Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса

Грин Брайан

Брайан Грин - автор мировых бестселлеров "Элегантная Вселенная" и "Ткань космоса" - представляет новую книгу, в которой рассматривается потрясающий вопрос: является ли наша Вселенная единственной?

Грин рисует удивительно богатый мир мультивселенных и предлагает читателям проследовать вместе с ним через параллельные вселенные.  С присущей ему элегантностью Грин мастерски обсуждает сложнейший научный материал на живом динамичном языке, без привлечения абстрактного языка формул, показывая читателю красоту науки на передовых рубежах исследования. 

Эта яркая книга является, безусловно, событием в жанре научно-популярной литературы. "Скрытая реальность" - это умный и захватывающий рассказ о том, насколько невероятной может быть реальность и как нам проникнуть в ее тайны.

 

Предисловие

Если на пороге двадцатого столетия ещё и оставались сомнения, то в двадцать первом вывод был предрешён — в вопросах познания истинной природы реальности наш повседневный опыт вводит нас в заблуждение. Если вдуматься, это не так уж странно. Когда наши дальние предки охотились в саванне и собирали лесные дары, умение рассчитывать квантовое поведение электрона или определять космологическую роль чёрных дыр вряд ли могло быть подспорьем в выживании вида. Однако увеличившийся размер мозга действительно стал преимуществом, и за ростом наших интеллектуальных способностей открылись и новые возможности для более глубокого исследования окружающего мира. Одни представители вида создали инструменты, расширяющие сферу восприятия наших органов чувств, другие овладели методом систематического выявления и описания закономерностей — математикой. Вооружённые этим арсеналом, мы стали заглядывать за границы повседневного опыта.

То, что мы при этом обнаружили, потребовало масштабных перемен в нашей картине космоса. Путём интуитивных озарений в понимании физических явлений и строгих математических рассуждений, вдохновляемые экспериментами и подтверждающими наблюдениями, мы выяснили, что поведение пространства, времени, материи и энергии может разительно отличаться от всего, с чем мы непосредственно сталкивались. Теперь же, вдумчиво анализируя эти открытия и связанные с ними находки, мы приближаемся к тому, что может вызвать новый переворот в нашем понимании реальности, — мы допускаем возможность, что наша Вселенная — не единственная. В книге «Скрытая реальность» исследуется это предположение.

Работая над этой книгой, я исходил из того, что её читатели могут не иметь специальной подготовки в области физики или математики. Как и в предыдущих своих книгах, вместо формул я прибегаю к помощи метафор и аналогий, перемежающихся историческими отступлениями, чтобы в общедоступной форме рассказать о некоторых весьма странных и удивительных (если их правильность подтвердится) положениях современной физики. Многие из представленных здесь идей потребуют от читателя готовности отбросить привычный образ мышления и посмотреть на реальность с весьма необычной стороны. Но путь нам будут освещать научные достижения, так что путешествие будет ясным и захватывающим. Я придирчиво отобрал самые впечатляющие идеи на пути, ведущем от повседневного к неизведанному.

В этой книге, в отличие от предыдущих, нет вводных глав, где систематически излагались бы предварительные сведения по специальной и общей теории относительности и квантовой механике. Вместо этого я ввожу элементы этих теорий по мере необходимости; если я вижу, что в том или ином месте книга потеряет самодостаточность без подробного технического изложения, я предупреждаю об этом более подготовленных читателей и отмечаю те разделы, которые они могут пропустить без опасений. А вот последние страницы различных глав, наоборот, ведут к углублённому рассмотрению материала, который может оказаться сложным для некоторых читателей. Когда мы переходим к таким разделам, я предлагаю менее искушённым читателям краткое резюме и возможность перескочить вперёд, не потеряв при этом из виду целостную картину. Вместе с тем я хотел бы призвать всех читателей попытаться вникнуть в материал этих разделов настолько глубоко, насколько позволит любопытство и терпение. Несмотря на всё сказанное выше, этот материал предназначен для широкой аудитории, и единственным предварительным требованием для его освоения по-прежнему является лишь наличие у читателя упорства.

Примечания с этой точки зрения составлены иначе. Читатель-новичок может полностью пропустить их; читатель, обладающий более серьёзной подготовкой, найдёт в примечаниях дальнейшее развитие высказанных идей или те пояснения, которые я счёл важными, но слишком громоздкими для включения в основной текст книги. Многие из примечаний предполагают наличие у читателя специального образования в области математики или физики.

В процессе написания этой книги многие мои друзья, коллеги, члены моей семьи прочли отдельные главы или всю книгу целиком и поделились со мной своим мнением и критическими замечаниями, из которых я извлёк немало пользы. Мне хотелось бы особо отметить Дэвида Альберта, Кена Винберга, Риту Грин, Саймона Джудса, Трейси Дэй, Ричарда Истера, Дэниела Кабата, Дэвида Кагана, Пола Кайзера, Рафаэля Каспера, Хуана Малдасену, Катинку Мэтсон, Малика Париха, Маркуса Пёсселя и Майкла Поповица.

Работа с Марти Эшером, моим редактором в издательстве «Knopf», неизменно доставляет мне удовольствие. Благодарю Эндрю Карлсона, профессионально опекавшего мою книгу на заключительных этапах подготовки к печати. Прекрасные иллюстрации, созданные Джейсоном Северсом, сделали книгу гораздо более доступной, и я благодарен ему как за талант, так и за терпение. С удовольствием благодарю также моих литературных агентов — Катанку Мэтсон и Джона Брокмана.

В ходе многочисленных бесед с коллегами я оттачивал свой подход к материалу, изложенному в этой книге. Кроме тех, кого я уже упомянул, хочу особо поблагодарить Роберта Бранденбергера, Рафаэля Буссо, Эрика Вайнберга, Кумруна Вафу, Фредерика Денефа, Жака Дистлера, Майкла Дугласа, Лоуренса Краусса, Жанну Левин, Барри Лоевера, Андрея Линде, Сета Ллойда, Сола Перлмуттера, Леонарда Сасскинда, Пола Стейнхарда, Эндрю Строминджера, Генри Тая, Макса Тегмарка, Дэвида Уолласа, Лама Ху, Стива Шенкера, Юргена Шмидхубера и Шин-Туна Яу.

Свою первую научно-популярную книгу — «Элегантная Вселенная» — я начал писать летом 1996 года. На протяжении последующих пятнадцати лет у меня была возможность наслаждаться новыми неожиданными и плодотворными связями между областью моих технических исследований и вопросами, которые я поднимал в своих книгах. Я благодарен моим студентам и коллегам из Колумбийского университета за ту живую и творческую исследовательскую обстановку, которую они создали, Министерству энергетики — за финансирование моих научных изысканий, а также недавно нас покинувшему Пентти Коури — за щедрую поддержку исследовательского центра при Колумбийском университете — Института теории струн, космологии и астрофизики.

Наконец, спасибо Трейси, Алеку и Софии: благодаря им эта Вселенная стала лучшей из всех возможных!

 

Глава 1. Границы реальности

О параллельных мирах

 

Если бы, когда я был ребёнком, в моей комнате было лишь одно зеркало, мои детские мечты были бы, вероятно, совсем другими. Но зеркал было два. И каждое утро, когда я открывал шкаф, чтобы достать одежду, зеркало в дверце шкафа оказывалось напротив зеркала на стене, порождая бесконечную череду отражений всего, что попадало в пространство между зеркалами. Это было чарующее зрелище. Я восхищённо наблюдал за картинами, заполнявшими параллельные зеркальные плоскости и уходившими вглубь, насколько хватало взгляда. Казалось, что все отражения двигаются в такт, — но я понимал, что причиной тому является ограниченность человеческих органов чувств: с довольно юных лет я знал о том, что скорость распространения света конечна. А потому мысленным взором я видел, как свет путешествует взад-вперёд — туда, обратно и снова туда. Бесшумное эхо от кивка головы, от взмаха руки носилось между зеркалами, поочерёдно отражавшими образы. Порой я воображал, что одно из моих далёких отражений дерзко отказывается встать на место и ломает строгий ряд, творя новую реальность, которая формирует все следующие за ней. А когда на уроке в школе вдруг наступало затишье, я иногда задумывался о том луче света, который покинул меня этим утром и до сих пор скачет между зеркалами, и мысленно присоединялся к одному из своих отражений, входя в воображаемый параллельный мир, созданный светом и оживлённый моей фантазией.

Конечно, отражения сами по себе не стоят особого упоминания. Но полёты детской фантазии в воображаемых параллельных реальностях перекликаются с одной научной темой, звучащей всё громче и громче, — с идеей о том, что за пределами известного нам мира могут существовать другие миры. Эта книга представляет собой исследование такой возможности — вдумчивую экскурсию в теорию параллельных вселенных.

 

Вселенная и вселенные

Когда-то слово «вселенная» означало «всё сущее». Абсолютно всё. Всё и всякую всячину вокруг нас. Упоминание о более чем одной вселенной, более чем одном «всём» выглядело бы терминологическим противоречием. Однако постепенно исследователи в своих теоретических изысканиях понемногу уточняли интерпретацию слова «вселенная». Значение этого слова стало зависеть от контекста. Иногда «вселенной» по-прежнему называли всё. Иногда под этим понимали только ту часть всего, до которой кто-либо вроде вас или меня может так или иначе добраться. А иногда это понятие применяют, чтобы обозначить самостоятельные области реальности, которые частично или полностью, временно или навсегда недоступны для нас; в таком значении это слово низводит нашу Вселенную до положения одной из широкого (возможно, бесконечно широкого) набора других.

Лишённое своего господствующего положения, слово «вселенная» открыло путь другим терминам, охватывающим то более обширное полотно, на котором можно разместить картину всей полноты реальности. Параллельные миры, или параллельные вселенные, или множественные миры, или альтернативные вселенные, или метаверс, мегаверс либо мультиверс, мультивселенные — всё это синонимы в ряду тех слов, с помощью которых люди стремятся охватить не только нашу Вселенную, а весь спектр других вселенных, возможно, существующих за пределами известного.

Вы можете заметить, что эти термины несколько расплывчаты. Из чего в точности составлен мир, или Вселенная? По какому критерию мы можем отличить разные области одной вселенной от самостоятельных вселенных? Возможно, в один прекрасный день наше понимание того, что такое множественные вселенные, станет достаточно полным, чтобы мы смогли дать точные ответы на эти вопросы. Пока же мы не станем сражаться с абстрактными определениями, а используем подход, который с успехом применил судья Поттер Стюарт, — когда Верховный суд США бился над выработкой стандарта для определения порнографии, Стюарт провозгласил: «Если я её увижу, то сразу узнаю».

В конечном итоге вопрос о том, назвать ли ту или иную область реальности параллельной вселенной, — исключительно лингвистический. Действительно важный вопрос, который является средоточием проблемы, звучит так: существуют ли такие области, которые бросают вызов устоявшимся взглядам и заставляют нас предположить, что то, что мы до сих пор считали всей Вселенной, — лишь составная часть значительно большей, гораздо более странной и по большей части скрытой от нас реальности.

 

Разнообразие параллельных вселенных

Поразительный факт (послуживший одним из толчков к написанию этой книги) состоит в том, что многие из магистральных разработок в фундаментальной теоретической физике — в релятивистской физике, квантовой физике, космологии, теории объединения, вычислительной физике — приводят к размышлениям о той или иной разновидности параллельных вселенных. Маршрут нашего повествования в последующих главах проходит через девять вариаций на тему мультивселенной. В каждой из них наша Вселенная предстаёт как часть неожиданно более масштабного целого, но сложность этого целого и природа составляющих его вселенных весьма отличаются от главы к главе. В одних картинах параллельные вселенные разделены колоссальными расстояниями или промежутками времени; в других они ведут призрачное существование в считанных миллиметрах от нас; в третьих же сама попытка говорить об их местоположении наивна и лишена всякого смысла. Подобное многообразие возможностей обнаруживается и в тех законах, которые управляют этими параллельными вселенными. Где-то эти законы — такие же, как в нашей Вселенной; в других вселенных они выглядят иначе, но имеют похожую родословную; в третьих они по форме и структуре не похожи ни на что из того, с чем нам доводилось иметь дело прежде. Попытки представить себе, насколько разнообразной и необъятной может быть реальность, заставляют чувствовать одновременно и восторг, и покорность перед её величием.

Первые ранние научные вылазки в параллельные миры начались в 1950-х годах. Их предприняли исследователи, ломавшие голову над некоторыми вопросами квантовой механики — теории, призванной объяснить те явления, которые происходят на микроскопическом уровне — в царстве атомов и субатомных частиц. Квантовая механика сокрушила прежний каркас физики — классическую механику, — установив, что научные предсказания являются с неизбежностью вероятностными. Мы можем предсказать шансы одного исхода событий, мы можем предсказать шансы другого, но мы, вообще говоря, не можем с уверенностью сказать, какой из них действительно произойдёт. Этот хорошо известный отход от многовековых наработок научной мысли сам по себе поразителен. Но есть ещё более изумительный аспект квантовой теории, на который обращают мало внимания. После десятилетий пристального изучения квантовой механики, имея в распоряжении богатейший набор данных, накопленных за это время и подтверждающих её вероятностные предсказания, никто не в состоянии объяснить, почему в каждой конкретной ситуации в действительности случается только один из многих возможных исходов. Когда мы ставим эксперименты, когда мы исследуем наш мир, мы все сходимся в том, что имеем дело с единственной вполне определённой реальностью. Однако спустя более столетия после квантовой революции среди учёных-физиков нет согласия относительно того, как этот основополагающий факт согласуется с математической формулировкой квантовой теории.

С течением времени этот существенный пробел в нашем понимании породил множество творческих гипотез, но самая поразительная возникла одной из первых. Возможно, утверждает эта гипотеза, привычное представление о наличии одного и только одного исхода у любого эксперимента — в корне неверно. Математика, лежащая в основе квантовой механики, допускает (по крайней мере под некоторым углом зрения), что случаются все возможные исходы, но каждый из них обитает в собственной отдельной вселенной. Если квантовые расчёты предсказывают, что частица может находиться тут, а может — там, то в одной вселенной она находится тут, а в другой находится там. И в каждой такой вселенной есть копия вас, которая наблюдает за тем или иным исходом, полагая — ошибочно, — что окружающая её реальность единственна. Если вы задумаетесь о том, что квантовая механика стоит за всеми физическими процессами, от слияния атомов на Солнце до электрических перестрелок между нейронами, что составляет основу мышления, вам станет очевидно, как далеко могут завести нас следствия этой гипотезы. Она говорит нам, что нехоженых тропинок не бывает. Но каждая такая тропинка — каждая реальность — спрятана от всех остальных.

В последние десятилетия этот интригующий подход к квантовой механике, опирающийся на множественность миров, дразнит воображение. Однако исследования показали, что в качестве каркаса теории он слишком хрупок и противоречив (мы обсудим это в главе 8); поэтому даже сегодня, после более чем полувека проверок, это допущение остаётся спорным. Одни специалисты по квантовой теории утверждают, что его корректность уже доказана, тогда как другие столь же уверенно заявляют, что математические подпорки под этой гипотезой не стыкуются друг с другом.

Несмотря на столь неопределённое положение в науке, эта ранняя версия гипотезы о параллельных вселенных перекликается с идеями о затерянной земле или альтернативной истории, которые проникли в литературу, телесериалы, фильмы и которые продолжают творчески переосмыслять и в наши дни. (Среди моих любимых с детства произведений на эту тему — «Волшебник страны Оз», «Эта прекрасная жизнь», эпизод «Город на краю вечности» из сериала «Звёздный путь», рассказ Борхеса «Сад расходящихся тропок» и, из более позднего, «Осторожно, двери закрываются» и «Беги, Лола, беги».) Благодаря этим и многим другим творениям массовой культуры тема параллельных реальностей стала частью духа нашего времени и обрела притягательность для широкой публики. Однако квантовая механика — лишь один из многочисленных путей, на которых в современной физике возникает понятие параллельных вселенных. И этот путь мы будем обсуждать даже не в первую очередь.

В главе 2 мы изберём другой подход к теме параллельных вселенных — возможно, наиболее простой из всех. Мы увидим, что если пространство бесконечно — идея, которая находится в согласии со всеми наблюдениями и является частью той космологической модели, которую предпочитают многие физики и астрономы, — то где-то там обязаны существовать области, где копия меня, и копия вас, и копии всего вокруг нас наслаждаются альтернативной версией той реальности, с которой имеем дело мы. В главе 3 мы заберёмся глубже в космологические вопросы: инфляционная теория — подход, в котором ранние моменты существования связаны с колоссальным взрывом молниеносно расширяющегося пространства, — порождает собственную версию параллельных миров. Если инфляционный сценарий верен (а об этом свидетельствуют самые тщательные астрономические наблюдения), то взрыв, создавший нашу область пространства, мог быть не единственным. Инфляционное расширение в отдалённых областях прямо сейчас может порождать вселенную за вселенной и делать это вечно. Более того, каждая такая дочерняя вселенная сама бесконечно расширяется в пространстве и содержит бесконечное число параллельных миров, о которых говорится в главе 2.

В главе 4 наш маршрут свернёт к теории струн. После беглого ознакомления с основами я расскажу о нынешнем состоянии этого подхода к объединению всех законов природы. Опираясь на этот обзор, в главах 5 и 6 мы рассмотрим последние достижения теории струн, из которых следуют три новых вида параллельных вселенных. Первый возникает из сценария мира на бране, в котором наша Вселенная — один из по-видимому многочисленных «листов», парящих в многомерном пространстве, наподобие ломтя грандиозной космической буханки хлеба. Если нам повезёт, то в не столь отдалённом будущем этот подход сможет пройти проверку на Большом адронном коллайдере в Женеве (Швейцария). Параллельные вселенные второго вида возникают, когда миры на бранах сталкиваются друг с другом, уничтожая всё своё содержимое и приводя к новому горячему большому взрыву — как тому началу, которое породило каждого из них. Подобно хлопкам двух огромных ладоней, это может происходить снова и снова: браны могут соударяться, отскакивать друг от друга, притягиваться силами тяготения и снова сталкиваться — циклический процесс, порождающий вселенные, параллельные не в пространстве, а во времени. Третий сценарий — это сценарий «ландшафта» в теории струн, в основе которого лежит колоссальное разнообразие форм и размеров дополнительных пространственных измерений, требуемых теорией. Мы увидим, что струнный ландшафт, будучи объединённым с идеей инфляционной мультивселенной, подразумевает наличие безграничного набора вселенных, реализующих все возможные формы дополнительных измерений.

В главе 6 мы сосредоточимся на том, как все эти соображения проливают свет на самые удивительные результаты наблюдений последнего столетия: похоже, что пространство равномерно заполнено рассеянной энергией, которая может оказаться вариацией на тему известной космологической постоянной Эйнштейна. Это наблюдение послужило отправной точкой для многих актуальных изысканий в области параллельных вселенных и стало причиной одной из самых горячих дискуссий за последние десятилетия — дискуссии о том, какими должны быть приемлемые научные объяснения. Глава 7 развивает эту тему, поднимая более общий вопрос: можно ли вообще рассматривать размышления о вселенных за пределами нашей как область науки? Можем ли мы проверить эти идеи? Продвигаемся ли мы вперёд, привлекая эти идеи для решения стоящих перед нами выдающихся проблем, — или просто заметаем эти проблемы под ковёр, удобный своей космической недоступностью? Я стремился к тому, чтобы изложить как есть основные доводы противоборствующих позиций, подчеркнув при этом мою собственную точку зрения: при определённых условиях параллельные вселенные несомненно попадают в сферу компетенции науки.

Квантовая механика с её вариантом параллельных вселенных в форме множественных миров является предметом обсуждения в главе 8. Я кратко напомню основные положения квантовой механики, а затем сосредоточусь на самой трудной проблеме теории: как получить чётко определённые результаты от теории, базовая парадигма которой допускает сосуществование несовместимых реальностей в аморфном (хотя и математически точно описанном) вероятностном тумане. Я бережно проведу вас через рассуждения, которые в поисках ответа на этот вопрос приводят нас к идее разместить квантовую реальность в её собственном изобилии параллельных миров.

Глава 9 погружает нас в квантовую реальность ещё глубже, рассказывая о том, что, на мой взгляд, является самым странным вариантом идеи параллельных вселенных. Речь идёт о предложении, которое исподволь вызревало в ходе теоретического изучения квантовых свойств чёрных дыр в течение последних тридцати лет. Эта работа достигла кульминации в последнее десятилетие, когда теория струн дала ошеломительный результат, из которого следует удивительный вывод: весь наш опыт — не что иное как голографическая проекция процессов, происходящих на некоторой очень далёкой поверхности, окружающей нас. Вы можете ущипнуть себя, и ваши ощущения будут при этом реальными, но они отразят собой параллельный процесс, который имеет место в другой, далёкой реальности.

Наконец, в главе 10 на сцену выходит ещё более причудливая возможность — искусственные вселенные. Первым пунктом нашей повестки дня будет вопрос о том, позволяют ли нам законы физики создавать новые вселенные. Затем мы обратим свой взгляд на вселенные, создаваемые не физическим путём, а программным — на такие вселенные, которые мог бы смоделировать некий сверхмощный компьютер, — и поразмыслим над тем, уверены ли мы, что не являемся обитателями созданной кем-то или чем-то имитации. Это приведёт нас к самому необузданному предположению о параллельных вселенных, выдвинутому философским сообществом: каждый возможный вариант вселенной реализован где-то внутри того, что с уверенностью можно назвать величайшей из мультивселенных. Это обсуждение естественным образом упирается в вопрос о роли математики в распутывании научных загадок и, в конечном итоге, о нашей способности или неспособности достичь глубочайшего понимания природы реальности.

 

Космический порядок

Обсуждение параллельных вселенных в большой степени умозрительно. Нет никаких экспериментов или наблюдений, свидетельствующих о том, что какой-либо из вариантов этой идеи реализуется в природе. Поэтому при написании этой книги я не ставил перед собой задачу убедить вас, что мы — часть мультивселенной. Я не убеждён (и, вообще говоря, никто не обязан быть убеждённым) ни в чём, что не подкреплено надёжными данными. В то же время я нахожу одновременно занятным и интригующим тот факт, что многие направления развития физики, если следовать по ним достаточно далеко, упираются в ту или иную вариацию на тему параллельных вселенных. Не то чтобы физики стояли наготове с мультиверсными сетями, отлавливая любую проходящую мимо теорию, которую можно с грехом пополам втиснуть в парадигму параллельных вселенных. Вовсе нет: все гипотезы о параллельных вселенных, которые мы принимаем всерьёз, пришли к нам непрошеными гостями из математических выкладок тех теорий, которые разрабатывались для объяснения вполне традиционных данных и наблюдений.

Моё намерение, таким образом, состоит в том, чтобы ясно и сжато описать те интеллектуальные шаги и цепочки теоретических озарений, которые вынудили физиков с разных точек зрения рассматривать возможность того, что наша Вселенная — лишь одна из многих. Я хочу, чтобы вы увидели, как эта поразительная возможность возникает не в безудержных фантазиях вроде моих детских отражательных иллюзий, а в современных научных исследованиях. Я хочу показать, как некоторые сбивающие с толку результаты наблюдений могут стать совершенно понятными в контексте той или иной конструкции параллельных вселенных; вместе с тем я опишу не решённые до сих пор критические вопросы, которые удерживают нас от того, чтобы в полной мере принять такие объяснения. Моя цель состоит в том, чтобы к последней странице этой книги ваша точка зрения на возможное, ваше представление о том, в какой степени границы реальности могут быть однажды полностью пересмотрены благодаря уже идущим научным исследованиям, стали более насыщенными и яркими.

Некоторых людей пугает одно лишь упоминание о параллельных мирах; им кажется, что если мы вдруг окажемся частью мультивселенной, наше значение и наше место в космосе станут ничтожными. У меня иной взгляд на вещи. Я не нахожу особой доблести в том, чтобы измерять нашу значимость относительной плотностью. Скорее радость быть человеком, восторг от занятий научной деятельностью возникают благодаря нашей способности применять аналитическое мышление, чтобы охватить безбрежные пространства, проникнуть во внешние и внутренние области реальности и — если подтвердятся какие-то из идей, изложенных в этой книге, — возможно, даже выйти за границы нашей Вселенной. На мой взгляд, именно то, что мы, затерянные посреди чернильно-чёрной тишины холодного и равнодушного космоса, обладаем таким глубоким пониманием, и есть знак нашего присутствия, отражённый необъятными просторами реальности.

 

Глава 2. Бесконечные двойники

Лоскутная мультивселенная

 

Если бы вы отправились в космос, забираясь всё глубже и глубже, что бы вы обнаружили — что пространство тянется бесконечно или же где-то внезапно заканчивается? Или, может быть, вы описали бы круг и вернулись в начальную точку, подобно сэру Фрэнсису Дрейку, совершившему кругосветное плавание? Обе эти возможности — космос бесконечно протяжённый и космос громадный, но конечный — находятся в согласии со всеми нашими наблюдениями, и ведущие учёные на протяжении последних десятилетий энергично исследовали каждую из них. Однако несмотря на столь пристальное изучение, если Вселенная бесконечна, то из этого следует один захватывающий вывод, который был обойдён должным вниманием.

Где-то в отдалённом уголке бесконечного космоса есть галактика, которая выглядит в точности как Млечный Путь, в которой есть солнечная система, как две капли воды похожая на нашу, с планетой, которая является вылитой копией Земли, на которой стоит дом, неотличимый от вашего, в котором живёт кто-то, абсолютно похожий на вас, и он прямо сейчас читает точно такую же книгу и представляет себе вас, затерянного где-то в далёкой галактике и только что добравшегося до конца этой фразы. И такая копия не одна. В бесконечной Вселенной их бесконечно много. В каких-то ваш двойник сейчас читает это предложение вместе с вами. В других он перескочил вперёд или же отложил книгу, чтобы подкрепиться. Ещё где-то жизнь у него сложилась далеко не так удачно, и вы вряд ли захотели бы встретиться с ним в тёмном переулке.

И вы никогда не встретитесь. Эти копии обитают в настолько далёких друг от друга областях, что даже у луча света, начавшего своё путешествие в момент Большого взрыва, не хватило бы времени пересечь разделяющее их пространство. Но даже не имея возможности наблюдать эти далёкие области, мы понимаем: из ключевых физических принципов вытекает, что бесконечно большой космос является вместилищем для бесконечного числа параллельных миров — какие-то из них идентичны нашему, какие-то отличаются, а какие-то вовсе на него не похожи.

На пути к этим параллельным мирам мы должны сначала в общих чертах выстроить каркас космологии — научной теории о происхождении и эволюции космоса как целого.

Приступим.

 

Отец Большого взрыва

«Ваши математические выкладки корректны, но ваши физические выводы чудовищны». Сольвеевский конгресс по физике 1927 года был в самом разгаре, когда этими словами Альберт Эйнштейн встретил сообщение бельгийца Жоржа Леметра о том, что уравнения общей теории относительности, которые Эйнштейн опубликовал десятилетием раньше, влекут за собой драматическую перекройку истории творения. Согласно вычислениям Леметра, начало Вселенной положила крошечная пылинка немыслимой плотности («первородный атом», как он её назвал), которая на протяжении долгого времени разрасталась, чтобы превратиться в наблюдаемый нами космос.

На фоне десятков именитых физиков, которые, вместе с Эйнштейном, собрались на неделю в брюссельском отеле «Метрополь» для интенсивных дебатов о квантовой теории, Леметр был довольно необычной фигурой. К 1923 году он не только закончил работу над докторской диссертацией, но также завершил своё обучение в семинарии Сен-Ромбо и был посвящён в духовный сан ордена иезуитов. Во время перерыва между выступлениями Леметр, в пасторском воротнике, подошёл к человеку, чьи уравнения, как он считал, были основой новой научной теории происхождения космоса. Эйнштейн знал о теории Леметра, несколькими месяцами раньше прочёл его статью на эту тему и не смог найти никакого изъяна в его манипуляциях с уравнениями общей теории относительности. На самом деле Леметр был не первым, кто показал Эйнштейну этот результат. В 1921 году русский математик и метеоролог Александр Фридман нашёл класс решений уравнений Эйнштейна, описывающий вселенную, растущую благодаря расширению пространства. Вначале Эйнштейн отверг эти решения, считая их ошибочными. Позже он признал, что был не прав, и взял свои слова назад. Однако он не желал быть заложником математиков и попытался исправить свои уравнения, руководствуясь интуитивным представлением о том, каким должен быть космос, и опираясь на свою глубоко укоренившуюся веру в то, что вселенная вечна и на больших масштабах статична и неизменна. Вселенная, — убеждал Леметра Эйнштейн, — не расширяется и никогда не расширялась.

Шестью годами позже на семинаре в обсерватории Маунт-Вильсон Эйнштейн внимательно выслушал, как Леметр излагает более подробный вариант своей теории о том, что Вселенная началась с первичной вспышки, а галактики были тлеющими углями этой вспышки в разливающемся море пространства. Когда семинар подошёл к концу, Эйнштейн встал и объявил, что теория Леметра — это «самое прекрасное и убедительное объяснение творения», которое ему когда-либо доводилось слышать. Самый знаменитый физик склонился к тому, чтобы изменить своё мнение о самой интригующей тайне. Хотя широкой публике имя Леметра ни о чём не говорит, среди учёных он известен как отец Большого взрыва.

 

Общая теория относительности

Космологические теории, разработанные Фридманом и Леметром, опираются на работу Эйнштейна, отправленную в немецкий журнал «Annalen der Physik» 25 ноября 1915 года. Эта статья подводила итог примерно десятилетней математической одиссеи, а представленному в ней результату — общей теории относительности — суждено было стать наиболее целостным научным достижением Эйнштейна, влекущим за собой чрезвычайно глубокие следствия. В своей теории Эйнштейн задействовал элегантный геометрический язык, чтобы переосмыслить наши представления о гравитации. Если вы уже знакомы с основными положениями этой теории и её космологическими следствиями, можете спокойно пропустить три следующих раздела. Если же вам нужно освежить в памяти основные моменты, давайте вместе пойдём дальше.

Эйнштейн начал работу над общей теорией относительности примерно в 1907 году — в то время, когда большинство учёных считали, что гравитация давным-давно получила объяснение в трудах Исаака Ньютона. Во всём мире студентов год за годом учили, что в конце XVII века Ньютон сформулировал так называемый закон всемирного тяготения, который стал первым математическим описанием этой наиболее известной силы природы. Закон Ньютона настолько точен, что инженеры НАСА до сих пор используют его при расчёте траекторий космических кораблей, а астрономы с его помощью предсказывают поведение комет, звёзд и даже целых галактик.

Эта поразительная эффективность тем более стоит упоминания, что, как осознал в начале XX века Эйнштейн, ньютоновский закон тяготения содержит глубокий изъян. Обманчиво наивный вопрос, который задал себе Эйнштейн, обнажает это со всей очевидностью: как действует гравитация? Каким образом, к примеру, Солнце сквозь 150 миллионов километров практически пустого пространства дотягивается до Земли, чтобы повлиять на её движение? Они не связаны друг с другом никакой верёвкой, их не соединяет никакая цепь — так посредством чего распространяется гравитационное влияние?

Публикуя в 1687 году свои «Математические начала натуральной философии», Ньютон отдавал себе отчёт в важности этого вопроса, но признавал, что закон всемирного тяготения обходит его тревожным молчанием. Ньютон был уверен, что должно быть нечто, передающее гравитационное воздействие от места к месту, но не мог определённо сказать, что это. В «Началах» он иронично оставил этот вопрос «на усмотрение читателя» — и на протяжении более чем двух столетий те, кто читал эти бросающие вызов слова, просто продолжали чтение дальше. Эйнштейн не смог так поступить.

Добрую половину десятилетия Эйнштейн был занят поисками механизма, лежащего в основе тяготения; в 1915 году он предложил ответ. Хотя этот ответ опирался на изощрённую математику и требовал невиданных в истории физики концептуальных пируэтов, ему был присущ тот же дух простоты, что и исходному вопросу. Посредством какого процесса гравитация распространяет своё влияние в пустом пространстве? Кажется, что пустота пустого пространства оставляет нас с пустыми руками. Однако на самом деле в пустом пространстве всё же кое-что есть: само пространство. Это подтолкнуло Эйнштейна к мысли о том, что пространство как таковое может быть посредником, передающим гравитационные силы.

Идея состоит в следующем. Представьте себе мраморный шарик, который катится по большому металлическому столу. Поскольку поверхность стола плоская, шарик будет катиться по прямой линии. Но если стол будет внезапно охвачен огнём, который заставит его вздуваться и изгибаться, траектория шарика изменится, потому что его будет направлять скрученная и вздыбившаяся поверхность стола. Эйнштейн утверждал, что сходную идею можно применить к структуре пространства. Совершенно пустое пространство напоминает плоский стол — оно позволяет объектам беспрепятственно двигаться по прямой. Но присутствие массивных тел влияет на форму пространства, подобно тому как жар пламени влияет на поверхность стола. Солнце, например, создаёт поблизости от себя изгиб, похожий на пузырь, вздувшийся на раскалённом столе. И так же как искривлённая поверхность стола заставляет шарик двигаться по кривой, искривлённая форма пространства вокруг Солнца ведёт Землю и другие планеты по их орбитам.

В этом кратком описании опущены некоторые существенные детали. Искривляется не только пространство, но и время (это называется кривизной пространства-времени); сила притяжения Земли помогает столу влиять на шарик, поскольку прижимает его к поверхности стола (Эйнштейн отстаивал идею, что искривлениям в пространстве и времени не нужен помощник, потому что они сами и есть гравитация); пространство трёхмерно, и когда оно искривляется, то становится искривлённым со всех сторон вокруг объекта, а не только «под» ним, как в аналогии со столом. Тем не менее метафора искривлённого стола отражает суть того, что предложил Эйнштейн. До Эйнштейна гравитация была таинственной силой, которая каким-то образом передаётся через пространство от одного тела к другому. После Эйнштейна под гравитацией стали понимать искажения окружающего пространства, создаваемые одним объектом и направляющие движение других. В соответствии с этой идеей вы здесь и сейчас прижаты к полу, потому что ваше тело стремится соскользнуть в пространственное (на самом деле пространственно-временное) углубление, созданное Землёй.

Эйнштейн потратил годы на то, чтобы оформить эту идею в виде строгого математического каркаса, и возникшие в результате полевые уравнения Эйнштейна — ядро его общей теории относительности — рассказывают нам, как в точности искривляются пространство и время в присутствии заданного количества материи (более точно — материи и энергии; в соответствии с эйнштейновской формулой E = mc2, где E — это энергия, а m — масса, эти две величины взаимозаменяемы). С той же точностью эта теория описывает, как такая кривизна пространства-времени повлияет на движение чего угодно — звезды, планеты, кометы, самого луча света, — движущегося через него; это позволяет физикам делать детальные предсказания о движении космических объектов.

Свидетельства, подтверждающие общую теорию относительности, не заставили себя ждать. Астрономам давно было известно, что движение Меркурия по орбите вокруг Солнца несколько отклоняется от предсказаний ньютоновской математики. В 1915 году Эйнштейн применил свои уравнения для того, чтобы заново рассчитать траекторию Меркурия, и смог объяснить расхождения; как он сказал позже своему коллеге Адриану Фоккеру, этот момент был настолько волнующим, что он несколько часов не мог унять сердцебиение. Затем в 1919 году астрономические наблюдения, организованные Артуром Эддингтоном и его коллегами, показали, что свет далёких звёзд, по дороге к Земле проходящий вблизи Солнца, следует по кривой в точном соответствии с предсказаниями общей теории относительности. Вместе с этим подтверждением (и заголовком на первой полосе «Нью-Йорк Таймс», гласившим: «ВЕСЬ СВЕТ В НЕБЕСАХ ИСКРИВЛЯЕТСЯ — УЧЁНЫЙ МИР ВЗБУДОРАЖЕН») к Эйнштейну пришла всемирная известность — в нём увидели нового мирового научного гения и прямого наследника Исаака Ньютона.

Однако самые впечатляющие проверки общей теории относительности были ещё впереди. В 1970-х годах эксперименты с часами на основе водородного мазера (мазеры подобны лазерам, но действуют в микроволновой части спектра) подтвердили предсказанное теорией искривление пространства-времени вблизи Земли с отклонением не более чем на 1/15 000. В 2003 году для детального изучения траектории радиоволн, проходящих вблизи Солнца, был использован космический аппарат «Кассини-Гюйгенс»; собранные данные соответствуют картине искривления пространства-времени, предсказанной общей теорией относительности, с отклонением не более 1/50 000. А сейчас, как и должно происходить с теорией, достигшей истинной зрелости, доказательства общей теории относительности многие из нас держат буквально в руках: счётчики времени спутников системы глобального позиционирования, к услугам которой вы обращаетесь с помощью своих смартфонов, регулярно делают поправку на кривизну пространства-времени на своей орбите вокруг Земли. Если бы они это не учитывали, указанные ими значения пространственного положения довольно быстро стали бы неточными. То, что в 1916 году было набором абстрактных уравнений, предложенных Эйнштейном в качестве нового описания пространства, времени и гравитации, сегодня привычно используется устройством, которое помещается у вас в кармане.

 

Вселенная и чашка чая

Эйнштейн вдохнул жизнь в пространство-время. Он бросил вызов тысячелетней интуиции, основанной на повседневном опыте и считавшей пространство и время лишь неизменной декорацией спектакля. Кто бы мог вообразить, что пространство-время способно скручиваться и изгибаться, становясь невидимым балетмейстером космического движения? Эйнштейн представил себе этот революционный танец, а наблюдения подтвердили его правоту. Но вскоре он сам был сбит с толку старыми, хотя и безосновательными предубеждениями.

В течение года после публикации своей общей теории относительности Эйнштейн изучал её применение к самому масштабному объекту — космосу в целом. Может показаться, что это ошеломительная задача, однако искусство теоретической физики состоит в упрощении ужасающе сложных вещей таким образом, чтобы сделать их поддающимися анализу, сохранив при этом важные физические черты. Это искусство игнорирования. Посредством так называемого космологического принципа Эйнштейн выстроил упрощённый теоретический каркас, который лёг в основу теоретической космологии как науки и искусства.

Космологический принцип состоит в утверждении, что вселенная, рассматриваемая на больших масштабах, предстанет перед наблюдателем однородной. Представьте себе чашку с чаем. На микроскопическом уровне чай в значительной степени неоднороден: здесь молекулы H2O, тут немного пустого пространства, там чуть-чуть молекул полифенола и танина, ещё пустое пространство и так далее. Но на макроскопическом уровне, доступном невооружённому глазу, мы увидим однородный красно-коричневый напиток. Эйнштейн был убеждён в том, что Вселенная в этом смысле напоминает чашку чая. Те отклонения, которые мы видим, — Земля здесь, потом немного пустого пространства, Луна там, ещё немного пространства, за ним Венера, Меркурий, ещё клочки пустоты, а дальше Солнце, — всё это мелкомасштабные неоднородности. Он предположил, что в космологических масштабах этими отклонениями можно пренебречь, потому что, как и ваш чай, в среднем они образуют нечто однородное.

Во времена Эйнштейна свидетельства в поддержку космологического принципа были в лучшем случае призрачными (а вопрос о других галактиках ещё даже не стоял), но им руководило мощное интуитивное чувство, говорившее, что в космосе нет какого-либо особого выделенного места. Он ощущал, что в среднем любая область вселенной должна быть равноправной с другими и иметь в значительной степени идентичные общие физические свойства. За прошедшие годы астрономические наблюдения дали нам большое количество данных, подтверждающих космологический принцип — но только если рассматривать пространство в масштабах по крайней мере сотен миллионов световых лет (это примерно тысячекратная длина Млечного Пути). Если вы возьмёте коробку, каждая сторона которой имеет длину сто миллионов световых лет, и бросите её где-нибудь тут, возьмёте другую такую же коробку и оставите её где-нибудь там (скажем, в миллиарде световых лет отсюда), а затем измерите средние значения общих физических характеристик внутри каждой коробки — среднее число галактик, среднее количество материи, среднюю температуру и так далее, — вы увидите, что эти коробки трудно отличить друг от друга. Короче говоря, если вы видели один кусок космоса размером сто миллионов световых лет, то вы видели их все.

Такая однородность критически необходима, чтобы можно было применить уравнения общей теории относительности к вселенной в целом. Чтобы понять, почему это так, вообразите прекрасный, ровный, гладкий пляж и представьте себе, что я прошу вас описать его свойство в малом масштабе — то есть по сути свойства каждой-каждой песчинки. Вы воспротивитесь: задача слишком объёмна. Но если я попрошу описать только общие черты пляжа (такие, как средний вес песка на кубический метр, средняя отражательная способность поверхности в расчёте на квадратный метр и тому подобное), задача станет реально выполнимой. И выполнимой её делает именно однородность пляжа. Измерьте средний вес, температуру, отражательную способность песка где-нибудь в одном месте — и готово. Измерения в других местах дадут по существу такие же результаты. То же верно и для однородной вселенной. Описать каждую планету, звезду и галактику — задача безнадёжная, но дать усреднённое описание свойств однородного космоса — цель несравнимо более простая, и с появлением общей теории относительности она стала вполне достижимой.

Вот каким образом это происходит. Содержимое большого объёма пространства в целом характеризуется тем, как много «всякой всячины» содержит этот объём; более точно, речь идёт о плотности материи, а ещё точнее — о плотности материи и энергии в этом объёме. Уравнения общей теории относительности описывают, как эта плотность меняется с течением времени. Однако без привлечения космологического принципа эти уравнения безнадёжно сложны для анализа. Их десять, а поскольку каждое из них хитроумно связано с другими, то вместе они образуют весьма тугой математический гордиев узел. К счастью, Эйнштейн обнаружил, что в приложении к однородной вселенной математическая задача упрощается: набор из десяти уравнений становится избыточным и сводится по сути дела к одному уравнению. Космологический принцип позволяет разрубить гордиев узел, устранив математическую сложность и сведя анализ распределения материи и энергии в космосе к решению единственного уравнения (вы найдёте его в примечаниях).

Не столь удачной, на взгляд Эйнштейна, оказалась другая находка: при изучении этого уравнения он обнаружил нечто неожиданное и для него неприемлемое. Среди учёных и философов того времени преобладала точка зрения, согласно которой в крупном масштабе вселенная не только однородна, но и неизменна. Подобно тому как быстрое движение молекул в вашем чае, будучи усреднённым, формирует жидкость, которая выглядит статичной, перемещения астрономических тел (такие как вращение планет по орбите вокруг Солнца и движение самого Солнца вокруг ядра галактики) при усреднении дают нам картину в целом неизменного космоса. Эйнштейн, который был приверженцем такого взгляда на космос, испытал ужас, когда обнаружил, что эта картина не стыкуется с уравнениями общей теории относительности. Математика указывала на то, что плотность материи и энергии не может оставаться неизменной с течением времени. Она либо растёт, либо уменьшается, но не может быть постоянной.

Хотя математические выкладки, ведущие к такому заключению, являются довольно изощрёнными, стоящая за ними физическая картина весьма проста. Представьте себе траекторию бейсбольного меча, летящего с основной базы к центру поля. Сперва он взмывает вверх, затем замедляется, достигает высшей точки и, наконец, летит вниз. Мяч не парит в воздухе, как воздушный шар, потому что гравитация, будучи силой притяжения и действуя в одном направлении, притягивает мяч к земной поверхности. Статическая ситуация — как ничья в перетягивании каната — требует действия равных и противоположно направленных сил, которые сводят друг друга на нет. В случае воздушного шара сила, направленная вверх и противодействующая силе притяжения, порождается давлением воздуха (воздушный шар наполнен гелием, который легче воздуха); на бейсбольный мяч над землёй не действует никакая сила, противоположная гравитации (на движущийся мяч воздействует сопротивление воздуха, но в статической ситуации оно не играет никакой роли), и потому мяч не может сохранять своё положение.

Эйнштейн обнаружил, что вселенная ведёт себя скорее как мяч, а не как воздушный шар. Поскольку нет никакой внешней силы, противодействующей гравитации, общая теория относительности показывает, что вселенная не может быть статичной. Ткань пространства или растягивается, или сжимается, но не может оставаться неизменной. Область пространства, которая сегодня имеет размер сто миллионов световых лет, завтра будет другого размера. Она или вырастет, и тогда плотность материи в ней станет ниже (то есть материя будет более свободно распределена по большему объёму), или сократится, и тогда плотность материи возрастёт (материя будет более тесно размещена в меньшем объёме).

Эйнштейн был обескуражен. Согласно формулам общей теории относительности, вселенная в больших масштабах оказалась меняющейся, поскольку изменчивой была самая её основа — пространство. Картина вечного и статичного космоса, которую ожидал увидеть Эйнштейн, отсутствовала. Он, заложивший основы космологии как науки, был глубоко расстроен тем, куда привела его математика.

 

Гравитационная декларация

Часто говорят, что Эйнштейн пал духом — якобы он вернулся к своим записям и в отчаянии принялся корёжить уравнения общей теории относительности, пытаясь привести их в согласие с идеей однородной и неизменной вселенной. Это правда лишь отчасти. Эйнштейн действительно изменил свои уравнения так, чтобы они подкрепили его убеждённость в статичности космоса, однако эти изменения были минимальными и совершенно здравыми.

Чтобы получить представление о его математических шагах, вспомните, как выглядит бланк вашей налоговой декларации. Есть строки, в которые вы вписываете какие-то числа, а есть строки, остающиеся пустыми. С математической точки зрения незаполненная строка означает, что денежная сумма равна нулю, но психологически она подразумевает нечто большее. Она говорит о том, что вы проигнорировали эту строку, поскольку решили, что она не имеет отношения к вашей финансовой ситуации.

Если формулы общей теории относительности оформить наподобие налоговой декларации, получится бланк из трёх строк. Одна строка будет описывать геометрию пространства-времени — его искривления и скрученности, которые являются воплощением гравитации. Вторая строка будет описывать распределение материи в пространстве, то есть источник гравитации — причину появления этих искривлений и скрученностей. В итоге десятилетних напряжённых исследований Эйнштейн сформулировал математическое описание этих двух характеристик и тем самым с величайшим тщанием заполнил две строки нашего бланка. Однако полная бухгалтерия общей теории относительности требует наличия третьей строки — строки, которая опирается абсолютно на тот же математический фундамент, что и первые две, но имеет более тонкий физический смысл. Когда пространство и время, прежде лишь снабжавшие нас языком для описания того, где и когда происходят те или иные события, благодаря общей теория относительности стали активными участниками космического действа, они превратились в физические сущности с собственными важными свойствами. Третья строка налогового бланка общей теории относительности измеряет одно из этих свойств пространства-времени, имеющее отношение к гравитации, — количество энергии, «зашитой» в саму ткань пространства. Точно так же как каждый кубический метр воды содержит в себе определённое количество энергии, характеризуемое температурой воды, каждый кубический метр пространства содержит в себе определённое количество энергии, характеризуемое числом из третьей строки. В своей статье, излагающей общую теорию относительности, Эйнштейн не рассматривал эту строку. С математической точки зрения это то же самое, что поставить там нуль, но, как и в случае незаполненной строки в налоговой декларации, похоже, он просто проигнорировал её.

Когда выяснилось, что общая теория относительности несовместима со статической картиной вселенной, Эйнштейн вернулся к математическим выкладкам и на этот раз обратил более пристальное внимание на третью строку. Он осознал, что нет никаких наблюдений и экспериментальных данных, которые оправдывали бы её обнуление, и увидел, что у этой строки есть весьма примечательный физический смысл.

Если вместо нуля поставить в третью строку положительное число, снабдив пространственную ткань однородной постоянной энергией, то (по причинам, которые я объясню в следующей главе) каждая область пространства будет отталкиваться от всех остальных, порождая то, что большинство физиков считали невозможным, — отталкивающую гравитацию. Более того, Эйнштейн обнаружил, что если тщательно подобрать число, размещённое в третьей строке, отталкивающая гравитационная сила, возникающая во всём космическом пространстве, будет точно уравновешивать притягивающую гравитационную силу, которую порождает материя, наполняющая пространство, и тем самым вернёт к жизни статичную модель вселенной. Вселенная станет неизменной — подобно парящему в небе воздушному шару, который не поднимается и не падает.

Эту величину, вставленную в третью строку, Эйнштейн назвал космологическим членом, или космологической постоянной; этот шаг позволил ему вздохнуть с облегчением — по крайней мере отчасти. Если бы космологическая постоянная для вселенной имела подходящее значение — то есть если бы пространство обладало правильным количеством собственной энергии, — его теория гравитации оказалась бы в согласии с преобладавшим в то время убеждением о неизменности вселенной на больших расстояниях. Он не мог объяснить, почему пространство должно заключать в себе именно то количество энергии, которое нужно, чтобы обеспечить равновесие, но ему по крайней мере удалось показать, что общая теория относительности, дополненная космологической постоянной нужной величины, приводит к той картине космоса, в которую верил он сам и которую ожидали увидеть другие.

 

Первородный атом

Леметр, подошедший к Эйнштейну на Сольвеевском конгрессе 1927 года в Брюсселе, выпадал из этой картины: из его результата следовало, что общая теория относительности стала лоном новой космологической парадигмы, согласно которой пространство расширяется. Эйнштейн не так давно одолел математику в схватке за статичную вселенную, отмёл сходные заявления Фридмана, и теперь у него попросту не было достаточного запаса терпения, чтобы ещё раз возвращаться к идее о расширяющемся космосе. Он поставил Леметру в вину слепое следование математическим выкладкам и готовность принять «чудовищные физические выводы», очевидно являвшиеся абсурдом.

Упрёк со стороны столь уважаемой фигуры стал для Леметра серьёзным ударом — но ненадолго. В 1929 году, используя крупнейший в мире на тот момент телескоп в обсерватории Маунт-Вилсон, американский астроном Эдвин Хаббл получил убедительные свидетельства в пользу того, что все далёкие галактики двигаются прочь от Млечного Пути. Фотоны, которые изучал Хаббл, проделали долгий путь к Земле, неся с собой ясное сообщение: вселенная не статична — она расширяется. Фундамент, который Эйнштейн подвёл под космологическую постоянную, обрушился. Модель Большого взрыва, описывавшая космос, который начал расширяться из чрезвычайно плотного состояния и продолжает делать это по сей день, обрела широкую известность как научный сценария творения.

Леметр и Фридман были реабилитированы. Фридман снискал репутацию учёного, который первым исследовал решения, описывающие расширяющуюся вселенную, а Леметр стал известен как исследователь, который независимо получил эти решения и выстроил на их основе ясные космологические сценарии. Их работа была признана триумфом математического подхода к изучению космоса. Эйнштейна, напротив, оставили досадовать на то, что он вообще решил взяться за третью строку налогового бланка общей теории относительности. Если бы над ним не довлело ничем не подкреплённое убеждение в статичности вселенной, он бы не ввёл в свои уравнения космологическую постоянную и сумел бы предсказать расширение вселенной за десять с лишним лет до того, как его обнаружили экспериментально.

Однако история космологической постоянной была далека от завершения.

 

Модели и данные

В космологической модели Большого взрыва есть один момент, который представляется весьма существенным. Эта модель даёт нам не один космологический сценарий, а целый их набор; все они подразумевают расширение вселенной, но отличаются общей формой пространства и, в числе прочего, расходятся в ответе на вопрос о том, является ли всё пространство в целом конечным или же бесконечным. Поскольку последнее различие оказывается жизненно важным для размышлений о параллельных мирах, я опишу имеющиеся возможности подробнее.

Космологический принцип — предполагаемая однородность космоса — налагает ограничения на геометрию пространства, поскольку большинство геометрических форм недостаточно однородны, чтобы подойти под эти требования: они вспучиваются в одном месте, уплощаются в другом и скручиваются в третьем. Однако из космологического принципа не следует единственность формы трёх измерений нашего пространства — он лишь проводит жёсткий отбор среди кандидатов, ограничивая имеющиеся возможности. Наглядно представить возможные варианты — непростая задача даже для профессионала, однако нам поможет тот факт, что ситуация в двух измерениях, которую мы можем изобразить без труда, является математически точным аналогом трёхмерной картины.

Для начала рассмотрим с этой целью идеально круглый бильярдный шар. Его поверхность двумерна (положение точки на его поверхности, как и на поверхности Земли, мы можем задать двумя фрагментами данных — скажем, широтой и долготой, — а именно это мы и подразумеваем, когда говорим, что форма двумерна) и совершенно однородна в том смысле, что любое место на ней неотличимо от остальных. Математики называют поверхность бильярдного шара двумерной сферой и говорят, что она имеет постоянную положительную кривизну. «Положительность» здесь означает, грубо говоря, что ваше отражение в сферическом зеркале будет выглядеть раздувшимся наружу, а «постоянность» — что любая сторона сферы будет одинаково искажать отражение.

Теперь представим себе идеально гладкий стол. Поверхность стола, как и поверхность бильярдного шара, однородна (или почти однородна). Если бы вы были муравьём, гуляющим по столу, вашему взору открывался бы один и тот же вид, где бы вы ни находились — при условии, что это далеко от края стола. Впрочем, восстановить полную однородность не так уж трудно: мы просто должны вообразить стол без краёв. Сделать это можно двумя путями. Представьте себе стол, который бесконечно тянется влево, вправо, вперёд и назад. Это не совсем обычный стол — его поверхность бесконечна, — но упасть с него нельзя, а значит, мы достигли поставленной цели — убрали края. Альтернативный вариант — поверхность, имитирующая старую компьютерную игру: когда мистер Пакман исчезает за левым краем, он немедленно появляется у правого края; когда он уходит за край экрана снизу, он тут же возникает сверху. Ни один обычный стол не обладает таким свойством, но это вполне осязаемая геометрическая фигура, называемая двумерным тором. В примечаниях я обсуждаю эту фигуру более полно, здесь же стоит подчеркнуть только две её характеристики: подобно бесконечному столу, экран компьютерной игры однороден и не имеет краёв. Границы являются кажущимися: мистер Пакман может пересечь их и при этом остаться в игре.

Математики говорят, что бесконечный стол и экран компьютерной игры — это поверхности постоянной нулевой кривизны. Слово «нулевая» говорит о том, что и зеркальный стол, и зеркальный компьютерный экран отразят вас без искажений, а слово «постоянная», как и прежде, означает, что ваше отражение будет выглядеть одинаково вне зависимости от того, напротив какой точки поверхности вы встанете. Разница между этими двумя формами проявляется только в глобальной перспективе. Если вы отправитесь в поездку по бесконечному столу, сохраняя постоянное направление, вы не вернётесь домой никогда; на экране компьютерной игры вы можете объехать всю фигуру и вернуться в пункт отправления, ни разу не повернув руль.

Наконец, ломтик картофельных чипсов «Принглс», если его бесконечно продолжить во все стороны (это несколько труднее изобразить), даёт представление об ещё одной однородной фигуре, про которую математики говорят, что она имеет постоянную отрицательную кривизну. Это означает, что ваше отражение в любой точке зеркальной чипсины будет выглядеть сжатым внутрь.

К счастью, эти описания двумерных однородных фигур без усилий расширяются на интересующий нас случай трёхмерного космического пространства. Положительная, отрицательная или нулевая кривизна — однородное раздувание, однородное сжатие или отсутствие искажений — с тем же успехом характеризуют трёхмерные однородные формы. В действительности нам повезло дважды, поскольку хотя трёхмерные формы очень трудно изобразить (представляя себе форму, наше сознание помещает её в некое окружение — аэроплан в пространстве, планета в пространстве, — но когда дело доходит до пространства, нет никакого окружения, в котором содержалось бы само пространство), трёхмерные однородные формы являются столь точными математическими аналогами своих двумерных родственников, что мы ничего не потеряем, когда станем делать то же, что делает большинство физиков, — мысленно использовать двумерные примеры.

В приведённой ниже таблице я перечислил возможные варианты формы пространства, подчеркнув, что одни из них имеют конечную протяжённость (сфера, экран компьютерной игры), а другие — бесконечную (бесконечный стол и бесконечная чипсина). Таблица 2.1 не является полной. Существуют другие возможные формы, которые носят загадочные названия вроде бинарного тетраэдрального пространства и додекаэдрального пространства Пуанкаре, также имеющие однородную кривизну; я не включил их сюда, поскольку их сложнее наглядно изобразить с помощью повседневных предметов. Они могут быть построены, если подходящим образом нарезать и скомпоновать уже знакомые пространства из нашего списка, так что табл. 2.1 в действительности даёт вполне представительную выборку. Однако все эти подробности второстепенны для нашего ключевого вывода: требование однородности космоса, отражённое в формулировке космологического принципа, существенным образом ограничивает набор возможных форм вселенной. Одни из этих форм имеют бесконечную пространственную протяжённость, другие — нет.

Таблица 2.1. Возможные варианты формы космического пространства, которые находятся в согласии с космологическим принципом — допущением о том, что любое положение во вселенной эквивалентно любому другому

Форма Кривизна Протяжённость
Сфера Положительная Конечная
Поверхность стола Нулевая («плоская») Бесконечная
Экран компьютерной игры Нулевая («плоская») Конечная
Ломтик чипсов «Принглс» Отрицательная Бесконечная

 

Наша Вселенная

Расширение пространства, обнаруженное математическим путём Леметром и Фридманом, применимо к любой вселенной, имеющей одну из вышеперечисленных форм. В случае положительной кривизны можно воспользоваться двумерной аналогией и представить себе, как растягивается поверхность воздушного шарика по мере того, как его надувают воздухом. Для нулевой кривизны подходит образ плоского резинового коврика, который равномерно тянут во всех направлениях. В случае отрицательной кривизны вообразите растягиваемую резиновую чипсину. Если галактики представить себе как равномерно разбросанные блёстки на любой из этих поверхностей, расширение пространства приведёт к тому, что отдельные блёстки-галактики будут отодвигаться друг от друга — в точности как в той картине разбегания галактик, которую наблюдал Хаббл в 1929 году.

Это убедительная космологическая заготовка, но для её полного завершения и определения надо выяснить, какая из описанных форм соответствует нашей Вселенной. Мы можем определить форму знакомых нам объектов — бублика, бейсбольного мяча, куска льда, — взяв их в руки и повертев так и сяк. Проблема в том, что сделать то же самое со вселенной мы не в состоянии, поэтому определять её форму мы вынуждены косвенными методами. Уравнения общей теории относительности подсказывают нам математическую стратегию. Они говорят, что кривизна пространства сводится к единственной наблюдаемой величине — к пространственной плотности материи (более точно — материи и энергии). Если материи много, тяготение заставляет пространство сворачиваться на себя, порождая сферическую форму. Если материи мало, пространство чувствует себя свободно и разворачивается подобно ломтику чипсов «Принглс». А если пространство содержит некое точно определённое количество материи, то его кривизна равна нулю.

Уравнения общей теории относительности также приводят к точному численному критерию, разделяющему данные три возможности. Математические выкладки показывают, что «определённое количество материи» — так называемая критическая плотность, составляет на сегодняшний день примерно 2 × 10−29 грамма на кубический сантиметр, что соответствует примерно шести атомам водорода в одном кубическом метре, или, в более привычных образах, — одной дождевой капле в объёме, равном объёму земного шара. Если оглядеться вокруг, легко может показаться, что плотность вещества во вселенной превышает критическую, но такой вывод будет поспешным. При вычислении критической плотности исходят из того, что вещество равномерно распределено в пространстве. Поэтому надо представить, что атомы, из которых состоят Земля, Луна, Солнце и всё остальное, равномерно распределены по космосу. Тогда весь вопрос сводится к тому, будет ли каждый кубический метр весить больше или меньше шести атомов водорода.

В силу важности космологических следствий, связанных со средней плотностью материи во вселенной, астрономы в течение десятилетий пытались измерить её величину. Метод измерений, которым они пользовались, идейно прост. С помощью мощных телескопов астрономы тщательно обследовали большие области пространства и суммировали массы всех видимых звёзд, а также массу остального материала, наличие которого они могли предполагать, изучая движение звёзд и галактик. До недавнего времени все проведённые наблюдения указывали на то, что величина средней плотности не очень велика, примерно 27 процентов от критической плотности, что соответствует двум атомам водорода на кубический метр. В свою очередь, это означало бы, что вселенная имеет отрицательную кривизну.

Однако позже, в конце 90-х годов прошлого столетия, произошло нечто экстраординарное. На основе некоторых великолепных наблюдений, которые будут рассмотрены в главе 6, и их анализа астрономы осознали, что из подсчёта постоянно упускался некоторый существенный вклад: диффузная энергия, которая, по-видимому, равномерным образом распределена во всём пространстве. Эти данные потрясли всех. Энергия, наполняющая пространство? Звучит как космологическая постоянная, которую, как мы видели, восемьдесят лет назад ввёл Эйнштейн, и от которой, как хорошо известно, он позже сам отказался. Возродили ли современные наблюдения космологическую постоянную?

До сих пор у нас нет полной уверенности на этот счёт. Даже сейчас, спустя десятилетие после первоначальных наблюдений, астрономам всё ещё предстоит выяснить, является ли такая однородная энергия неизменной, или её величина в заданной области пространства изменяется со временем. Космологическая постоянная, как следует из самого её названия (и как следует из математической сути, так как это единственное фиксированное число в гравитационной налоговой декларации), должна быть неизменной. Для описания общего случая, если энергия может изменяться, а также чтобы подчеркнуть факт отсутствия у данной энергии излучения (это объясняет, почему её не могли обнаружить так долго), астрономы ввели новый термин: тёмная энергия. При этом прилагательное «тёмный» не менее хорошо характеризует и наше текущее понимание. Никто не в силах объяснить происхождение тёмной энергии, её фундаментальный состав или свойства — эти вопросы активно исследуются в настоящее время, и мы вернёмся к ним в последующих главах.

Несмотря на многие нерешённые вопросы, детальные наблюдения на орбитальном телескопе «Хаббл» и в наземных обсерваториях позволили определиться с количеством тёмной энергии, заполняющей пространство в настоящее время. Полученное значение отличается от когда-то предложенного Эйнштейном (он постулировал значение, приводящее к статичной вселенной, а наша Вселенная расширяется). Удивительно не это, а то, что согласно этим измерениям тёмная энергия в пространстве составляет примерно 73 процента от критической плотности. Добавив их к уже измеренным астрономами 27 процентам, мы получим ровно 100 процентов критической плотности, что и есть то самое определённое количество энергии и материи, приводящее ко вселенной с нулевой пространственной кривизной.

Итак, современные данные говорят в пользу постоянно расширяющейся вселенной, форма которой похожа на трёхмерный вариант бесконечной поверхности стола или конечный экран игровой приставки.

 

Реальность в бесконечной Вселенной

Как было отмечено в самом начале этой главы, нам неизвестно, конечна или бесконечна наша Вселенная. В предыдущих разделах обсуждался случай, когда обе эти возможности естественным образом возникают из теоретических конструкций, и тот или иной выбор никак не противоречит самым точным астрофизическим измерениям и наблюдениям. И как же тогда экспериментально установить, какая из этих возможностей верна?

Это трудный вопрос. Если пространство конечно, то свет от звёзд и галактик циркулировал бы по всему космосу, многократно отражаясь, прежде чем попасть в наши телескопы. Подобно бесконечным изображениям, возникающим при отражении луча света между параллельными зеркалами, зацикленный свет приводил бы к повторяющимся изображениям звёзд и галактик. Астрономы искали подобные повторяющиеся изображения, но пока ничего не обнаружили. Само по себе это не доказывает бесконечность пространства, но показывает следующее: если оно конечно, то может быть настолько большим, что у света попросту было недостаточно времени пройти больше одного круга по космическому гоночному треку. И в этом кроется вызов всей наблюдательной астрономии! Даже если вселенная конечна, то чем она больше, тем лучше маскируется под бесконечную.

Для некоторых космологических вопросов, таких как возраст вселенной, различие между этими двумя возможностями не играет никакой роли. Конечен ли космос или бесконечен, в ранние периоды его существования галактики располагались плотнее друг к другу и поэтому вселенная была более плотной, горячей и более экстремальной. Из данных современных наблюдений о скорости расширения и теоретического анализа того, как эта скорость меняется со временем, мы можем оценить время, прошедшее с того момента, — которое можно назвать началом, — когда всё, что мы сейчас видим, возникло из одной фантастически плотной крупицы. И неважно, конечна вселенная или бесконечна, современные расчёты относят этот момент на 13,7 миллиардов лет назад.

Однако для других вопросов конечность-бесконечность вселенной имеет значение. Например, в конечном случае, рассматривая космос во всё более ранние моменты времени, мы должны представлять пространство всё более и более сжатым. И хотя математика перестаёт работать в начальный, нулевой момент времени, тем не менее, будет правильно представлять пространство при приближении к начальному моменту как всё уменьшающееся ядрышко. А вот в бесконечном случае такое описание неверно: если пространство действительно бесконечно, то оно было и будет таким всегда. При сжатии содержимое пространства сдавливается, приводя к увеличению плотности вещества, но общий размер всё равно остаётся бесконечным. Действительно, если мы сожмём поверхность бесконечного стола в 2 раза, то что мы получим? Половину бесконечности, которая по-прежнему бесконечна. Сожмём в 1 миллион раз и что получим? По-прежнему бесконечность. Чем ближе в бесконечной Вселенной мы подходим к начальному моменту времени, тем плотнее она становится в каждой точке, всё равно оставаясь бескрайней.

И хотя наблюдения не дают ответа на вопрос о конечности-бесконечности вселенной, для себя я выяснил, что физики и космологи склонны считать, — если их настойчиво спрашивать, — что наша Вселенная бесконечна. Думаю, что до некоторой степени такая точка зрения возникла исторически, ведь в течение десятилетий конечному плоскому пространству (как плоский экран для видеоигр) не уделялось достаточно внимания, в основном из-за его математической сложности. Возможно, что данная точка зрения также отражает общий подход, будто различие между бесконечной и конечной-но-очень большой вселенной является космологическим вопросом, представляющим исключительно академический интерес. В конце концов, если пространство настолько огромно, что нам в любом случае будет доступна лишь малая его часть, стоит ли беспокоиться о том, простирается ли оно бесконечно или конечно за пределами того, что мы можем видеть?

Я думаю, что стоит. Вопрос о конечности или бесконечности пространства имеет фундаментальное значение для самой природы реальности. В нём вся суть этой главы. А теперь давайте представим, что космос бесконечен, и выясним, к чему это приводит. Недолго думая, мы обнаружим, что живём в одном из бесконечного множества параллельных миров.

 

Бесконечное пространство и лоскутное одеяло

Давайте забудем ненадолго о бесконечных просторах вселенной и начнём с простой, вполне себе земной ситуации. Представьте, что ваша подруга Имельда, идя на поводу у своей страсти к обновлению гардероба, приобрела пятьсот роскошных платьев и тысячу пар обуви от-кутюр. Если каждый день она будет надевать одно платье и одну пару обуви, то в какой-то момент все возможные комбинации будут исчерпаны, и ей придётся повторить наряд. Легко оценить, когда это произойдёт. Из пяти сотен платьев и одной тысячи пар обуви можно составить 500 000 различных комбинаций. Пятьсот тысяч дней — это примерно 1400 лет, и, поэтому, если Имельда проживёт достаточно долго, то её можно будет увидеть в том наряде, который она когда-то уже надевала. Если Имельда, дай бог ей крепкого здоровья, снова и снова будет перебирать наряды, то она обязательно наденет каждый из них бесконечное число раз. Бесконечное число появлений Имельды в конечном числе нарядов приводит к бесконечным повторениям.

Развивая эту же тему, представим что Рэнди, опытный крупье, последовательно перетасовал невообразимое количество карточных колод и аккуратно разложил стопками, одну за другой. Отличается ли порядок карт в каждой перетасованной колоде или же они должны повторяться? Ответ зависит от количества колод. Пятьдесят две карты в колоде могут быть расположены 80 658 175 170 943 878 571 660 636 856 403 766 975 289 505 440 883 277 284 000 000 000 000 различными способами (52 способа расположения первой карты умножить на 51 способ расположения второй карты, умножить на 50 способов расположения следующей карты, и так далее). Если количество колод, которые перетасовывает Рэнди, превышает число возможных раскладов карт внутри колоды, то тогда расклады в части колод совпадут. Если бы Рэнди перетасовывал бесконечное количество карт, то одинаковые расклады карт внутри колод обязательно бы повторялись бесконечное число раз. Так же как с Имельдой и её нарядами, бесконечное число событий при конечном числе возможных сочетаний приводит к тому, что различные расклады бесконечно повторяются.

Это базовое понятие очень важно для космологии бесконечной вселенной. Следующие два ключевых шага демонстрируют, почему это так.

Большая часть бесконечной вселенной находится за пределами видимого, даже если использовать самые мощные телескопы. Несмотря на то, что свет распространяется невероятно быстро, если объект достаточно удалён, то испущенный им свет — даже если это произошло сразу после Большого взрыва — просто не успеет долететь до нас. Так как возраст нашей Вселенной примерно 13,7 миллиарда лет, то можно подумать, что в эту категорию попадает всё, что находится далее чем 13,7 миллиардов световых лет. Такой интуитивный вывод в целом правильный, но надо учитывать, что расширение пространства увеличивает расстояние между объектами, один из которых испустил свет давным-давно, а другой только что этот свет поглотил; поэтому максимальное расстояние, на которое мы можем заглянуть, на самом деле больше — примерно 41 миллиард световых лет. Точная цифра не имеет особого значения. Важно то, что области вселенной, находящиеся на определённом расстоянии от нас, недоступны нашим наблюдениям. Подобно кораблям, ушедшим за горизонт и потому невидимым с берега, объекты в пространстве, слишком удалённые, чтобы быть доступными для наблюдения, находятся, как говорят астрономы, за пределами нашего космического горизонта.

Точно так же свет, испущенный нами, ещё не достиг тех удалённых областей космоса, поэтому и мы находимся за пределами их космического горизонта. Причём космический горизонт — это единственное, что очерчивает доступное и недоступное нашему взору. Из специальной теории относительности Эйнштейна мы знаем, что никакой сигнал, возмущение или информация, вообще ничего не может распространяться быстрее света. Это означает, что области вселенной, расположенные настолько далеко друг от друга, что свет не успел дойти от одной области к другой, никак не взаимодействовали и развивались совершенно независимо друг от друга.

Воспользовавшись двумерной аналогией, мы можем сравнить пространство в некий момент времени с гигантским лоскутным одеялом (с круглыми лоскутками), каждый лоскут которого представляет отдельный космический горизонт. Некто, расположенный в центре лоскута, мог провзаимодействовать со всем, что находится внутри этого лоскутка, но с соседними лоскутками не было никакого контакта, потому что они находятся слишком далеко (см. рис. 2.1а). Точки вблизи границы двух лоскутков расположены ближе друг к другу, нежели соответствующие центры, и поэтому могли бы провзаимодействовать. Но если рассмотреть, например, лоскутки, расположенные через строку и через столбец в космическом одеяле, то ясно, что все точки, расположенные в разных лоскутках настолько далеки друг от друга, что никакое перекрёстное взаимодействие не имеет места (см. рис. 2.1б). Та же самая идея работает и в трёх измерениях, когда космические горизонты — лоскутки на космическом одеяле — имеют сферическую форму. Причём справедлив тот же вывод: достаточно отдалённые лоскутки находятся за пределами сферы влияния каждого и, поэтому, это независимые миры.

Рис. 2.1. а ) Так как скорость света конечна, наблюдатель в центре лоскутка (называемом космическим горизонтом наблюдателя) может провзаимодействовать только с тем, что находится в том же самом лоскутке; б ) Достаточно удалённые космические горизонты слишком далеко отстоят друг от друга, чтобы как-то взаимодействовать, и поэтому развиваются совершенно независимо.

Если пространство огромно, но имеет конечный размер, его можно разделить на большое, но всё же конечное число независимых лоскутков. Если же пространство бесконечно, то и число независимых лоскутков тоже бесконечно. Именно вторая возможность представляется наиболее захватывающей, и сейчас мы увидим, почему так происходит. В любом таком лоскутке частицы вещества (более точно, вещества и энергии всех видов) могут быть собраны лишь в конечное число различных конфигураций. Те же самые рассуждения, которые мы отрепетировали на Имельде и Рэнди, приводят нас к выводу, что условия существования в бесконечном разнообразии лоскутков — в областях вселенной, наподобие той, в которой мы живём, но распределённых в безграничном космосе — обязательно должны повторяться.

 

Конечность возможностей

Представьте душную летнюю ночь и жужжащую муху, которая назойливо кружит над вашей кроватью. Уже были попытки прихлопнуть вредное насекомое мухобойкой или уморить зловонным спреем. Ничего не помогает. В отчаянии вы пытаетесь убедить муху улететь. «Ведь это большая спальня», — уговариваете вы муху. «Здесь столько разных мест, где можно полетать. Нет никакой особой причины жужжать именно над моим ухом». «Неужжжели? — хитро парирует муха. — И сколько же их?».

В классической вселенной правильным ответом будет «бесконечно много». Как только вы скажете это мухе, она (а точнее её центр масс) может перелететь на 3 метра влево, либо на 2,5 метра вправо, а может быть на 2,236 метра наверх или на 1,195829 метра вниз, или… ну вы поняли идею. Так как положение мухи меняется непрерывно, то число мест, где она может оказаться, — бесконечно. На самом деле, как только вы станете объяснять это мухе, то сразу же поймёте, что не только положение бесконечно разнообразно характеризует муху, но и скорость. В какой-то момент муха может быть здесь и лететь направо со скоростью один километр в час или налево, со скоростью полкилометра в час. Может лететь вверх со скоростью в четверть километра в час или вниз — со скоростью 0,349283 километра в час, и так далее. И хотя скорость мухи ограничена некоторыми факторами (включая конечный запас энергии, — чем быстрее муха летит, тем больше энергии тратит), она может изменяться непрерывно, что приводит к ещё одному бесконечному выбору возможностей.

Но муху вы не убедили. «Я согласна с тобой, если речь идёт о смещении на сантиметр или полсантиметра, или даже на четверть сантиметра, — отвечает муха. — Но когда ты говоришь о положениях в пространстве, разделённых расстояниями в одну десятитысячную или в одну миллионную сантиметра, то я там просто не умещусь! Пусть для какого-нибудь умника это разные положения, но мой жизненный опыт подсказывает, что нет никакой разницы между быть здесь и быть на одну миллиардную сантиметра слева отсюда. Я не чувствую такую крошечную разницу и поэтому не могу считать их разными положениями. То же самое происходит и со скоростями. Я могу отличить скорость один километр в час от скорости в два раза меньше. Но разница между 0,25 километров в час и 0,249999999 километров в час? Я тебя умоляю! Только очень мудрая муха может утверждать, что видит разницу. Но на самом деле никто из нас не способен на такое. Что до меня — эти скорости одинаковые. Так что доступное разнообразие вариантов гораздо у́же, чем ты описываешь».

Муха подняла важный вопрос. Вообще говоря, количество положений мухи, как и количество возможных скоростей — бесконечно. Но на практике есть предел того, насколько точно можно ощутить разницу скоростей и положений, прежде чем она пропадёт окончательно. Это будет верно, даже если оснастить муху самым лучшим оборудованием. Всегда существует предел малости измеряемого приращения скорости или положения. И неважно, насколько малы эти минимальные приращения; если они отличны от нуля, они радикально сужают область возможных значений измерений.

Например, если наименьшее приращение, которое можно измерить, составляет сотую долю сантиметра, то в каждом сантиметре содержится не бесконечное число возможных измеряемых положений, а всего лишь сотня. Таким образом, в каждом кубическом сантиметре содержится 1003 = 1 000 000 различных положений, а в спальне средних размеров их будет около 100 триллионов. Трудно сказать, впечатлит ли муху такой спектр предложений, и оставит ли она вас в покое. Вывод, однако, состоит в том, что всё, кроме измерений с абсолютным разрешением, уменьшает число возможностей от бесконечного до конечного.

Вы можете возразить, что неспособность различать кратчайшие пространственные расстояния или фиксировать мельчайшую разницу между скоростями является всего лишь технологическим ограничением. Прогресс не стоит на месте, точность оборудования растёт, так что число заметно разных положений и скоростей, доступных хорошо финансируемой мухе, тоже будет увеличиваться. Здесь, однако, я должен обратиться к основам квантовой теории. В соответствии с квантовой механикой есть вполне определённый смысл в том, что существует фундаментальный предел точности, с которой могут быть проведены измерения, и такой предел в принципе не может быть преодолён, никогда, как бы далеко не продвинулся технологический прогресс. Данный предел возникает из основного принципа квантовой механики, принципа неопределённости.

Принцип неопределённости утверждает, что какие бы измерительные приборы или способы измерений вы не использовали, за увеличение разрешения при измерении одной величины неизбежно приходится платить — падает точность измерения некоторой дополнительной к ней величины. Одним из главных примеров проявлений принципа неопределённости является то, что чем точнее вы измеряете положение объекта, тем менее точно вы может измерить его скорость, и наоборот.

Для классической физики, той физики, которая во многом соответствует нашим интуитивным представлениям об устройстве этого мира, данное ограничение абсолютно чуждо. Однако как некую грубую аналогию, представьте себе процесс фотографирования той ехидной мухи. Если скорость затвора высока, получится контрастное изображение, на котором будет запечатлено положение мухи в тот момент, когда вы сделали снимок. Но из-за того, что это моментальный снимок, муха на нём неподвижна, и он не содержит никакой информации о её скорости. При уменьшении скорости затвора получится расплывчатый снимок, содержащий некоторую информацию о движении, однако именно из-за этой расплывчатости на снимке не будет точных данных о положении мухи. Невозможно сделать снимок, содержащий информацию и о точном положении, и о точной скорости мухи.

С помощью математического аппарата квантовой механики Вернер Гейзенберг определил точный предел того, насколько неточным должно быть с необходимостью совместное измерение положения и скорости. Эта неизбежная неточность и есть то, что физики называют квантово-механической неопределённостью. Существует особенно полезный для наших целей способ представить этот результат. Так же как для получения контрастной фотографии необходима высокая скорость затвора, соотношение Гейзенберга показывает, что для проведения более точного измерения положения объекта требуется зонд с большей энергией. Включите ваш прикроватный светильник, и этот зонд — рассеянный, слабый свет — позволит вам разглядеть глаза и лапки у мухи; а если посветить на муху высокоэнергичными фотонами, такими как рентгеновские лучи (только не переусердствуйте, иначе можно поджарить муху), то большее разрешение позволит разглядеть мышцы, приводящие в движение мушиные крылья. При этом абсолютное разрешение, согласно Гейзенбергу, требует бесконечных затрат энергии. А это недостижимо.

Итак, самый главный вывод мы уже сделали. Из классической физики со всей очевидностью следует, что абсолютное разрешение не достижимо на практике. Квантовая механика идёт дальше и утверждает, что абсолютное разрешение не достижимо в принципе. Если вы представляете, что скорость и положение объекта, будь то муха или электрон, одновременно изменяются на достаточно малые значения, то согласно квантовой механике вы представляете нечто, не имеющее смысла. Изменения, слишком малые чтобы их измерить, даже в принципе, не являются изменениями вообще.

С помощью тех же рассуждений, что мы использовали в доквантовом анализе мухи, можно видеть, что ограничение на разрешение уменьшает от бесконечного до конечного число различных значений положения и скорости объекта. И поскольку ограниченное разрешение, вытекающее из квантовой механики, вплетено в саму ткань физических законов, уменьшение числа возможностей до конечного неизбежно и неопровержимо.

 

Космическая многократность

Но хватит о назойливых мухах. Давайте теперь рассмотрим достаточно большую область пространства. Пусть её размер сопоставим с размером современного космического горизонта — сферы радиусом 41 миллиард световых лет. То есть рассмотрим область размером с лоскут космического одеяла. Давайте поместим туда не одну единственную муху, а много частиц материи и квантов излучения. Теперь вопрос: сколько есть способов для различной компоновки частиц?

Так же как в конструкторе «Лего»: чем больше кубиков у вас есть (чем больше вещества и излучения вы втиснули в область пространства) — тем больше число возможных компоновок. Но вы не можете втиснуть бесконечное количество кубиков. У частиц есть энергия, поэтому чем больше частиц, тем больше энергии. Если в области пространства слишком много энергии, она схлопнется под собственным весом, и возникнет чёрная дыра. Если после образования чёрной дыры попытаться втиснуть в эту область ещё больше материи и энергии, то граница чёрной дыры (её горизонт событий) расширится, охватив ещё больше пространства. Таким образом, существует предел того, сколько материи и энергии может находиться в области пространства заданного размера. Для области пространства, сопоставимой по размерам с современным космическим горизонтом, этот предел невероятно велик (примерно 1056 грамм). Однако величина предела не играет главной роли. Главное, что этот предел существует.

Количество энергии внутри космического горизонта конечно, поэтому число частиц тоже конечно, будь то электроны, протоны, нейтроны, нейтрино, мюоны, фотоны или любые другие известные или ещё не обнаруженные виды в сообществе элементарных частиц. Конечность энергии внутри космического горизонта также приводит к тому, что каждая из этих частиц, подобно надоедливой мухе в вашей спальне, обладает конечным числом разных возможных положений и скоростей. В целом, то, что существует конечное число частиц, каждая из которых может иметь конечное множество различных положений и скоростей, означает, что внутри любого космического горизонта доступно лишь конечное число различных компоновок частиц. (В главе 8 мы познакомимся с более тонким языком квантовой механики, когда говорят не о положениях частиц и их скоростях как таковых, а о квантовом состоянии этих частиц. Тогда мы будем говорить, что есть лишь конечное число наблюдаемых квантовых состояний частиц в данном космическом лоскутке.) Действительно, небольшое вычисление, которое любознательный читатель найдёт в примечаниях, показывает, что число различных конфигураций частиц внутри космического горизонта составляет примерно 1010 122 (единица с 10122 нулями). Это огромное, но всё же конечное число.

Ограниченность числа комбинаций разных платьев и туфель гарантирует, что спустя достаточное количество выходов в свет наряды Имельды начнут повторяться. Ограниченность числа различных карточных раскладов гарантирует, что если у Рэнди будет достаточно колод, то однажды итог очередного тасования карт обязательно повторит один из предыдущих. Рассуждая аналогично, мы придём к такому выводу: ограниченное количество компоновок частиц гарантирует, что при достаточном числе лоскутков в космическом одеяле, то есть при достаточном числе космических горизонтов, компоновки частиц, сравниваемые по-лоскутно, обязаны где-то повториться. Даже если бы вы могли выступить в роли космического дизайнера и попытались бы сделать так, чтобы каждый лоскуток отличался по дизайну от всех предыдущих, то в достаточно большом пространстве у вас закончатся свежие идеи, и вы будете вынуждены повторить вариант одного из предыдущих дизайнов.

В бесконечно большой вселенной многократность повторений вообще зашкаливает. Существует бесконечно много лоскутков на бесконечных просторах пространства, поэтому, при конечном наборе разных компоновок частиц, компоновки в лоскутках обязаны повторяться бесконечное число раз.

Как раз то, что нам нужно.

 

Ничего кроме физики

Анализируя следствия этого утверждения, я должен сразу сказать, куда клоню. Я считаю, что физическая система полностью определяется тем, как скомпонованы частицы, из которых она состоит. Скажите мне, какие возможные конфигурации допустимы для частиц, составляющих нашу планету, Солнце, галактику и всё остальное, и вы совершенно отчётливо опишите окружающую действительность. Такой редукционистский подход достаточно распространён среди физиков, но тем не менее, конечно же, есть люди, думающие иначе. Особенно, когда речь заходит о феномене жизни. Есть мнение, что должен существовать некий существенно нефизический аспект (дух, душа, жизненная сила, энергия ци и так далее), который одушевляет физический объект. Хотя я не исключаю такую возможность, но никогда не встречал какого-либо подтверждения этому. Наиболее осмысленная позиция для меня состоит в том, что физические и ментальные свойства кого-либо — это не более чем проявление способа организации частиц, составляющих чьё-либо тело. Задайте возможные конфигурации, и вы определите всё на свете.

Придерживаясь такой точки зрения, можно сделать вывод, что если известные нам конфигурации частиц повторяются в другом лоскутке — в другом космическом горизонте, — то этот лоскуток будет во всём похож на наш. Это означает, что если вселенная простирается бесконечно, то вы не одиноки в своей реакции (какой бы она не была) на эту точку зрения об окружающей действительности. В глубине космоса существует множество ваших точных копий, ведущих и чувствующих себя точно так же как вы. И не существует никакого способа сказать, какая из них — это действительно вы. Все копии физически и, следовательно, ментально тождественны.

Можно даже оценить расстояние до ближайшей копии. Если конфигурации частиц случайно распределены от лоскутка к лоскутку (такое допущение согласуется с уточнённой космологической теорией, с которой мы познакомимся в следующей главе), то можно ожидать, что условия в нашем лоскутке будут повторяться столь же часто как и в любом другом. В каждой коллекции из 1010 122 космических лоскутков будет, как мы ожидаем, в среднем один лоскуток, в точности похожий на наш.

То есть в каждой области пространства размером примерно 1010 122 метров в поперечнике должен находиться один лоскуток, повторяющий наш, в котором находитесь вы, Земля, галактика и всё остальное, что населяет наш космический лоскуток.

Если умерить амбиции и не искать точную копию всего космического горизонта, а удовлетворится точной копией области протяжённостью в несколько световых лет с центром, где наше Солнце, то желаемого будет достичь гораздо проще: в среднем, в каждой области размером примерно 1010 100 метров в поперечнике вы обнаружите одну такую копию. Приближённые копии найти ещё проще. Более того, есть только один способ найти точную копию данной области, и множество способов найти почти точную копию. Если бы вы посетили эти приближённые копии, то обнаружили бы, что некоторые из них практически неотличимы от нашей, а отличия других варьируются от очевидного до смешного и шокирующего. Любое когда-либо принятое вами решение равносильно какой-то частной конфигурации частиц. Если вы повернули налево, ваши частицы расположились одним образом, если вы повернули направо, то частицы расположились другим образом. Если вы сказали да, частицы вашего мозга, губ и голосовых связок дали одну конфигурацию; если вы сказали нет, — то другую конфигурацию. И поэтому каждое ваше действие, каждый сделанный выбор и каждая отклонённая возможность будут проиграны в том или ином лоскутке. В каком-то из них станут реальностью ваши самые худшие страхи о себе, вашей семье и жизни на земле. В других осуществятся ваши самые дикие фантазии. А в других похожие, но всё-таки отличные конфигурации частиц приведут к совершенно неузнаваемой среде обитания. А в большинстве лоскутков среди всего многообразия частиц будут отсутствовать некоторые, в высшей степени особые конфигурации, которые мы называем живыми организмами, так что эти лоскутки будут безжизненными, или, по крайней мере, лишёнными жизни в привычном нам виде.

Размер космических лоскутков, изображённых на рис. 2.1б, со временем будет увеличиваться. По прошествии времени свет будет проникать всё дальше и дальше, так что каждый из космических лоскутков будет расти. В конце концов космические горизонты пересекутся. И когда это произойдёт, области пространства больше не будут рассматриваться как отдельные и изолированные друг от друга, параллельные перестанут быть параллельными, они сольются. Тем не менее полученный нами ранее результат будет по-прежнему справедлив. Нарисуем новую решётку космических лоскутков, размер которых определяется расстоянием, которое прошёл свет с момента Большого взрыва и по настоящее время. Лоскутки увеличатся, поэтому на картинке, подобной рис. 2.1б, центры лоскутков отодвинутся дальше друг от друга. Однако в бесконечном пространстве найдётся предостаточно места для учёта такой поправки.

Таким образом, мы пришли к общему удивительному заключению. Для большинства из нас реалии бесконечного космоса не соответствуют нашим ожиданиям. В каждый момент времени в пространстве существует бесконечное множество отдельных миров, объединение которых я буду называть лоскутной мультивселенной, где наша Вселенная всего лишь одна из многих. Осмысливая эту бесконечную коллекцию отдельных миров, мы обнаруживаем, что конфигурации частиц обязательно повторяются бесконечное число раз. Таким образом, реальность в любой наперёд заданной вселенной, включая нашу, воспроизводится в бесконечном числе других вселенных этой лоскутной мультивселенной.

И как это понимать?

Вывод, к которому мы пришли, может показаться настолько ошеломляющим, что возникнет желание вернуть всё на круги своя. Вы можете возразить, что причудливое устройство описанного выше мира, все эти бесконечные копии всего и всех, есть просто свидетельство ошибочности одного или нескольких допущений, что привели нас сюда.

Может ли предположение о том, что космос наполнен частицами, быть неправильным? А вдруг за пределами нашего космического горизонта находится огромная пустыня, в которой нет ничего кроме пустоты. Такое может случиться, однако теоретические измышления, необходимые для обоснования такой возможности, совершенно неубедительны. Самые осмысленные космологические теории, с которыми мы ниже познакомимся, даже близко не допускают подобного результата.

Могут ли сами физические законы быть другими за пределами нашего космического горизонта, что лишит нас возможности сколь-нибудь надёжно теоретизировать об удалённых мирах? Опять же такое возможно. Но как станет видно в следующей главе, недавно был найден убедительный аргумент, почему, несмотря на то, что законы могут быть другими, эти изменения не в силах изменить наши выводы относительно лоскутной мультивселенной.

Может ли пространственная протяжённость вселенной быть конечной? Да, может. Это определённо возможно. Если пространство конечно, но достаточно большое, то где-то там всё равно могли бы существовать какие-нибудь интересные лоскутки. Однако в довольно маленькой конечной вселенной запросто может не хватить места для размещения сколько-нибудь значительного количества разных лоскутков, не говоря уж о копиях нашей собственной Вселенной. Поэтому конечность вселенной наиболее убедительным образом противоречит существованию лоскутной мультивселенной.

Однако физики в последние несколько десятилетий в попытке применить теорию Большого взрыва к самому начальному моменту времени — и достичь более глубокого понимания происхождения Вселенной и природы первичного атома Леметра — развили подход, который называется инфляционной космологией. В рамках инфляционного подхода доводы в пользу бесконечно большого космоса не только приобрели серьёзные наблюдательные и теоретические подтверждения, но и, как мы увидим в следующей главе, привели к почти неизбежному выводу.

Более того, инфляция выводит на первый план другой, ещё более экзотический вид параллельных миров.

 

Глава 3. Вечность и бесконечность

Инфляционная мультивселенная

 

В середине XX века впервые было осознано, что если потушить Солнце и удалить все другие звёзды из Млечного Пути и даже размести по сторонам более удалённые галактики, то окружающее пространство всё равно не будет чёрным. Для человеческого глаза оно по-прежнему будет чёрным, но если бы мы могли видеть в микроволновой части спектра, то куда бы мы не посмотрели, повсюду будет однородное свечение. Где его начало? В начале! Физики замечательным образом обнаружили всепроникающее море микроволнового излучения, заполняющее пространство, — дошедший до наших дней отголосок рождения Вселенной. История этого достижения является очередной демонстрацией феноменального успеха теории Большого взрыва, но одновременно с этим вскрывает один из фундаментальных недостатков теории и создаёт площадку для последующего ключевого, после новаторских работ Леметра и Фридмана, прорыва в космологии — инфляционной космологии.

Инфляционная космология видоизменяет теорию Большого взрыва, дополняя её интенсивной вспышкой невероятно быстрого расширения в течение первых мгновений жизни Вселенной. Мы увидим, что такая модификация оказывается существенной для объяснения некоторых свойств реликтового излучения, которые иначе объяснить не удаётся. И более того, инфляционная космология играет ключевую роль в нашем повествовании, потому что в течение последних нескольких десятилетий учёные постепенно осознали, что наиболее убедительные варианты теории приводят к огромному количеству параллельных вселенных, коренным образом изменяя характер реальности.

 

Следы жаркого начала

Георгий Гамов, советский физик, иммигрировавший в США, за два метра ростом, известен благодаря своим открытиям в квантовой и ядерной физике в начале XX века. У него была непростая судьба, но он был жизнерадостный и находчивый (в 1932 году он и его жена хотели сбежать из Советского Союза за границу, пытаясь переплыть Чёрное море на байдарке с запасом шоколада и коньяка; когда плохая погода заставила беглецов вернуться на берег, Гамов заговорил зубы представителям властей, рассказав им историю про неудавшийся научный эксперимент в открытом море). В 1940-х годах, успешно перебравшись за железный занавес (по суше, без особых запасов шоколада) и обосновавшись в университете Вашингтона в Сент-Луисе, Гамов занялся космологией. Исследования, проведённые им при содействии своего феноменально талантливого аспиранта Ральфа Альфера, прояснили и оживили картину первых мгновений жизни Вселенной, по сравнению с ранними работами Фридмана (который был учителем Гамова в бытность его в Ленинграде) и Леметра. С учётом небольших современных дополнений картина, нарисованная Гамовым и Альфером, выглядела следующим образом.

Сразу после рождения, будучи невероятно горячей и плотной, Вселенная пребывала в угаре активной деятельности. Пространство быстро расширялось и остывало, что приводило к образованию частиц из первичной плазмы. В течение первых трёх минут температура быстро падала, однако оставалась достаточно высокой, чтобы Вселенная была похожа на космическую ядерную печь, где образовывались простейшие атомные ядра: водород, гелий, небольшие количества лития. По прошествию ещё нескольких минут температура упала до 108 градусов по Кельвину, что примерно в 10 000 раз выше температуры поверхности Солнца. Несмотря на то, что согласно привычным стандартам такая температура крайне высока, её уже не хватает для дальнейшего поддержания ядерных процессов, и, начиная с этого момента, интенсивность движения частиц сильно падает. Последующие миллиарды лет почти ничего не происходило, пространство просто продолжало расширяться, а плазма частиц продолжала остывать.

Затем, примерно 370 000 лет спустя, когда Вселенная остыла приблизительно до 3000 K, что составляет примерно половину от температуры поверхности Солнца, однообразие космических будней было кардинальным образом нарушено. На тот момент пространство было заполнено плазмой электрически заряженных частиц, в основном протонов и электронов. Поскольку электрически заряженные частицы обладают характерной особенностью отбрасывать частицы света — фотоны, то первичная плазма была непрозрачной; фотоны, непрестанно отталкиваемые электронами и протонами, давали рассеянное свечение, похожее на свет фар автомобиля в плотном тумане. Но как только температура опустилась ниже 3000 K, быстрые электроны и ядра замедлились и стали объединяться в атомы; электроны, захваченные атомными ядрами, сели на орбиты. В этом состояло главное изменение. Так как заряды протонов и электронов равны по величине, но противоположны друг другу, образуемые ими атомы электрически нейтральны. А поскольку фотоны проходят через вещество, состоящее из электрически нейтральных компонент, не хуже, чем вода через сито, образование атомов привело к тому, что космический туман рассеялся, и световое эхо Большого взрыва вырвалось наружу. С тех самых пор первичные фотоны пронизывают всё пространство.

Всё так, но важно сделать одно предостережение. Хотя электрически заряженные частицы больше не отбрасывают фотоны то туда, то сюда, частицы света оказались подвержены другому важному воздействию. При расширении пространства содержимое становится более разреженным и остывает, в том числе и фотоны. Однако, в отличие от частиц материи, фотоны не замедляются при остывании; являясь частицами света, они всегда летят со световой скоростью. Вместо этого при остывании колебательные частоты фотонов уменьшаются, что приводит к изменению цвета. Фиолетовые фотоны становятся голубыми, затем зелёными, жёлтыми, красными, после чего становятся инфракрасными (как те, что видны в приборе ночного видения), затем микроволновыми (как те, что разогревают пищу в микроволновой печи) и, наконец, становятся радиоволнами.

Гамов впервые понял, а Альфер и его соавтор Роберт Герман тщательным образом проделали вычисления, что если теория Большого взрыва верна, то пространство должно быть повсеместно наполнено остаточными фотонами с момента рождения Вселенной, разлетающимися во всех возможных направлениях. Колебательные частоты остаточных фотонов определяются тем, насколько Вселенная расширилась за последние миллиарды лет с момента их высвобождения. Подробные математические вычисления показали, что фотоны должны были остыть почти до абсолютного нуля и иметь частоты в микроволновой части спектра. По этой причине они называются космическим микроволновым фоновым (реликтовым) излучением.

Не так давно я перечитывал статьи Гамова, Альфера и Германа конца 1940-х годов, в которых были анонсированы и объяснены эти выводы. Эти статьи являются жемчужинами теоретической физики. Техническая сторона дела вряд ли требует подготовки выше уровня знаний первокурсников, в то время как получаемые результаты — выдающиеся. Авторы пришли к выводу, что мы целиком и полностью окружены реликтовыми фотонами, завещанными нам с момента бурного рождения Вселенной.

Теперь можно только удивляться, почему эти статьи остались незамеченными. Это произошло в основном потому, что они были написаны в тот период, когда в науке доминировали квантовая и ядерная физика. Космологии ещё предстояло стать точной наукой, и поэтому физическое сообщество было менее восприимчиво к тому, что, как казалось, лежало на периферии теоретической мысли. Не в последнюю очередь судьба этих статей объясняется необычным шутливым стилем самого Гамова (как-то раз он изменил авторство одной из статей, написанной совместно с Альфером, и включил туда своего друга, будущего нобелевского лауреата Ганса Бете, только для того, чтобы в заголовке стояло Альфер, Бете, Гамов, что звучало как первые три буквы греческого алфавита), это привело к тому, что некоторые физики воспринимали его не так серьёзно, как он того заслуживал. Как они не старались, Гамов, Альфер и Герман так и не смогли заинтересовать кого-либо в своих результатах, не говоря уж о том, чтобы убедить астрономов направить значительные усилия на поиск предсказанного ими реликтового излучения. Статьи были быстро забыты.

В самом начале 1960-х годов, ничего не зная о более ранних работах, принстонские физики Роберт Дикке и Джим Пиблс, путём похожих рассуждений, пришли к такому же выводу: Большой взрыв должен был привести к вездесущему фоновому излучению, наполняющему пространство. Однако, в отличие от группы Гамова, Дикке был известным экспериментатором, и ему не надо было никого убеждать начать экспериментальные поиски. Этим он мог заняться и сам. Вместе со своими студентами Давидом Вилкинсоном и Питером Роллом Дикке разработал экспериментальную схему обнаружения реликтовых фотонов, оставшихся после Большого взрыва. Но прежде чем принстонские учёные приступили к осуществлению своих планов, прозвучал один из наиболее знаменитых телефонных звонков в истории науки.

Пока Дикке и Пиблс занимались вычислениями, физики Арно Пензиас и Роберт Вильсон из лаборатории Белла, расположенной менее чем в пятидесяти километрах от Принстона, боролись с радиоантенной (по случайному совпадению антенна была построена по проекту Дикке, разработанному им в 1940-х годах). Как они не бились с настройками, но приёмник антенны издавал постоянный и неустранимый шипящий фоновый шум. Пензиас и Вильсон были убеждены, что что-то не так с оборудованием. Но затем произошла цепочка случайных событий. Всё началось с доклада Пиблса в феврале 1965 года в университете Джона Хопкинса, на котором присутствовал радиоастроном Кеннет Тернер из института Карнеги. После семинара Тернер рассказал об этом своему коллеге из Массачусетского технологического института Бернарду Берку, который, как оказалось, был знаком с Пензиасом из лаборатории Белла. Услышав о принстонских исследованиях, группа лаборатории Белла осознала, что приёмник шипел не просто так: антенна принимала реликтовое излучение. Пензиас и Вильсон позвонили Дикке, и он сразу подтвердил, что они действительно случайно напали на отзвук Большого взрыва.

Обе группы учёных договорились опубликовать статьи одновременно в престижном «Астрофизическом журнале». Принстонская группа обсуждала выдвинутую ими теорию космологического происхождения фонового излучения, а группа лаборатории Белла сообщала, очень кратко, без какого-либо упоминания космологии, об обнаружении однородного микроволнового излучения, пронизывающего пространство. Ни одна из статей не упоминала ранние работы Гамова, Альфера и Германа. За открытие реликтового излучения Пензиас и Вильсон получили в 1978 году Нобелевскую премию по физике.

Гамов, Альфер и Герман были подавлены и в течение многих лет отчаянно боролись за признание своих работ. Лишь со временем и с большим запозданием физическое сообщество признало их ключевую роль в этом монументальном открытии.

 

Поразительная однородность древних фотонов

За десятилетия с момента первого наблюдения реликтовое излучение превратилось в основной инструмент космологических исследований. Причина этого проста. В большинстве областей науки исследователи многое дали бы за то, чтобы хоть ненадолго заглянуть в прошлое. Вместо этого они, как правило, вынуждены собирать по частям картину далёкого прошлого, основываясь лишь на обнаруженных останках — расколотых окаменелостях, рассыпающихся пергаментах или мумифицированном прахе. Космология является одной из наук, в которой мы можем стать по-настоящему свидетелями давно минувших событий. Свет от звёзд, которые мы видим невооружённым взглядом, это фотоны, летящие к нам в течение нескольких лет или нескольких тысяч лет. Свет от более удалённых объектов, попадающий в объективы мощных телескопов, летел значительно дольше, иногда миллиарды лет. Когда вы видите этот древний свет, то попадаете, буквально говоря, в древние времена. Те первобытные события происходили далеко отсюда, но выявленная однородность Вселенной на больших масштабах решительно свидетельствует в пользу, что то, что происходило там, происходило, в среднем, и здесь. Смотря вверх, мы смотрим в прошлое.

Благодаря реликтовым фотонам мы можем максимально использовать эту возможность. И неважно, как далеко могут продвинуться технологии; реликтовые фотоны — это самое древнее из всего, что можно увидеть, просто потому, что их старшие собратья не смогли пробиться сквозь непрозрачную плазму, заполнявшую Вселенную в более ранние эпохи. Изучая реликтовые фотоны, мы имеем возможность увидеть, как всё было устроено примерно 14 миллиардов лет назад.

Вычисления показывают, что в настоящее время примерно 400 миллионов реликтовых фотонов пролетают сквозь каждый кубический метр пространства. И хотя невооружённым глазом они не видны, их можно увидеть с помощью старого телевизора. Примерно 1 процент помех на экране отключённого от кабеля телевизора, настроенного на станцию, прекратившую вещание, вызван приёмом фотонов, оставшихся от Большого взрыва. А ведь это забавная мысль! Те же самые волны, передающие старые комедии, несут в себе свидетельства древнейшей драмы, произошедшей во Вселенной, которой было всего лишь несколько сотен тысяч лет от роду.

Оправдавшееся предсказание теории Большого взрыва о том, что пространство заполнено реликтовым излучением, стало триумфом. Всего лишь за триста лет научная мысль и технический прогресс человечества прошли путь от разглядывания неба через примитивные телескопы и бросания шаров с «падающих» башен до постижения физических процессов, произошедших в первые мгновения жизни Вселенной. Однако дальнейший анализ данных выявил проблему. Более точные измерения температуры излучения, проделанные, конечно же, не с помощью старого телевизора, а на самом передовом астрономическом оборудовании, показали, что излучение однородно — абсолютно однородно — в пространстве. Неважно, куда вы направите ваш приёмник, температура излучения будет 2,725 градуса выше абсолютного нуля. И задача в том, чтобы объяснить эту фантастическую однородность.

Могу представить, что, вспомнив идеи из главы 2 (и мои комментарии четырьмя абзацами выше), вы скажете: «Ну, это не более чем проявление космологического принципа: никакая точка во Вселенной никак не выделена по сравнению с любой другой точкой, поэтому температура реликтового излучения везде должна быть одинаковой». Весьма справедливый комментарий. Однако вспомните, что космологический принцип был упрощающим допущением, которое физики, включая Эйнштейна, ввели для математического анализа эволюции Вселенной. Так как реликтовое излучение действительно однородно в пространстве, его обнаружение является убедительным аргументом в пользу космологического принципа, что укрепляет нашу уверенность в полученных на его основе выводах. Однако удивительная однородность излучения проливает яркий свет и на сам космологический принцип. Каким бы разумным ни казался космологический принцип, что за механизм лежит за подтверждаемой наблюдениями однородностью Вселенной?

 

Быстрее скорости света

Всем нам знакомо неприятное ощущение, когда, подав кому-нибудь руку, мы обнаруживаем, что рука тёплая и влажная (что не так плохо) или холодная и липкая (определённо хуже). Однако если задержать руку на какое-то время, то окажется, что небольшая разница в температуре быстро исчезает. При контакте двух предметов тепло передаётся от горячего к холодному, и это продолжается до тех пор, пока их температуры не сравняются. Такое происходит повсеместно. Именно поэтому кофе, забытый на столе, в конце концов остывает до комнатной температуры.

Похожие рассуждения, по-видимому, объясняют однородность реликтового излучения. Точно так же как при рукопожатии и в случае забытого кофе однородность отражает, по-видимому, знакомое всем свойство окружающей среды выравнивать температуру. Единственное новшество состоит в том, что процесс выравнивания должен происходить на космических масштабах.

Однако в рамках теории Большого взрыва такое объяснение не проходит.

Для выравнивания температуры разных предметов существенным условием является взаимный контакт. Он может быть непосредственным, как при рукопожатии, либо по меньшей мере через обмен информацией, вследствие чего условия в разных местах становятся скоррелированными. Только посредством такого взаимного воздействия можно достичь общей среды. Термос, например, устроен так, чтобы избежать подобного взаимодействия и, препятствуя достижению однородности, сохранить разницу температур.

Это простое наблюдение указывает на трудности наивного объяснения однородности космической температуры. Рассмотрим две точки пространства, расположенные на очень большом расстоянии друг от друга: одна — справа от нас, так далеко в ночном небе, что первый испущенный ею луч света только что достиг нас, а вторая — столь же далеко, но слева от нас. Ясно, что они никогда не могли взаимодействовать друг с другом. И хотя мы можем видеть обе точки, расстояние, которое осталось преодолеть свету одной из них, чтобы достичь другую, огромно. Таким образом, воображаемым наблюдателям, находящимся в удалённых друг от друга правой и левой точках, только предстоит ещё увидеть друг друга, а поскольку скорость света является верхним пределом быстроты перемещения, то все взаимодействия для них ещё впереди. На языке предыдущей главы можно сказать, что каждый из них находится за пределами космического горизонта другого.

Вот мы и пришли к загадке. Вы бы сильно удивились, если бы узнали, что жители этих удалённых друг от друга мест говорят на одном языке, а их библиотеки заполнены одинаковыми книгами. Как может возникнуть общее наследие, если не было никакого контакта? Вы также должны удивиться, узнав, что без какого-либо явного контакта температура этих разделённых большим расстоянием областей одинакова с точностью, превышающей четыре знака после запятой.

Много лет назад, впервые столкнувшись с этой задачей, я действительно удивился. Однако, немного подумав, я уже удивился самой задаче. Как могли два предмета, когда-то находившиеся рядом друг с другом — а мы верим, что всё в наблюдаемой части Вселенной в момент Большого взрыва находилось рядом друг с другом, — отдалиться настолько быстро, что свету, испущенному одним из них, не хватит времени, чтобы достичь другого? Скорость света предельна для всего в космосе, поэтому как можно разнести предметы на такое расстояние, что даже свет не успевает его преодолеть?

Ответ на это вопрос выдвигает на передний план то, чему часто уделяют незаслуженно мало внимания. Предел скорости, устанавливаемый светом, относится исключительно к движению объектов сквозь пространство. Однако галактики удаляются друг от друга не потому, что они движутся в пространстве — у них нет реактивных двигателей, — а потому, что само пространство расширяется и галактики лишь увлекаются общим потоком. Смысл в том, что теория относительности не накладывает никаких ограничений на скорость расширения пространства, и поэтому нет никаких ограничений на скорость разбегания галактик, увлекаемых общим расширением. Скорость разбегания галактик может быть выше любой скорости, включая скорость света.

Действительно, математический аппарат общей теории относительности показывает, что в самые ранние моменты Вселенной пространство может расширяться так быстро, что области будут удалятся друг от друга быстрее скорости света. В результате возможность оказывать друг на друга какое-либо влияние исчезает. Однако трудность теперь в том, чтобы объяснить, как практически одинаковые температуры возникли в независимых областях космоса: вопрос, который космологи назвали проблемой горизонта.

 

Расширяя горизонты

В 1979 году Алану Гуту (в ту пору сотруднику Стэнфордского линейного ускорителя) пришла идея, которая, подвергшись критическому осмыслению Андреем Линде (на тот момент сотрудником Физического института им. Лебедева в Москве), Полом Стейнхардом и Андреасом Альбрехтом (профессорско-студенческий дуэт из университета Пенсильвании), решает, по общему признанию, проблему горизонта. Это решение — инфляционная космология — основывается на тонких свойствах общей теории относительности Эйнштейна, которые я скоро объясню подробно, но основные черты можно сформулировать уже сейчас.

Проблема горизонта портит стандартную теорию Большого взрыва, потому что области пространства отдаляются слишком быстро для установления теплового равновесия. Инфляционная теория решает эту проблему, уменьшая скорость разделения областей пространства в начальные моменты времени и обеспечивая таким образом достаточно времени для выравнивания температуры. Затем из теории следует, что после завершения такого «космического рукопожатия» наступает непродолжительный период чрезвычайно быстрого и постоянно ускоряющегося расширения, названного инфляционным расширением, которое более чем достаточно компенсирует вялый старт и быстро разносит разные участки неба на огромные расстояния. Наблюдаемые нами однородные условия больше не являются загадкой, так как общая температура установилась до того, как разные области пространства были быстро разнесены. В общих чертах, в этом и состоит суть идеи инфляционной теории.

Однако следует иметь в виду, что не физики определяют, как расширяется Вселенная. Насколько мы можем судить из наиболее точных наблюдений, это делают уравнения общей теории относительности Эйнштейна. Таким образом, перспективность инфляционного сценария зависит от того, возникает ли предложенная модификация стандартной модели Большого взрыва из уравнений Эйнштейна. На первый взгляд это не так очевидно.

Например, я совершенно уверен, что будь у нас возможность встретиться с Ньютоном и объяснить ему в течение пяти минут основные положения общей теории относительности, не забыв про искривлённость пространства и расширяющуюся Вселенную, то он расценил бы наш последующий рассказ про инфляцию как абсурдный. Ньютон бы твёрдо настаивал, что независимо от вычурной математики и новомодного эйнштейновского языка, гравитация является силой притяжения. Стукнув кулаком по столу, он заявил бы, что гравитация притягивает предметы, снижая скорость любого космического разбегания. Расширение, которое начинается вяло, а затем резко ускоряется на каком-то коротком отрезке времени, могло бы решить проблему горизонта, но это фикция. Ньютон настаивал бы на том, что космическое расширение должно замедлиться со временем, подобно тому как гравитационное притяжение уменьшает скорость подброшенного вверх бейсбольного мяча. Конечно, если расширение полностью прекратится и начнётся космическое сжатие, то скорость схлопывания может постепенно возрастать, ровно так же как скорость мяча может расти по мере того, как он летит обратно вниз. Но скорость пространственного расширения не может увеличиваться.

Ньютон ошибается, но вы не вправе винить его. Ведь у вас было мало времени для подробного обзора общей теории относительности. Не поймите меня неправильно. Понятно, что, имея пять минут (одну из которых вы потратили на объяснение того, что такое бейсбол), вы сосредоточились на искривлённом пространстве-времени как источнике гравитации. Ньютон сам настаивал на том, что механизм распространения гравитации неизвестен, и он всегда считал это зияющей дырой в своей собственной теории. Поэтому естественно, что вы хотели продемонстрировать ему решение этого вопроса Эйнштейном. Однако эйнштейновская теория гравитации — это не просто латание дыр в ньютоновской физике. Гравитация общей теории относительности отличается по самой сути от гравитации ньютоновской физики; и есть одно свойство, которое следует особо отметить для нашего изложения.

В ньютоновской теории гравитация обусловлена лишь массой предмета. Чем больше масса, тем сильнее гравитационное притяжение предмета. В эйнштейновской теории гравитация обусловлена массой предмета (и его энергией), а также его давлением. Взвесьте запечатанный пакет с картофельными чипсами. Теперь сожмите пакет, чтобы воздух, находящийся внутри него, оказался под высоким давлением, и затем снова взвесьте его. Согласно Ньютону, вес не изменится, потому что масса не изменилась. Согласно Эйнштейну, сжатый пакет будет весить немножко больше, потому что, хотя масса осталась прежней, давление увеличилось. При обычных обстоятельствах подобный эффект увеличения веса исчезающе мал, поэтому мы не обращаем на него никакого внимания. Однако из общей теории относительности и подтверждающих её экспериментов со всей очевидностью следует, что давление даёт вклад в гравитацию.

Это отклонение от ньютоновской теории крайне важно. Давление воздуха, будь это воздух в пакете с картофельными чипсами, надутом шаре или в комнате, где вы сейчас читаете эту книгу, положительно, и это означает, что воздух давит наружу. В общей теории относительности положительное давление, как и положительная масса, даёт положительный вклад в гравитацию, что приводит в увеличению веса. Однако, хотя масса всегда положительна, давление в некоторых ситуациях может быть отрицательным. Представьте себе растянутую резинку. Вместо того, чтобы толкать наружу, растянутые молекулы тянут вовнутрь, приводя к тому, что в физике называется отрицательным давлением (или упругостью). И точно так же как из общей теории относительности следует, что положительное давление приводит к гравитационному притяжению, эта теория утверждает, что отрицательное давление приводит к противоположному — гравитационному отталкиванию.

Гравитационное отталкивание?

Это поставило бы Ньютона в тупик. Для него гравитация была исключительно силой притяжения. Однако нас это не должно смущать: мы и раньше сталкивались с этим странным пунктом в договоре между общей теорией относительности и гравитацией. Помните, как в предыдущей главе мы обсуждали космологическую постоянную Эйнштейна? Я говорил, что при наполнении пространства однородной энергией космологическая постоянная приводит к гравитационному отталкиванию. Однако тогда я не стал объяснять, почему так происходит. Теперь я могу это сделать. Космологическая постоянная не только наполняет пространство однородной энергией, величина которой определяется значением самой константы (число в третьей строчке гравитационной декларации), но также приводит к появлению в пространстве однородного отрицательного давления (скоро увидим, почему). И когда, как в примерах выше, дело доходит до гравитации, отрицательное давление играет роль, противоположную положительной массе и положительному давлению. Так возникает гравитационное отталкивание.

Гравитационное отталкивание возникло в работах Эйнштейна лишь однажды, и то с ошибочной целью. Он предлагал получить статичную вселенную путём тонкой подстройки значения отрицательного давления во всём пространстве, так чтобы возникшее гравитационное отталкивание точно компенсировало гравитационное притяжение обычного вещества во вселенной. Как мы видели, впоследствии он отказался от этого предложения. Шестьдесят лет спустя создатели инфляционной теории предложили вариант гравитационного отталкивания, который отличался от эйнштейновской версии, как финал восьмой симфонии Малера от звука камертона. Вместо умеренного и равномерного расширения, которое может стабилизировать вселенную, инфляционная теория порождает гигантскую волну гравитационного отталкивания, невероятно короткую и ураганно-мощную. До этого события, однако, есть достаточно времени, чтобы у разных областей пространства выровнялась температура, после чего они разносятся на волне на гигантские расстояния и занимают наблюдаемое сейчас положение на небе.

В этом месте Ньютон снова неодобрительно посмотрел бы на вас. Будучи скептиком, он нашёл бы другой пробел в вашем объяснении. Разобравшись в тонкостях общей теории относительности, почитав один из стандартных учебников, он согласился бы с тем странным фактом, что гравитация в принципе может быть отталкивающей. Но, спросил бы он, к чему весь этот разговор об отрицательном давлении, заполняющем пространство? Одно дело — использовать натяжение растянутой резинки в качестве иллюстрации отрицательного давления. Но совсем другое дело — доказывать, что миллиарды лет назад, примерно в момент Большого взрыва, пространство было мгновенно заполнено огромным и однородным отрицательным давлением. Что за процесс может обеспечить подобное мгновенное и при этом повсеместное распространение отрицательного давления?

В ответе на этот вопрос проявилось гениальное прозрение первооткрывателей инфляции. Было показано, что отрицательное давление, необходимое для создания антигравитационной волны, естественным образом возникает из нового механизма, составляющие которого известны как квантовые поля. Для нашего повествования детали этого явления очень важны, потому что способ инфляционного расширения играет ключевую роль в сценарии параллельных миров, к которому оно приводит.

 

Квантовые поля

Во времена Ньютона цель физики состояла в изучении движения обычных предметов — камней, пушечных ядер, планет — и полученные им уравнения прекрасно служили этой цели. Законы движения Ньютона — это математический способ выразить движение реальных тел, если их толкнуть, потянуть или бросить. В течение более чем столетия данный подход давал прекрасные результаты. Однако в начале XIX века английский учёный Майкл Фарадей ввёл в обиход трудное для понимания, но эффективное понятие поля.

Возьмите мощный магнит и разместите его в сантиметре от канцелярской скрепки. Вы знаете, что произойдёт. Скрепка подпрыгнет вверх и прилипнет к поверхности магнита. Этот опыт настолько распространён, настолько хорошо известен, что легко проглядеть, насколько он невероятен. Магнит заставляет двигаться канцелярскую скрепку, даже не прикоснувшись к ней. Как такое возможно? Каким образом передаётся влияние магнита на скрепку без какого-либо контакта? Эти и другие вопросы привели Фарадея к постулату, что хотя магнит в буквальном смысле слова не касается скрепки, он производит нечто, что касается. Это нечто было названо Фарадеем магнитным полем.

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, 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), 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.

 

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 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.

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.

 

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). 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. 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. {22} 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 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.

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;

Рис. 3.6.   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.

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», — 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.

 

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. 3.8 а . 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. 3.8 б . Та же самая информация, что и на рис. 3.8 а , 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.

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.

Под единой теорией поля Эйнштейн подразумевал некую схему, которая позволит вплести все силы природы в единый и самосогласованный математический ковёр. Вместо одного набора законов для одних физических явлений и другого набора для других, Эйнштейн хотел свести все известные законы под единый свод. Но десятилетия напряжённой работы Эйнштейна в направлении объединения не оказали в то время значительного влияния — цель была великой, но для неё не пришло ещё время. Позднее другие исследователи подхватили знамя единой теории, широко шагая вперёд. Наиболее успешная схема объединения получила название теория струн.

В моих предыдущих книгах «Элегантная Вселенная» и «Ткань космоса» рассказывалось об истории возникновения теории струн и её основных свойствах. За годы, прошедшие с момента появления этих книг, состояние и общий статус теории привлекли внимание широкой общественности, что совершенно естественно. Несмотря на все успехи теории струн, от неё ждут определённых предсказаний, экспериментальная оценка которых даст ответ на вопрос о правильности или неправильности теории. Так как три новых типа мультивселенных (которые мы обсудим в главах 5 и 6) возникают в теории струн, сейчас важно обсудить текущий статус теории и возможности для её экспериментальной проверки и согласования с наблюдательными данными. Это и будет содержанием текущей главы.

 

Краткая история объединения

Когда Эйнштейн размышлял об объединении, науке были известны две силы: гравитация, описываемая его собственными уравнениями, и электромагнетизм, описываемый уравнениями Максвелла. Эйнштейн предполагал объединить две теории в единую математическую конструкцию, которая сочленила бы действие всех сил в природе. Эйнштейн был преисполнен надежд о своей единой теории. Работы Максвелла по объединению в XIX столетии совершенно справедливо рассматривались им как образцовый вклад в копилку человеческой мысли. До Максвелла электричество, текущее по проводам, притяжение, вызываемое детским магнитиком, и свет, идущий от Солнца к Земле, считались тремя разными, никак не связанными друг с другом явлениями. Максвелл осознал, что на самом деле они составляют сплетённое воедино научное триединство. Электрические токи порождают магнитные поля; магниты, перемещающиеся рядом с проводами, порождают в них электрические токи; а волнообразные возмущения, бегущие сквозь электрические и магнитные поля, порождают свет. Эйнштейн ожидал, что его собственная работа приведёт к продвижению программы объединения Максвелла и станет следующим и, возможно, финальным шагом на пути к единому описанию законов природы — такому описанию, в котором будут объединены электромагнетизм и гравитация.

Цель была весьма амбициозна, и Эйнштейн отнёсся к ней очень серьёзно. У него была уникальная способность полностью отдаваться задаче, которую он перед собой поставил, и последние тридцать лет своей жизни он полностью посвятил проблеме объединения. Его личный секретарь Хелен Дукас была рядом с ним в принстонском госпитале в предпоследний день его жизни, 17 апреля 1955 года. Она вспоминает, как прикованный к постели Эйнштейн почувствовал себя лучше и сразу же попросил принести черновики с уравнениями, в которых он писал и писал математические символы в безуспешной надежде, что единая теория поля выкристаллизуется. Настало утро, но Эйнштейн не проснулся. Его последние вычисления не пролили больше света на вопрос объединения.

Немногие современники Эйнштейна разделяли его страсть к поискам объединения. С середины 1920-х до середины 1960-х годов физики, руководствуясь квантовой механикой, делали успехи в раскрытии тайны атома и использовании его скрытой мощи. Возник мощный очевидный соблазн подсмотреть, из чего устроена материя. И хотя многие соглашались, что единая теория была достойной целью, но в эру, когда теоретики и экспериментаторы рука об руку работали над открытием законов микромира, интерес к ней ослабевал. С уходом Эйнштейна работа над единой теорией практически прекратилась.

Вся глубина его неудачи была осознана, когда в последующих исследованиях выяснилось, что объединение осуществлялось в слишком узких рамках. Эйнштейн не только принижал роль квантовой физики (он полагал, что единая теория вытеснит квантовую механику, и поэтому нет никакой надобности закладывать её в основы теории), но в его работе не учитывались два дополнительных взаимодействия, обнаруженные экспериментально: сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. Первое из них является тем сильным клеем, который не позволяет распасться атомному ядру, а второе, помимо прочего, ответственно за радиоактивный распад. Единая теория должна объединять не две силы, а четыре; мечта Эйнштейна стала ещё более призрачной.

В конце 1960-х и в начале 1970-х годов пошла обратная волна. Физики осознали, что методы квантовой теории поля, успешно применённые в электромагнетизме, также хорошо описывают слабое и сильное ядерные взаимодействия. Таким образом, все три негравитационные силы описываются на одном математическом языке. Более того, при подробном исследовании этих квантовых теорий поля — в основном в работах Шелдона Глэшоу, Стивена Вайнберга и Абдуса Салама, отмеченных Нобелевской премией, а также в последующих работах Глэшоу и его гарвардского коллеги Говарда Джорджи — обнаружились взаимосвязи, указывающие на возможное единство электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий. Руководствуясь идеей Эйнштейна почти полувековой давности, эти теоретики доказали, что три на первый взгляд различные силы могут на самом деле быть проявлением единой, монолитной силы природы.

Всё это явилось впечатляющим продвижением к единой теории, однако на таком обнадёживающем фоне возникла досадная проблема. Когда учёные применили методы квантовой теории к четвёртой силе в природе — гравитации, оказалась, что математика просто не работает. Вычисления, вовлекающие квантовую механику и общерелятивистское описание гравитационного поля по Эйнштейну, привели к странным результатам, равносильным математической галиматье. Как бы успешно не работали общая теория относительности и квантовая механика на своих естественных масштабах, на больших и малых расстояниях, бессмысленный результат, полученный при попытке их объединения, означал глубокую трещину в понимании законов природы. Являясь изначально лишь эстетическим устремлением, объединение стало логической необходимостью.

В середине 1980-х годов произошёл следующей ключевой скачок. Новая теория, теория суперструн, завладела умами физиков по всему миру. Она смягчила разногласия между общей теорией относительности и квантовой механикой и дала надежду, что гравитация может быть встроена в объединённый квантово-механический каркас. Наступила эра суперструнного объединения. Исследования шли с огромной скоростью, и тысячи журнальных страниц быстро заполнились вычислениями, прояснившими разные аспекты нового подхода и создавшими фундамент для его последовательной формулировки. Была развита впечатляющая и изощрённая математическая структура, но многое в теории суперструн (для краткости, теории струн) оставалось неясным.

Позже, начиная с середины 1990-х годов, попытки теоретиков распутать эти загадки неожиданно привели теорию струн к сюжету с мультивселенными. Учёным давно было известно, что математические методы, применяемые при анализе теории струн, используют множество приближений, а потому их можно усовершенствовать. Когда была сделана часть уточнений, учёные осознали, что соответствующий математический аппарат ясно указывает, что наша Вселенная является, возможно, частью некоторой мультивселенной. На самом деле, из математики теории струн следует не одна мультивселенная, а несколько различных типов мультивселенных, частью которых мы можем быть.

Для полного осознания этих захватывающих и дискуссионных идей и для понимания их роли в неослабевающем поиске законов космоса, следует отступить на шаг назад и оценить для начала статус теории струн.

 

Ещё раз о квантовых полях

Давайте начнём с более внимательного рассмотрения традиционной квантовой тории поля, оказавшейся столь успешной. Это послужит подготовкой к обсуждению струнного объединения, а также поможет выявить ключевые взаимосвязи между этими двумя подходами к формулировке законов природы.

В главе 3 обсуждалось, что классическая физика описывает поле как нечто типа тумана, который пронизывает область пространства и может переносить возмущения в виде ряби и колебаний. Если бы Максвелл описывал свет, например, освещающий в данный момент этот текст, он бы с восторгом рассказывал об электромагнитных волнах, которые исходят от солнца или от настольной лампы и колеблются в пространстве, направляясь к этой странице. Он стал бы математически описывать движение волн с помощью чисел, изображающих силу поля и направление поля в каждой точке пространства. Колеблющееся поле соответствует колеблющимся числам: численное значение поля в каждой заданной точке периодически увеличивается и уменьшается.

Вовлечение в квантовую механику понятия поля приводит к квантовой теории поля, обладающей двумя существенно новыми свойствами. Мы встречались с ними ранее, но стоит напомнить. Во-первых, квантовая неопределённость заставляет значение поля в каждой точке случайно колебаться — вспомните флуктуирующее поле инфлатона в инфляционной космологии. Во-вторых, подобно воде, состоящей из молекул H2O, квантово-механическое поле состоит из бесконечно малых частиц, известных как кванты поля. Кванты электромагнитного поля — это фотоны, и поэтому квантовая физика изменяет классическое описание вашей настольной лампы, данное Максвеллом, — теперь лампа излучает устойчивый поток из 100 миллиардов миллиардов фотонов в секунду.

Десятилетия дальнейших исследований установили, что эти свойства квантовой механики, применённые к полям, являются совершенно общими. Каждое поле подвержено квантовым флуктуациям. Каждое поле сопоставляется какому-то виду частиц. Электроны — это кванты электронного поля. Кварки — это кванты кваркового поля. В качестве (очень) приближённого наглядного образа физики иногда думают о частицах как об узлах или плотных крупицах соответствующего поля. Но как бы вы не представляли частицы, в рамках квантовой теории поля они математически описываются как крохотные крапинки или точки, не имеющие пространственного размера и внутренней структуры.

Наша вера в квантовую теорию поля обусловлена одним существенным фактом: ни один эксперимент не противоречит её предсказаниям. Наоборот, данные подтверждают, что уравнения квантовой теории поля описывают поведение частиц с изумительной точностью. Наиболее впечатляющим примером является квантовая теория поля электромагнитных сил, квантовая электродинамика. С её помощью физики провели подробные вычисления магнитных свойств электрона. Работа достаточно трудоёмкая, и точные результаты потребовали десятилетий вычислений. Но это того стоило. Полученные результаты совпадают с реальными измерениями с точностью до десяти знаков после запятой, что является совершенно невообразимым согласием теории и эксперимента.

После такого успеха можно ожидать, что квантовая теория поля является математическим фундаментом для понимания всех сил в природе. Многие известные физики разделяли такую точку зрения. В результате упорного труда многих из них к концу 1970-х было установлено, что слабое и сильное ядерные взаимодействия действительно прекрасно описываются квантовой теорией поля. Оба взаимодействия аккуратно описаны в терминах полей — сильные и слабые поля, — распространяющихся и взаимодействующих согласно математическим правилам квантовой теории поля.

Однако, как указывалось выше в историческом обзоре, многие из упомянутых физиков быстро пришли к выводу, что ситуация с четвёртым взаимодействием в природе — гравитацией, гораздо тоньше. Как только уравнения общей теории относительности объединяются с уравнениями квантовой теории, математика начинает бунтовать. Совместное использование уравнений для вычисления квантовой вероятности некоторых физических процессов — таких как вероятность того, что два электрона оттолкнуться друг от друга, притом что они электромагнитно притягиваются и гравитационно отталкиваются, — как правило, приводит к ответу бесконечность. И хотя некоторые вещи во Вселенной и могут быть бесконечными, например протяжённость пространства и количество заполняющего его вещества, но вероятности бесконечными быть не могут. По определению, значение вероятности должно находиться между 0 и 1 (между 0 и 100, если считать в процентах). Бесконечная вероятность совсем не означает, что нечто скорее всего произойдёт, или определённо случится; скорее наоборот — это бессмыслица, как говорить об одиннадцатом яйце в десятке. Бесконечная вероятность шлёт очевидный математический намёк: совместное использование уравнений бессмысленно.

Физики выяснили, что проблема коренится в дрожании и флуктуациях из-за квантовой неопределённости. Математические методы квантовой теории поля были разработаны для анализа флуктуаций сильных, слабых и электромагнитных полей, но, при их применении к гравитационному полю — полю, которое определяет кривизну пространства-времени, — оказалось, что они бесполезны. Возникли разные математические противоречия, такие как бесконечные вероятности.

Чтобы понять, почему так происходит, представьте, что вы владелец старого дома в Сан-Франциско. Если кто-то из ваших жильцов устраивает слишком бурные вечеринки, вам, наверное, придётся поднапрячься, чтобы привести жильцов в чувство, но вы точно можете не беспокоиться, что пирушка нарушит устойчивость самого здания. Однако, если начнётся землетрясение, вы столкнётесь с более серьёзной проблемой. Флуктуации трёх негравитационных полей — полей, что населяют здание пространства-времени, — подобны неутомимым участникам вечеринок. Целое поколение физиков боролось с квантовыми флуктуациями, и к началу 1970-х годов были развиты математические методы, адекватно описывающие квантовые свойства негравитационных полей. Однако флуктуации гравитационного поля качественно другие. Они больше похожи на землетрясение. Поскольку гравитационное поле вплетено в саму ткань пространства-времени, квантовые флуктуации сотрясают всю его структуру вдоль и поперёк. Математические методы, используемые для анализа таких всеобъемлющих квантовых флуктуаций, перестают работать.

В течение многих лет физики смотрели сквозь пальцы на эту проблему, потому что она возникает только при весьма экстремальных условиях. Гравитация вступает в игру, когда объекты очень массивны, а квантовая механика — когда их размер очень мал. Редко бывает, чтобы предмет был одновременно и массивный, и малым, так что для его описания необходимо привлекать как квантовую механику, так и общую теорию относительности. Однако подобные ситуации возникают. Когда гравитация и квантовая механика применяются для описания или Большого взрыва или чёрных дыр, то есть когда действительно огромная масса вещества сжимается до небольших размеров, математические методы перестают работать в самый критический момент анализа, оставляя без ответа вопросы, касающиеся того, как Вселенная родилась и как она, возможно, умрёт в центре чёрной дыры.

Более того — и это действительно впечатляюще, — отвлекаясь от озвученных примеров чёрных дыр и Большого взрыва, можно вычислить, насколько массивным и малым должна быть физическая система, для того чтобы и гравитация, и квантовая механика играли существенную роль. Ответ такой — масса, примерно в 109 раз превышающая массу протона, так называемая масса Планка, сжатая до фантастически малого объёма примерно 10−99 кубического сантиметра (грубо говоря, это сфера с радиусом 10−33 сантиметра с так называемой планковской длиной, как показано на рис. 4.1). Таким образом, расстояние, на котором квантовая гравитация вступает в права, в миллион миллиардов раз меньшее расстояния, достижимого на самых мощных в мире ускорителях. Такая огромная неисследованная территория легко может быть населена новыми полями и их частицами — и кто знает, чем ещё. В целях объединения гравитации и квантовой механики потребуется совершить множество переходов, сталкиваясь с известным и неизвестным на всей этой гигантской территории, которая по большей части остаётся экспериментально недоступной. Такая задача весьма амбициозна и многие учёные были убеждены, что она нерешаема.

Рис. 4.1. Планковская длина, на которой сходятся гравитация и квантовая механика, примерно в 100 миллиардов миллиардов раз меньше, чем любая область, когда-либо исследованная экспериментально. На схеме каждое большое деление соответствует уменьшению размера в 1000 раз; благодаря этому данная схема целиком умещается на одной странице, что, однако, визуально снижает масштабность этого огромного диапазона. Для лучшего понимания укажем, что если увеличить атом до размеров наблюдаемой Вселенной, то планковская длина будет равна размерам обычного дерева

Поэтому вы можете представить то удивление и недоверие, когда в середине 1980-х годов в физическом сообществе поползли слухи, что в направлении объединения произошёл серьёзный теоретический прорыв в рамках подхода, названного теорией струн.

 

Теория струн

Хотя теория струн имеет репутацию сложной теории, её основная идея очень проста. Мы видели, что стандартная точка зрения, до теории струн, состояла в том, что фундаментальные составляющие являются точечными частицами — точками без внутренней структуры, — которые описываются уравнениями квантовой теории поля. С каждым типом частиц связан свой тип поля. Теория струн бросает вызов такому представлению, утверждая, что частицы не являются точечными. Вместо этого в теории струн предлагается рассматривать их как крошечные, струноподобные вибрирующие нити, как на рис. 4.2. Приглядитесь поближе к любой частице, которая раньше считалась элементарной, и вы увидите, как того требует теория, крохотную вибрирующую струнку. Загляните поглубже в электрон и вы обнаружите струну, загляните поглубже в кварк и вы опять обнаружите струну.

Рис. 4.2. Согласно струнному объяснению устройства природы, на планковских расстояниях фундаментальные составляющие материи имеют вид струноподобных нитей. Однако из-за ограниченности разрешающей способности нашего оборудования мы видим эти струны как точки

При более детальном рассмотрении, говорит теория, вы увидите, что струны в частицах разного типа неразличимы — лейтмотив всей теории струн, — но вибрируют они по-разному. Электрон менее массивен чем кварк, и согласно теории струн это означает, что струна электрона вибрирует менее энергично, чем струна кварка (очередное проявление эквивалентности энергии и массы, воплощённое в уравнении E = mc2). Электрон также обладает электрическим зарядом, величина которого превышает величину заряда кварка, и эта разница объясняется другими, более тонкими, различиями в струнном вибрационном поведении каждого из них. Различные свойства частиц объясняются разным вибрационным поведением нитей в теории струн, подобно тому как разные вибрации гитарных струн порождают звучание разных музыкальных нот.

На самой деле, теория побуждает нас думать, что вибрирующие струны не просто порождают свойства частицы-хозяина, а что они и есть сама частица. По причине бесконечно малого размера струны, порядка планковской длины — 10−33 сантиметра, даже самые точные современные эксперименты не могут подтвердить или опровергнуть протяжённую структуру струны. Большой адронный коллайдер, на котором частицы сталкиваются друг с другом при энергиях, превышающих в 10 триллионов раз энергию покоящегося протона, может добраться до расстояний примерно 10−19 сантиметра; это миллионная от миллиардной доли толщины волоса, но всё же оно слишком велико, на много порядков больше планковских расстояний. Поэтому струны выглядят как точки, даже если их изучать на самых мощных в мире ускорителях частиц, подобно тому как Земля выглядит как точка, если на неё смотреть с Плутона. Тем не менее, согласно теории струн, частицы являются струнами.

В этом, в двух словах, и заключается теория струн.

 

Струны, точки и квантовая гравитация

У теории струн есть много других существенных свойств, и её развитие значительно расширило то схематическое описание, которое я изложил. В этой главе (а также в главах 5, 6 и 9) мы познакомимся с некоторыми наиболее важными достижениями, но сейчас я хотел бы подчеркнуть три особо важных момента.

Во-первых, когда учёные физики предлагают модель описания природы с помощью квантовой теории поля, они также выбирают поля, которые войдут в теорию. Этот выбор диктуется экспериментальными ограничениями (каждый известный тип частиц определяет отбор соответствующего поля), а также теоретическими предпосылками (гипотетические частицы и их поля, такие как инфлатон и поле Хиггса, вводятся для изучения открытых и спорных вопросов). Главным примером является Стандартная модель. Рассматриваемая как венец достижений физики частиц XX столетия благодаря своей способности правильно описывать огромное количество данных, собранных на ускорителях частиц по всему миру, Стандартная модель является квантовой теорией поля, в которой присутствуют пятьдесят семь различных квантовых полей (это поля, соответствующие электрону, нейтрино, фотону и различным типам кварков — u-кварку, d-кварку, c-кварку и так далее). Стандартная модель, безусловно, крайне успешна, но многие физики полагают, что по-настоящему фундаментальное понимание не требует такого разношёрстного набора ингредиентов.

Впечатляющее свойство теории струн состоит в том, что частицы определяются самой теорией: разные типы частиц соответствуют разному вибрационному поведению струны. И поскольку вибрационное поведение задаёт свойства соответствующей частицы, то если мы поймём теорию настолько хорошо, что определим все типы вибрационного поведения, мы сможем объяснить все свойства всех частиц. Тогда потенциал и перспективы теории струн заключаются в том, чтобы превзойти квантовую теорию поля путём получения всех свойств частиц математически. Это не только объединит всё на свете под зонтиком вибрирующих струн, а также покажет, что будущие «сюрпризы» — как, например, открытие неизвестных пока типов частиц — встроены в теорию струн с самого начала и в принципе будут доступны при достаточно упорных вычислениях. Теория струн строится не последовательными приближениями к полному описанию природы. Она предлагает полное описание с самого начала.

Во-вторых, среди возможных вибраций струны есть одна, обладающая всеми нужными свойствами для того, чтобы быть квантовой частицей гравитационного поля. Хотя дострунные попытки свести воедино гравитацию и квантовую механику оказались неудачными, исследования выявили свойства, которыми будет обладать гипотетическая частица — получившая название гравитон, — соответствующая квантовому гравитационному полю. Было показано, что гравитон должен быть безмассовым, не иметь заряда и обладать квантово-механическим свойством, известным как спин-2. (Грубо говоря, гравитон должен вращаться как волчок, причём в два раза быстрее, чем фотон.) Замечательно, что первые струнные теоретики — Джон Шварц, Джоэл Шерк и, независимо от них, Тамиаки Йонея — обнаружили, что в списке струнных вибраций присутствует именно такая вибрация, свойства которой соответствуют гравитону. В точности соответствуют. Когда в середине 1980-х годов были выдвинуты убедительные доводы в пользу того, что теория струн является математически согласованной квантово-механической теорией (в основном благодаря работам Шварца и его соавтора Майкла Грина), присутствие гравитонов означало, что теория струн является давно искомой квантовой теорией гравитации. Этот пункт в списке достижений теории струн наиболее важен, именно поэтому она так быстро воспарила к вершинам мировой научной известности.

В-третьих, как бы ни была радикальна теория струн, она идёт по проторённому пути, известному в истории физики. Обычно, новые и успешные теории не игнорируют предыдущие достижения. Наоборот, успешные теории, как правило, включают в себя добытые ранее знания, тем самым значительно расширяя область физических явлений, которые можно аккуратно описать. Специальная теория относительности расширяет наше понимание мира высоких скоростей; общая теория относительности идёт дальше и учитывает большие массы (там, где действуют сильные гравитационные поля); квантовая механика и квантовая теория поля вводят нас в мир малых расстояний. Понятия, привлекаемые этими теориями, и предсказываемые ими свойства не похожи ни на что известное ранее. Более того, если применять эти теории в привычных рамках доступных нам скоростей, размеров и масс, они сведутся к описаниям, открытым до XX столетия — к классической механике Ньютона и классическим полям Фарадея, Максвелла и других.

Возможно, теория струн является следующим и окончательным шагом на этом пути. В единых рамках она описывает области, подвластные релятивизму и квантам. Более того, важно то, что в теории струн это происходит таким образом, что охватываются все открытия, сделанные ранее. Может показаться, что теория, основанная на вибрирующих нитях, не имеет ничего общего с картиной гравитации как искривлённого пространства-времени, диктуемой общей теорией относительности. Тем не менее, применив теорию струн в ситуации, когда гравитация существенна, а квантовая механика нет (например, для массивного объекта большого размера, такого как Солнце), вы получите уравнения Эйнштейна. Вибрирующие нити и точечные частицы тоже мало похожи. Однако, применив теорию струн в ситуации, когда существенна квантовая механика, а гравитация нет (например, для небольших наборов медленно вибрирующих и движущихся с большой скоростью струн, или для сильно растянутых струн; энергия таких струн мала, что эквивалентно малости массы — поэтому гравитацией можно пренебречь), вы увидите, что математика теории струн трансформируется в математику квантовой теории поля.

На рис. 4.3 показаны логические связи между основными теориями, развитыми со времён Ньютона. Теория струн могла бы претендовать на существенный отрыв от своих предшественников и отступить от нарисованной схемы. Замечательно, что этого не происходит. Теория струн достаточно революционна для преодоления барьеров физики двадцатого столетия. При этом она достаточно консервативна, чтобы прошедшие три столетия открытий смогли уютно разместиться в её математическом аппарате.

Рис. 4.3. Взаимосвязи между основными теоретическими достижениями в физике. С исторической точки зрения, новые и успешные теории расширяют границы нашего понимания (более высокие скорости, бо́льшие массы, меньшие расстояния) и сводятся к предыдущим теориям в менее экстремальных физических условиях. Теория струн следует именно такому пути прогресса — расширяет границы понимания, и при определённых условиях сводится к общей теории относительности и квантовой теории поля

 

Пространственные измерения

Теперь обсудим кое-что необычное. Переход от точек к нитям — лишь часть нового подхода, предлагаемого теорией струн. В первые годы исследований по теории струн физики столкнулись с фатальными математическими изъянами (названными квантовыми аномалиями), влекущими за собой такие неприемлемые процессы, как спонтанное возникновение или исчезновение энергии. Как правило, когда подобные проблемы возникают в обсуждаемой теории, физики реагируют очень остро и быстро. От такой теории отказываются. Действительно, в 1970-х многие думали, что с теорией струн так и надо поступить. Но некоторые исследователи упорно придерживались другой точки зрения.

В результате сложных исследований было выяснено, что проблемные свойства тесно связаны с числом пространственных измерений. Вычисления показали, что если бы у Вселенной было не три привычных измерения, а больше — дополнительные измерения помимо обычных вправо/влево, вперёд/назад и вверх/вниз, — то уравнения теории струн стали бы непротиворечивыми. Точнее, в уравнениях теории струн нет изъянов во вселенной с девятью пространственными измерениями и одним временным, что в совокупности составляет десять измерений.

Было бы здорово объяснить, как это происходит, не вдаваясь в технические подробности. Однако я не умею этого делать, и никогда не встречал кого-нибудь, кто умел. Я предпринял такую попытку в «Элегантной Вселенной», но описал только самым общим образом, как число измерений влияет на струнные вибрации, и не объяснил, откуда возникает выделенное значение десять. Так что здесь дам некую техническую наводку. В теории струн есть одно уравнение, в котором присутствует вклад вида (D − 10) умножить на (проблему), где D — это число пространственно-временных измерений, а проблема — это некое математическое выражение, приводящее к проблемному физическому явлению, подобному ранее упомянутому нарушению закона сохранения энергии. Я не могу предложить никакого интуитивного, нетехнического объяснения, почему уравнение имеет именно этот вид. Но в вычислениях возникает именно оно. Простое, но ключевое наблюдение состоит в том, что если число измерений равно десяти, а не четырём, как можно было бы ожидать, вклад в уравнение становится 0 умножить на проблему. Поскольку умножение на ноль всегда даёт ноль, во вселенной с десятью пространственно-временными измерениями проблема исчезает. Таково математическое объяснение. Именно поэтому физики, занимающиеся теорией струн, рассматривают вселенную, в которой более четырёх пространственно-временных измерений.

Но даже если вы всем умом стремитесь идти по пути, благословлённому математикой, если об идее дополнительных измерений вы слышите в первый раз, то такая гипотеза может показаться довольно странной. Пространственные измерения так просто не теряются, ведь это не ключи от машины или один из ваших любимых носков. Если бы во Вселенной, помимо высоты, ширины и длины существовало что-то ещё, то это обязательно кто-нибудь заметил бы. Хотя и не обязательно. В начале XX столетия в нескольких пророческих статьях немецкого математика Теодора Калуцы и шведского физика Оскара Клейна было высказано предположение о существовании измерений, легко ускользающих от обнаружения. Они предсказывали, что в отличие от привычных пространственных измерений, простирающихся на большие или даже бесконечные расстояния, могут существовать дополнительные измерения, настолько малые и скрученные, что их очень трудно увидеть.

Возьмите обычную трубочку для коктейлей. А теперь вообразите, что она необычайно длина, что при той же ширине она по высоте равна Эмпайр-стейт-билдинг. Поверхность этой трубочки (как и любой другой) имеет два измерения. Длинное вертикальное измерение и короткое круговое измерение, накрученное вокруг трубочки. Теперь представьте, что вы смотрите на эту трубочку с другого берега реки Гудзон (рис. 4.4а). Трубочка очень тонкая, она выглядит как вертикальная линия, тянущаяся от земли до неба. Остроты зрения недостаточно, чтобы разглядеть маленькое круговое измерение с такого расстояния, хотя оно есть в каждой точке вдоль всего длинного вертикального измерения. Можно прийти к неправильному выводу, что поверхность трубочки имеет одно измерение, а не два.