В которой вводится понятие множественности вселенных и объясняются его физические и метафизические последствия

Читатели наверняка заметили, что я делаю различие между понятиями «Вселенная» и «вселенная». Поначалу это кажется всего лишь незначительной деталью. Однако дело в том, что современная космология вполне серьезно рассматривает возможность существования более чем одной вселенной. Вот почему разница в написании все‑таки важна. Я использую слово «Вселенная» с заглавной буквы для обозначения нашего видимого космоса и всего, что в нем находится, известно оно нам или нет. Иными словами, термин «Вселенная» обозначает все то, что существует в пределах нашего космического горизонта. Вселенная – это наш дом, построенный из причин и следствий. Как мы уже знаем, рассчитанная на основании измерений плоскость видимого космоса может означать, что наша Вселенная продолжается и за пределами горизонта – все дальше и дальше, вплоть до бесконечности, которая недоступна для измерения нашим приборам. В связи с этим хотелось бы расширить понятие Вселенной на это потенциальное бесконечное пространство. Но я должен строго придерживаться правила «Мы знаем лишь то, что можем измерить». Соответственно, наша Вселенная может быть лишь частью потенциально бесконечной Вселенной. Более того, по соседству с нами могут находиться и другие вселенные – и их может быть много.

Согласно Оксфордскому словарю английского языка, вселенная – это «совокупное обозначение всей существующей материи, пространства, времени, энергии и т. д., в частности, как систематического или упорядоченного целого; все творение, космос». Характеристика «все существующее» тут же усложняет дело. Если под этим подразумевается действительно все то, что существует в реальности, то Оксфордский словарь должен был бы включить в свое определение все другие участки пространства, которые могут существовать, но быть отделены от нас пространственно‑временным барьером. В таком случае вселенная будет представляться единым целым, а любой участок пространства, в том числе доступный нам, – ее составной частью. Однако если поискать в словаре понятие «Мультивселенная», можно наткнуться на довольно странное определение: «гипотетическое место или пространство, состоящее из некоторого количества вселенных, одной из которых является наша Вселенная».[71] Итак, если Мультивселенная существует, то наша Вселенная уже не может рассматриваться как совокупность «всей существующей материи, пространства, времени, энергии и т. д.». Наоборот, такое определение можно дать как раз Мультивселенной, а наша Вселенная окажется лишь ее частью, одной из (возможно, бесконечного) множества «островных вселенных», существующих одновременно. Еще больше усложняет дело тот факт, что вселенная, даже будучи частью Мультивселенной, все равно может быть пространственно бесконечной. Бесконечность является частью еще большей бесконечности, как

входит в

. В современной космологии, как и в математике, могут существовать разные типы бесконечностей.

Перед тем как мы пойдем дальше, позвольте мне объяснить, как такая идея, как совокупность различных вселенных, часть из которых, возможно, бесконечна, вообще может иметь смысл. Для того чтобы это было проще визуализировать, давайте ограничимся двумя измерениями. Представьте себе плоскую столешницу, которая имеет огромную длину и ширину. Если значения ее длины и ширины не ограничены, значит, наша столешница – это плоский бесконечный космос. В этой бесконечной вселенной могут жить крошечные плоские амебообразные существа. Теперь представьте, что у вас есть две столешницы, которые расположены параллельно друг другу, но не соприкасаются. Пускай вторая столешница тоже будет бесконечной, а на ее поверхности тоже будут жить плоские существа (в конце концов, все это происходит у вас в голове). Теперь представьте, что столешницы соединены в одном месте узким туннелем. Теперь у нас имеется два бесконечных пространства с точкой соединения. Существа, живущие в каждом из них, не имеют доступа к туннелю и верят, что их вселенная уникальна и бесконечна, особенно если туннель находится за их космическим горизонтом. Они никогда не узнают, что их вселенные являются элементами гораздо большей структуры – мультивселенной. А вы легко можете себе представить множество столешниц, расположенных одна над другой и соединенных переходами, которые недоступны их обитателям. Продолжайте этот ряд до бесконечности, и у вас в голове возникнет бесконечная двухмерная мультивселенная!

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.

Но может ли такая идея, как бы безумно она ни звучала, оказаться чем‑то большим, чем просто умозрительным экспериментом? Может ли ее подтвердить физика? Каждая научная гипотеза должна быть экспериментально проверяемой. Для ее подтверждения или опровержения необходимо провести опыты или собрать данные наблюдений. Учитывая, что мы не располагаем никакими свидетельствами того, что живем в мультивселенной (и такие свидетельства, вполне вероятно, вообще невозможно получить), эту теорию следует рассматривать с большой осторожностью, внимательно анализируя все те данные, которые у нас уже имеются и которые мы можем получить в будущем.

Для начала давайте рассмотрим понятие ускоренного космического расширения. Есть ли у нас основания верить в его существование? Конечно! В 1998 году мы получили убедительные доказательства того, что живем в расширяющейся Вселенной, работающей на темной энергии. Это блестящее открытие, о котором нельзя забывать. Оно кажется еще более интересным, если вспомнить, что ускоренное расширение началось всего пять миллиардов лет назад. Иными словами, фазы космического расширения не просто реальны, но имеют начало и, вероятно, конец. Пять миллиардов лет – это точное время формирования нашей Солнечной системы. Иногда эту ситуацию называют проблемой совпадения. Почему расширение космоса началось именно в этот момент, а не раньше и не позже?

Еще одним весомым подтверждением существования периода активного расширения является инфляционная космологическая модель, предложенная в 1981 году американским космологом Аланом Гутом. Это оригинальная модель инфляции космоса, которая впоследствии повлияла на идеи Линде и Виленкина. Гута интересовали некоторые вопросы, на которые не могла ответить стандартная модель Большого взрыва (описывающая появление Вселенной из горячей первобытной смеси материи и излучения 13,8 миллиарда лет назад). Во‑первых, почему космос имеет плоскую геометрию? Почему она не является закрытой или открытой? Во‑вторых, температура фонового излучения во всей Вселенной одинакова до одной стотысячной доли градуса. Откуда взялась такая тонкая настройка? Размер космического горизонта при расщеплении не позволяет нам верить в ее существование. Для того чтобы иметь сегодня одинаковую температуру, частицы и фотоны в процессе расщепления должны были бы взаимодействовать на огромных расстояниях, превышающих те, которые были допустимы их горизонтом. Во всей Вселенной (как в горячей ванне) температура регулируется за счет столкновения частиц (молекул воды) друг с другом. Чем больше ванна, тем больше времени требуется, чтобы вода в ней нагрелась или охладилась равномерно. Точно так же излучению в расширяющейся Вселенной требуется время на то, чтобы урегулировать ее температуру. И с момента расщепления времени прошло недостаточно. Учитывая это, откуда фотоны по другую сторону неба знают, какую температуру поддерживать?

Гут предположил, что молодая Вселенная пережила краткий период ускоренного расширения, который он назвал инфляцией. Его идея была аналогична приведенной выше метафоре мяча на склоне холма. Хиггсово поле оказывалось в метастабильном состоянии, и до тех пор, пока его состояние не изменялось, Вселенная расширялась в геометрической прогрессии. Андрей Линде и Андреас Альбрехт из Калифорнийского университета в Дейвисе, а также Пол Штейнхардт из Принстона быстро поняли, что в модели Гута существовал недочет, который они назвали элегантным выходом: поле оставалось бы в метастабильном состоянии слишком долго для формирования той Вселенной, которую мы наблюдаем. Независимо друг от друга они скорректировали модель Гута, представив ее энергетический профиль как плоское плато. Именно это натолкнуло Виленкина на его идею вечной инфляции.

Инфляция объясняет, почему Вселенная имеет плоскую форму. Небольшой участок, раздираемый в разные стороны магнитудами разного порядка, будет казаться плоским, даже несмотря на то, что он может быть элементом огромной сферической поверхности. В таком случае наш космический горизонт – это всего лишь небольшая часть гораздо большей Вселенной, недоступной нашим наблюдениям. Инфляция также объясняет, почему значения фонового излучения остаются неизменными во всей Вселенной. Если весь доступный нашему наблюдению космос произошел из одного раздутого участка пространства, логично предположить, что частицы и фотоны в нем будут иметь одинаковые термальные характеристики.

Но инфляция помогает нам сделать еще один шаг вперед. Помните квантовые скачки, из‑за которых новые вселенные возникают как грибы после дождя? Те же самые скачки, которые заставляют колебаться поле на различных участках пространства, приводят к возникновению небольших энергетических флуктуаций. Участки расширяющегося космоса можно сравнить с поверхностью озера в ветреную погоду – где‑то энергии немного больше, а где‑то немного меньше. Благодаря инфляции эти крошечные квантовые неровности раздуваются в участки поля астрономических масштабов. Теперь давайте быстро вернемся в прошлое, в момент расщепления, к началу формирования водорода. Так как гравитация – это сила притяжения, участки с повышенной или пониженной плотностью будут притягивать к себе соответственно больше или меньше материи, заставляя ее концентрироваться в определенных местах, как дождевую воду в лужах. По сути, участки с повышенной плотностью привели к появлению галактик и скоплений галактик во Вселенной. В то время космос был похож на старую грязную дорогу с выбоинами и кочками – вокруг кочек скапливалось меньше материи, а в рытвины попадало больше. Иными словами, инфляция представляет собой механизм для описания зарождения галактик. Так как фотоны тоже попадают в выбоины и трещины дороги, инфляция также предсказывает, что эти несоответствия будут оставлять свои следы в фоновом излучении в форме крошечных температурных флуктуаций (появления более горячих и более холодных точек). Эта пестрая температурная карта была исследована с высокой точностью с помощью спутника Wilkinson Microwave Anisotropy Probe и европейской орбитальной исследовательской станции «Планк». Удивительно, но полученные данные практически совпадают с данными некоторых моделей на основе теории инфляции. Это дает космологам основания полагать, что молодая Вселенная действительно когда‑то пережила период ускоренного роста.

Если это так и если наш космический горизонт действительно является практически плоским, Вселенная должна быть куда больше, чем мы можем увидеть, и должна простираться намного дальше наблюдаемой Вселенной. Несмотря на то что исследователи до настоящего времени не делали никаких определенных заявлений относительно существования бесконечностей в Природе, Вселенная наверняка невероятно огромна и, возможно, бесконечна. Соответственно, есть все основания полагать, что в ней могут существовать и другие участки инфляции, на что указывает вечная инфляционная модель.

Ключевым фактором инфляции, разумеется, является скалярное поле. Можем ли мы быть уверены в том, что такое поле существовало на ранних стадиях космической эволюции? Нет, по крайней мере пока. Однако успех стандартной модели физики частиц и недавнее открытие бозона Хиггса подтверждают гипотезу о том, что при высоких уровнях энергии может существовать что‑то вроде бозона Хиггса, оказывающее аналогичное влияние на космическое расширение. Скалярные поля используются во многих моделях, созданных для того, чтобы расширить наши текущие знания о физике частиц за пределы стандартной модели. К примеру, довольно перспективна теория суперструн. Даже если вас не привлекают модели, в которых используется суперсимметрия, вы все равно можете быть уверены в том, что новая физика будет иметь дело с более высокими энергиями, чем те, которые мы можем измерить на сегодняшний день, и, вероятно, найдет потенциальных кандидатов (поле или несколько полей) на роль движущей силы инфляции.

Здоровая наука – это сочетание смирения и надежды. Мы должны смириться с размерами нашего незнания, но при этом надеяться, что новые открытия смогут пролить на него немного света. Однако если мы находимся на самой границе познания нового, но не можем получить подтверждающих данных, нашей единственной стратегией остаются обоснованные предположения. Без воображения наука не может двигаться вперед.

Было бы упущением с моей стороны не рассказать о вкладе теории струн в понятие Мультивселенной. Несколько моих коллег, приверженцев этой теории, написали о ней ряд популярных работ, на которые я ссылаюсь в библиографии. Тем читателям, которые хотели бы узнать больше о теории струн, я в первую очередь рекомендую книги Брайана Грина и Леонарда Сасскинда. Для всех остальных же будет достаточно и следующих глав этой книги.[73]