладающих множеством разных свойств? Неужели только для того, чтобы объяснить существование нашей собственной?» Ответ состоит в том, что нам не нужно высказывать никаких необоснованных гипотез — они естественным образом вытекают из общепризнанных принципов теории относительности и квантовой механики.

Это парадоксально, но в своей же собственной работе Стейнхардт сформулировал зародыш идеи вечной инфляции, причём там же он привёл аргументы, которые, с моей точки зрения, свидетельствуют в пользу того, что вечная инфляция неизбежна. Вселенная бесконечно дробится на карманы, которые возникают как пузырьки в только что открытой бутылке шампанского. Есть только два предположения о том, почему это происходит: из-за существования Ландшафта и из-за того, что Вселенная началась с состояния с очень высокой плотностью энергии, или, что то же самое, на большой высоте Ландшафта. Причём первое предположение, видимо, может быть доказано математически, и в этом смысле оно вообще не является предположением. Всё идёт к тому, что существование Ландшафта неизбежно вытекает из математики теории струн. Что до второго предположения, то высокая начальная плотность энергии — это практически наблюдаемый факт, она проявляется в форме того самого Большого взрыва, с которого начинается любая уважающая себя космология.

Позвольте мне объяснить, почему я вместе с большинством других космологов нахожу идею вечной инфляции очень убедительной. Прежде всего должен признаться, что это не моя идея. Впервые она была высказана космологами Аланом Гутом, Андреем Линде, Полом Стейнхардтом и Александром Виленкиным, а затем развита одним из величайших физиков моего поколения Сиднеем Коулманом. Итак, начнём с вселенной, или даже просто с области пространства, расположенной в произвольной точке на Ландшафте. Единственное требование к этой точке: плотность энергии в ней должна быть достаточно большой. Как и любая механическая система, наша область пространства начнёт эволюционировать в сторону той части Ландшафта, где потенциальная энергия ниже. Представьте себе шар для боулинга, катящийся с вершины Эвереста. Какова вероятность того, что он докатится до берега Индийского океана, а не застрянет где-нибудь по дороге? Мягко говоря, не слишком высока. Гораздо более вероятно, что шар упокоится в какой-нибудь долине недалеко от горы. Причём знание начальных условий — точного места, откуда начал катиться шар, и точного значения его начальной скорости — вряд ли поможет нам предсказать, где именно он застрянет.

Ровно то же, что происходит с шаром для боулинга, произойдёт и с нашей областью пространства: скорее всего, она упадёт на дно какой-нибудь долины, где начнёт раздуваться. В процессе этого раздувания будут клонированы колоссальные объёмы пространства, и всё оно останется в этой долине. Конечно, существуют и другие долины, расположенные ниже той, в которой застрял наш пространственный пузырь, но чтобы добраться до них, Вселенной придётся перелезать через горные перевалы, высота которых намного превышает высоту долины, а сделать это она не сможет, потому что у неё уже не будет достаточно энергии. Поэтому наша Вселенная навсегда останется раздуваться в своей долине.

Но мы забыли одну вещь. Вакууму присуща квантовая дрожь. Подобно тому, как тепловая дрожь переохлаждённой воды вызывает спонтанное возникновение и исчезновение центров конденсации, квантовая дрожь вакуума рождает небольшие пузырьки альтернативного вакуума, которые тут же исчезают. Внутренность этих пузырьков может соответствовать условиям соседней долины, лежащей ниже нашей. Образование пузырьков происходит постоянно, но по большей части они слишком малы, чтобы расти дальше. Поверхностное натяжение доменной стенки отделяет пузырёк от остальной части вакуума и сжимает его. Но, так же как и в случае с переохлаждённой водой, рано или поздно в нашем пространстве образуется пузырёк, который окажется достаточно большим, чтобы начать расти.

Математическое описание формирования такого пузырька в инфлюирующей вселенной было известно уже достаточно давно. Ещё в 1977 году Сидней Коулман и Франк де Лючия опубликовали статью, которой суждено было стать классической. Они рассчитали скорость, с которой такие пузыри будут возникать в раздувающейся вселенной, и, хотя скорость (количество пузырьков, образующихся в единицу времени в единице объёма) может быть очень мала, она, безусловно, не равна нулю. В их расчётах использовались только самые надёжные и проверенные методы квантовой теории поля, методы, по убеждениям большинства физиков, надёжные как скала. Таким образом, если только в наших фундаментальных теориях нет чего-то ужасно неправильного, инфлюирующий вакуум должен порождать растущие пузыри, условия внутри которых соответствуют условиям в соседних долинах.

Может ли столкновение пузырей привести к тому, что в конечном итоге всё пространство вселенной окажется в одной из соседних долин? Или, другими словами: расширяется ли пространство между пузырями достаточно быстро, чтобы предотвратить их столкновение и слияние? Ответ зависит от конкуренции между двумя параметрами: скоростью формирования пузыря и скоростью воспроизводства нового пространства — скоростью клонирования. Если пузырьки растут очень быстро, то они будут сталкиваться и в конечном итоге всё пространство «пере-льётся» в новую долину на Ландшафте. Но если скорость, с которой генерируется новое пространство, больше, чем скорость, с которой растут пузыри, то инфляция победит и пузыри никогда не встретятся друг с другом. Подобно ледяным островам в разливающемся озере переохлаждённой жидкости, пузыри будут развиваться изолированно и в конечном итоге окажутся за пределами горизонтов событий друг друга. Основная же часть пространства продолжит свою вечную инфляцию.

Так что же побеждает: пузырьковая нуклеация или клонирование пространства? В общем случае вопрос остаётся открытым. Пузырьковая нуклеация, как все прочие туннельные процессы, — явление редкое и маловероятное. Как правило, для того, чтобы возник пузырь, достаточно большой, чтобы не схлопнуться обратно, а начать расширяться, должно пройти очень, очень большое время. С другой стороны, скорость клонирования пространства, то есть его экспоненциальный рост за счёт энергии вакуума, чрезвычайно велика, если только космологическая постоянная не пренебрежимо мала. В большинстве случаев, кроме совсем уж надуманных, пространство продолжает клонировать само себя экспоненциально, в то время как пузыри медленно возникают в соседних долинах Ландшафта. Клонирование пространства побеждает в нашей гонке с огромным отрывом.

Теперь давайте заглянем внутрь одного из пузырей. Что мы увидим? Скорее всего, мы окажемся в долине, высота которой несколько меньше, чем высота той долины, из которой мы заглянули внутрь. Пространство внутри пузыря тоже растёт. Я имею в виду не простое расширение пузыря, а клонирование пространства внутри него. Таким образом, история будет повторяться снова и снова. Новая область пространства в настоящее время находится в новой долине. Но есть и другие долины, расположенные ещё ниже. Внутри пузыря первого поколения может образоваться пузырь второго поколения, пространство внутри которого будет соответствовать ещё более низко расположенной соседней долине. И если этот пузырь окажется больше критического размера, он начнет расти, и мы получим растущий пузырь внутри растущего пузыря.



Обычно я стараюсь избегать биологических аналогий в физике, потому что люди склонны воспринимать их слишком буквально. Но я всё же использую сейчас одну из них. Только, пожалуйста, не подумайте, что я считаю, будто вселенные, чёрные дыры или электроны действительно являются живыми и участвуют в дарвиновском отборе или занимаются сексом.

Представьте Мегаверсум в виде колонии организмов, которые воспроизводятся путём клонирования. Ещё раз подчеркну, что под словом «организм» я понимаю не живое существо, а самовоспроизводящуюся область пространства. Поскольку клоны идентичны их родителям, мы вправе считать, что они располагаются в той же самой долине Ландшафта. Можно даже представить себе сам Ландшафт как набор биологических организмов: каждая долина будет соответствовать отдельному биологическому виду. Можно не беспокоиться о том, что организмы будут мешать друг другу: в нашем выдуманном мире более чем достаточно места для всех. Как только образуется пузырь со свойствами, отличными от свойств породившего его пространства, его потомство тут же оккупирует соседнюю долину. Поскольку пространство внутри пузыря также инфлюирует, его потомство будет участвовать в двух процессах: в процессе клонирования и в процессе заселения новых долин путём генерации нового поколения пузырей.

Таким путём наша метафорическая колония будет распространяться по всему Ландшафту. Быстрее всего будут воспроизводиться области пространства, находящиеся в более высоких долинах, где космологическая постоянная имеет большее значение. В таких местах Ландшафта процесс клонирования идёт наиболее быстрыми темпами, и популяции, «живущие» в таких долинах, растут быстрее всего. Но организмы, живущие в более высоких долинах, «кормят» более низкие долины, и население по-следних также растёт со временем. Интересным и важным вопросом является возможность существования «лестниц» на Ландшафте. Другими словами, может ли какой-нибудь из наших фиктивных организмов подняться в более высокую долину? Ответ, диктуемый правилами квантовой механики, утвердительный: всё, что может произойти, может произойти и в обратном направлении.

В конечном итоге каждая ниша Ландшафта окажется заполненной экспоненциально растущим населением. Единственное, в чём хромает эта аналогия, — это в том, что реальные организмы в ходе конкуренции начинают убивать друг друга, когда их долина становится перенаселённой. У карманных вселенных отсутствует механизм конкуренции, поэтому население каждой долины будет продолжать увеличиваться бесконечно. Можно было бы представить эти организмы как полностью невидимые и неощутимые друг для друга.



Как пузыри умирают? Если пузырь появляется с точно нулевой космологической постоянной, он не может раздуваться, и процесс воспроизводства на нём прервётся. Только такие вакуумы являются суперсимметричными частями Ландшафта. Таким образом, суперсимметричные регионы Ландшафта представляют собой кладбища вселенных по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, жизнь в известном нам виде не может существовать в суперсимметричных мирах, а во-вторых, такое пространство не способно порождать новые пузыри. Аналогии часто помогают глубже понять какую-то одну сторону вопроса, но оказываются некорректными при рассмотрении вопроса в целом. Так, аналогия между раздувающимся пространством и эволюцией живых существ оказывается некорректной в отдельных деталях, например в том, что среди раздувающихся пузырей отсутствует конкуренция, которая всегда присуща эволюционирующим биосистемам.

Кроме того, дарвиновская эволюция предполагает наследование признаков от родителей к потомкам. Если бы мы могли выстроить ряд фотографий приматов, начиная от пресловутого «пропавшего звена» пять миллионов лет назад и заканчивая мной или вами, то увидели бы непрерывную череду изменения признаков. Если мы будем игнорировать индивидуальные различия отдельных особей, то удивимся, насколько каждое следующее поколение похоже на предыдущее. Только накопленные за более чем тысячу поколений изменения будут заметны при взгляде на эти фотографии. То же самое будет справедливо для любых типов жизни. Большие структурные изменения происходят очень редко, и когда они возникают, то почти всегда ведут в эволюционный тупик. Любой человек, родившийся с двумя головами, тремя ногами или без почек, не проживёт сколько-нибудь долго (если только не призвать на помощь современную медицину), и подобные существа имеют крайне мало шансов оставить конкурентоспособное потомство.

В этом состоит радикальное отличие биологической эволюции от эволюции космического ландшафта. Изменение ландшафта, которое происходит при зарождении и раздувании нового пузыря, не носит инкрементального характера. Давайте рассмотрим этот процесс с точки зрения геологии. Геологически соседние долины различаются. Долина Аспен Вэлли в Скалистых горах лежит на высоте 2400 метров, что более чем на 600 метров ниже, чем Двойные озёра на другой стороне Перевала Независимости. Помимо разности высот, эти места различаются и своей природой. Если существует другая долина, настолько похожая на Аспен Вэлли, что мы, оказавшись в ней, не заметили бы разницы, то, скорее всего, она расположена очень далеко от неё.То же самое касается и космического ландшафта. Высоты соседних долин не совсем одинаковые. И это может привести к тому, что соседние долины будут отличаться набором бран или потоков, что, в свою очередь, приведёт к различиям в списке элементарных частиц, другим значениям фундаментальных констант и даже размерности пространства. Когда вакуум-родитель порождает пузыря-потомка, результатом будет скорее чудовищная мутация, а не небольшое инкрементальное отличие.

Не является ли вечная инфляция, порождающая неисчислимые пузыри новых миров всевозможных видов, дикой фантасмагорической галлюцинацией? Я так не думаю. Экспоненциальное расширение пространства представляется достаточно твёрдо установленным фактом, который не оспаривает ни один космолог. Возможность существования более чем одной долины ни в коей мере не является чем-то необычным с точки зрения теории, так же как не подлежит сомнению, что раздувающиеся пузыри будут скатываться в области, лежащие на меньшей высоте. Это сегодня общепризнано.

Новым является то, что теория струн даёт нам математическое обоснование возможности существования огромного количества долин с разнообразными свойствами вакуума в них. Многих физиков этот факт очень тревожит. Но наиболее серьёзные струнные теоретики признают, что эта аргументация выглядит достаточно солидно. Рассмотрим последние этапы космической эволюции нашего фрагмента пространства, непосредственно предшествующие современной эпохе инфляции, последующего разогрева и возникновения жизни. Откуда мы пришли, перед тем как упали с инфляционного обрыва? Наиболее разумный ответ: из соседней долины, лежащей на большей высоте.

Чем эта долина отличается от нашей? Теория струн способна дать ответ и на этот вопрос: потоки имели другие значения, браны были расположены по-другому и модули компактификации отличались от наших. Возможно, в процессе похода через горы к обрыву часть бран аннигилировала друг с другом, а остальные перестроились, потоки сместились, а сотни модулей изменились, чтобы создать новый вариант машины Руба Голдберга. И с новым порядком пришли новые Законы Физики.

Отрывок из книги Леонарда Сасскинда "Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной"