Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса

Грин Брайан

Глава 6. Новые мысли о старой константе

Ландшафтная мультивселенная

 

 

Разница между 0 и 0,000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001 может показаться не такой уж большой. И это именно так при любых обычных измерениях. Однако есть всё усиливающееся подозрение, что эта крошечная разница может оказаться ответственной за кардинальный сдвиг в том, как мы представляем ландшафт окружающей действительности.

Крошечное число, указанное выше, впервые было измерено в 1998 году двумя группами астрономов, которые проводили тщательные наблюдения взрывающихся звёзд в удалённых галактиках. С тех пор эти данные были подтверждены множеством других исследований. Что это за число, почему вокруг него такая шумиха? Это не что иное, как то, что было указано в третьей строке гравитационной декларации — космологическая постоянная Эйнштейна, определяющая количество невидимой тёмной энергии, которой пропитана ткань пространства.

Так как этот результат продолжает подтверждаться в тщательных исследованиях, физики вынуждены признать, что наблюдения и выводы, сделанные в предшествующие десятилетия и убедившие многих в том, что космологическая постоянная равна 0, должны быть отвергнуты. Теоретики начали спешно выяснять, где же они ошибались. Но ошибались не все. Годами ранее высказывались идеи, что ненулевая космологическая постоянна будет однажды обнаружена. В чём состояло ключевое предположение? В том, что мы живём в одной из многих вселенных. Многих вселенных.

 

Возвращение космологической постоянной

Напомню, что космологическая постоянная, если она существует, наполняет пространство невидимой энергией — тёмной энергией, — знаковым свойством которой является гравитационное отталкивание. Эйнштейн увлёкся этой идеей в 1917 году, считая, что порождаемая космологической постоянной антигравитация сбалансирует гравитационное притяжение обычной материи во Вселенной и таким образом приведёт к картине космоса, который не будет ни сжиматься, ни расширяться.

Часто говорят, что когда Эйнштейн узнал о наблюдениях Хаббла 1929 года, обнаруживших расширение пространства, то назвал космологическую постоянную своей «величайшей ошибкой». Георгий Гамов вспоминал разговор, в котором Эйнштейн сказал об этом, но, учитывая склонность Гамова к литературным гиперболам, есть сомнения в надёжности этих воспоминаний. Но совершенно точно, что Эйнштейн выбросил космологическую постоянную из своих уравнений после того, как наблюдения показали, что его вера в статичную вселенную безосновательна. Спустя много лет он заметил, что если бы «хаббловское расширение было обнаружено в момент создания общей теории относительности, то космологическая постоянная никогда не была бы введена». Но «задний ум» не всегда крепок; иногда он может затуманить исходную идею. В 1917 году в письме, написанном физику Виллему де Ситтеру, Эйнштейн высказался более подробно:

В любом случае остаётся один вопрос. Общая теория относительности позволяет включить космологическую постоянную в полевые уравнения. Однажды наши настоящие знания об устройстве неподвижного звёздного неба, явные движения неподвижных звёзд и положение спектральных линий в зависимости от расстояния, возможно, станут достаточными для эмпирического разрешения вопроса о том, равна нулю или нет космологическая постоянная. Убеждённость — мощная пружина, но ненадёжный судья. {46}

Восемьдесят лет спустя космологический проект «Supernova cosmology», возглавляемый Солом Перлмуттером, и поисковая группа «High-Z Supernova», возглавляемая Брайаном Шмидтом, пошла именно по такому пути. Они аккуратно изучили плотность спектральных линий — свет, испущенный удалёнными звёздами, — и, как предсказывал Эйнштейн, смогли на основе опытных данных изучить задачу, чему равна космологическая постоянная.

К удивлению многих они обнаружили, что нулю она не равна.

Космическая судьба

Когда астрономы приступили к работе, ни одна из исследовательских групп не ставила своей целью измерить космологическую постоянную. Фокус был направлен на измерение другого космологического свойства — скорости замедления расширения пространства. Обычное гравитационное притяжение притягивает объекты друг к другу всё ближе и ближе, поэтому скорость расширения падает. Точная величина темпа замедления играет ключевую роль в предсказании того, как будет выглядеть Вселенная в далёком будущем. Сильное замедление означает, что в какой-то момент расширение прекратится, после чего пойдёт обратный процесс и начнётся период пространственного сжатия. В результате непрекращающегося сжатия произойдёт Большой хлопок — явление, обратное Большому взрыву, — или возможно отскок, как в циклических моделях, рассмотренных в предыдущей главе. Если замедление небольшое, то развязка будет совсем другая. Подобно мячу, который на большой скорости может преодолеть притяжение Земли и полететь дальше, при достаточно высокой скорости пространственного расширения и достаточно малом темпе замедления пространство может расширяться вечно. Измеряя космическое замедление, вышеназванные исследовательские группы пытались определить окончательную судьбу космоса.

Подход каждой группы был прост: измерить насколько быстро пространство расширялось в некоторые моменты в прошлом и, сравнив эти скорости, определить темп замедления расширения в течение всей истории развития Вселенной. Отлично! Но как это сделать? Подобно многим вопросам в астрономии, всё свелось к тщательному наблюдению света. Галактики подобны сигнальным огням маяков, чьё движение отражает пространственное расширение. Если бы мы могли определить насколько быстро галактики удалялись от нас в тот давний момент, когда они излучили свет, что сейчас дошёл до нас, мы смогли бы определить, как быстро расширялось пространство в различные моменты в прошлом. Сравнивая эти скорости, можно было бы узнать темп космического замедления. В этом и состоит главная идея.

Для проработки всех подробностей необходимо решить два основных вопроса. Как на основе современных наблюдений за удалёнными галактиками можно определить расстояния до них, и как мы можем измерить скорость их движения? Начнём с расстояния.

 

Расстояние и яркость

Одной из самых старых и важных проблем в астрономии является определение расстояний до небесных объектов. Метод параллакса — один из самых первых способов определения расстояния, можно объяснить даже пятилетнему ребёнку. Дети обычно (моментально) приходят в восторг, когда, смотря на какой-нибудь предмет, поочерёдно закрывая то один, то другой глаз, обнаруживают, что предмет начинает прыгать с место на место. Если вам уже не пять, попробуйте так поэкспериментировать с этой книгой, сфокусировав взгляд на какой-нибудь угол. Прыжки происходят потому, что наши глаза расположены на некотором расстоянии друг от друга, а следовательно, смотрят на предмет под разными углами. Для предметов, расположенных далеко, сдвиг менее заметен, потому что разница в углах уменьшается. Это простое наблюдение можно описать количественно, установив точную связь между разницей в угле между лучами зрения обоих глаз — параллаксом — и расстоянием до объекта, на который вы смотрите. Однако не беспокойтесь о деталях — ваша зрительная система делает это автоматически. Именно поэтому вы видите мир в 3D.

Когда вы смотрите на звёзды в ночном небе, параллакс слишком мал, чтобы его заметить; ваши глаза расположены слишком близко друг к другу, чтобы возникла значительная разница в угле. Однако есть хитроумный способ преодолеть данное затруднение: нужно измерять положение звезды в два приёма, с периодом в шесть месяцев, заменив тем самым взаимное расположение ваших глаз двумя положениями Земли в пространстве. Большее расстояние между точками наблюдения увеличивает параллакс; он по-прежнему мал, но в некоторых случаях достаточно велик, чтобы его измерить. В самом начале XIX столетия среди учёных была напряжённая конкуренция, кто первый измерит такой звёздный параллакс; в 1838 году немецкий астроном и математик Фридрих Бессель заслужил лавры победителя, успешно измерив параллакс звезды под названием 61 Лебедя в созвездии Лебедя. Угловая разница оказалась равной 0,000084 градуса, что соответствует расстоянию до звезды в 10 световых лет.

С тех пор метод постоянно улучшался и теперь применяется на спутниках, которые могут измерять гораздо меньшие углы параллакса, чем в наблюдениях Бесселя. Эти достижения позволили проводить точные измерения расстояний до звёзд, если они не превышают несколько тысяч световых лет. Однако если сильно выйти за эти рамки, разница в углах опять становится слишком маленькой и метод перестаёт работать.

Другой подход, который может измерять гораздо бо́льшие расстояния на небе, основан на ещё более простой идее: чем дальше вы отодвигаете светящийся объект, будь это автомобильные фары или яркая звезда, тем больше излучённый свет рассеивается по пути своего движения к нам, и поэтому тускнеет. Сравнивая видимую яркость объекта (то, насколько ярок свет при наблюдении с Земли) с собственной яркостью (то, насколько ярок свет при наблюдении с близкого расстояния), можно найти расстояние до объекта.

Но здесь возникает отнюдь не малое препятствие, как определить собственную яркость астрофизических объектов. Звезда тусклая, потому что находится очень далеко или потому что сама по себе не очень яркая? Это объясняет, почему столь долгим оказался поиск астрономических объектов, которые были бы достаточно распространены в космосе, и собственную яркость которых можно было бы достоверно определить без необходимости находиться рядом. Если бы удалось найти такие стандартные свечи, то была бы найдена единая мера определения расстояний. Разница в яркости одной стандартной свечи по отношению к другой напрямую дала бы нам информацию о расстоянии между ними.

В течение всего столетия с попеременным успехом предлагалось и применялось множество разных стандартных свечей. В последнее время наиболее плодотворным оказался метод, использующий звёздные вспышки, называемые сверхновыми типа Ia. Сверхновая Ia возникает, когда белый карлик вытягивает вещество из своего близкого компаньона, как правило, красного гиганта, вокруг которого он вращается. Из хорошо развитых физических методов изучения звёздных структур следует, что если белый карлик вытянет достаточное количество вещества (так что его масса возрастёт примерно до 1,4 масс Солнца), то он больше не сможет поддерживать свой вес. Раздутый карлик коллапсирует, и происходит настолько мощный взрыв, что порождённая вспышка света сопоставима со светом около 100 миллиардов звёзд в окружающей его галактике.

Такие сверхновые звёзды являются идеальными стандартными свечами. Взрыв настолько мощный, что его можно видеть с фантастически больших расстояний. Важно, что поскольку вспышки являются результатом одного и того же физического процесса — увеличение массы карлика примерно до 1,4 масс Солнца и последующий взрыв, — то образовавшиеся сверхновые имеют примерно одинаковые собственные светимости. Однако проблема в использовании сверхновых типа Ia состоит в том, что в средней галактике такие вспышки происходят раз в несколько столетий: как нам поймать их в процессе взрыва? Обе группы, космологический проект «Supernova cosmology» и поисковая группа «High-Z Supernova», взялись за решение этого вопроса способом, похожим на эпидемиологические исследования: точная информация об однотипных относительно редких событиях может быть получена, если изучать достаточно большую популяцию. Поэтому на помощь пришли телескопы, снабжённые широкоформатными детекторами, способными одновременно анализировать тысячи галактик. Тогда исследователи смогли установить местоположение дюжины сверхновых типа Ia, которые в дальнейшем можно более детально изучать с помощью обычных телескопов. Основываясь на их яркости, учёные смогли определить расстояния до дюжины галактик, удалённых на миллиарды световых лет, — и таким образом завершить первый шаг в решении поставленной задачи.

 

И всё-таки, что за расстояние?

Прежде чем перейти к следующему шагу — определению скорости расширения Вселенной в момент взрыва каждой из сверхновых, стоит вкратце остановиться на одном затруднительном моменте. Когда мы говорим о расстояниях на таких фантастически огромных масштабах, причём в контексте постоянно расширяющейся Вселенной, возникает вопрос, какое именно расстояние измеряют астрономы? Это расстояние между теми положениями, которые мы и наблюдаемая галактика занимали миллиарды лет назад, когда галактика испустила свет, наблюдаемый нами теперь? Или это расстояние между нашим настоящим положением и положением галактики миллиарды лет назад, когда она испустила свет, наблюдаемый нами теперь? Либо это расстояние между нашим настоящим положением и настоящим положением галактики?

Я сейчас хочу предложить вам самый полезный, на мой взгляд, способ размышления об этом и о множестве других запутанных космологических вопросов.

Допустим, вы хотите знать кратчайшие расстояния между тремя городами, Нью-Йорком, Лос-Анджелесом и Остином, поэтому вы берёте карту Соединённых Штатов и измеряете по ней расстояния между городами. Вы обнаружите, что Нью-Йорк находится в 39 сантиметрах от Лос-Анджелеса; Лос-Анджелес находится в 19 сантиметрах от Остина; и Остин расположен в 24 сантиметрах от Нью-Йорка. Затем вы пересчитываете результаты замеров в километры с помощью легенды карты, на которой указано отношение пересчёта: 1 сантиметр = 100 километров — это позволяет выяснить, что данные три города расположены на расстоянии, соответственно, 3900 километров, 1900 километров и 2400 километров друг от друга.

Теперь представьте, что поверхность Земли равномерно раздулась и все расстояния удвоились. Это весьма радикальная трансформация, но и в этом случае ваша карта Соединённых Штатов останется абсолютно пригодной, если вы сделаете одно важное изменение. Понадобится изменить легенду карты так, чтобы отношение пересчёта теперь имело вид: 1 сантиметр = 200 километров. Тогда 39 сантиметров, 19 сантиметров и 24 сантиметра станут теперь соответствовать 7800 километрам, 3800 километрам и 4800 километрам по территории растянутых Соединённых Штатов. Если раздувание Земли продолжится, то статичная, неизменная карта будет оставаться пригодной, если постоянно поправлять её легенду, нужным образом меняя отношение пересчёта в каждый момент: 1 сантиметр = 200 километров в полдень; 1 сантиметр = 300 километров в два часа дня; 1 сантиметр = 400 километров в четыре часа дня — для адекватного отражения процесса удаления двух точек при расширении поверхности.

Такое сравнение с раздувающейся Землёй весьма полезно, потому что аналогичные рассмотрения применимы к расширяющемуся космосу. Сами по себе галактики остаются на месте. Но подобно городам на раздувающейся поверхности Земли, они удаляются друг от друга, потому что субстанция, в которую они погружены, — само пространство — растягивается в разные стороны. Это означает, что если бы космический картограф отметил положения галактик миллиарды лет назад, то такая карта была бы и сегодня так же справедлива, как и тогда. Но подобно легенде карты расширяющейся Земли легенда космической карты также должна обновляться, чтобы отношение пересчёта от расстояний на карте до расстояний в реальности оставалось точным. Космологическое отношение пересчёта называется масштабным фактором Вселенной; в расширяющейся Вселенной масштабный фактор увеличивается со временем.

Всякий раз, когда вы думаете о расширяющейся Вселенной, всегда представляйте неизменную космическую карту. Представьте, будто это обычная карта, лежащая на столе, а космическое расширение постоянно подправляет её легенду. Немножко потренировавшись, вы убедитесь, что такой способ помогает преодолевать концептуальные барьеры.

Рассмотрим для примера свет, идущий от взрыва сверхновой в удалённой галактике Ноа. Сравнивая видимую яркость сверхновой с её собственной яркостью, мы определяем уменьшение интенсивности света с момента излучения (рис. 6.1а) до момента поглощения (рис. 6.1в), возникающее из-за рассеяния во время путешествия на огромной сфере (показанной в виде окружности на рис. 6.1 г). Измерив это уменьшение, можно определить размер сферы — площадь её поверхности, — а затем, вспомнив школьную геометрию, можно легко найти её радиус. Радиус сферы полностью совпадает с траекторией движения светового луча, поэтому длина радиуса равна расстоянию, пройденному лучом. А теперь вопрос, из-за которого и написан этот раздел: какому из трёх возможных расстояний соответствуют эти измерения, если вообще они чему-нибудь соответствуют?

Рис. 6.1. а ) По мере приближения к нам свет от удалённой сверхновой рассеивается (мы находимся в галактике в правом нижнем углу карты); б ) Пока свет путешествует, Вселенная расширяется, что отражено в легенде космической карты; в ) Пока свет дойдёт до нас, он рассеется и его интенсивность упадёт; г ) Сравнивая видимую яркость сверхновой с её собственной яркостью, мы измеряем площадь поверхности сферы, по которой свет рассеялся (показана в виде окружности) и, следовательно, находим её радиус. Радиус сферы отражает траекторию светового луча. Его длина — это расстояние между нами и галактикой, где находится сверхновая. Это и есть именно та величина, которую определяют в наблюдениях

Пока свет путешествует, пространство по-прежнему расширяется. Но единственное изменение на статичной космической карте состоит в регулярном обновлении масштабного фактора, записанного в легенде. Поскольку мы только что увидели свет от сверхновой, так как он только что завершил своё путешествие, мы должны воспользоваться тем масштабным фактором, который именно сейчас написан на легенде космической карты, и пересчитать расстояние — траекторию от нас до сверхновой (рис. 6.1, г) — в расстояние, пройденное световым лучом в реальном мире. Из этой процедуры ясно следует, что полученный результат является расстоянием в данный момент между нами и текущим положением галактики Ноа — то есть третий из предложенных вариантов ответа.

Также отметим, что вследствие непрерывного расширения Вселенной, более ранние сегменты траектории фотона ещё долго будут продолжать расширяться после того, как фотон пролетел. Если запечатлеть на фотографии путь фотона, то получится линия, длина которой будет увеличиваться по мере расширения пространства. Применив масштабный фактор в момент приёма фотона ко всему путешествию фотона, мы увидим, что третий ответ полностью учитывает всё произошедшее расширение. Это правильное объяснение, потому что степень уменьшения интенсивности света зависит от размера сферы, на которой в данный момент рассеивается свет, — а это сфера, радиус которой равен длине траектории светового луча в данный момент, с учётом всего расширения post factum.

Таким образом, сравнивая собственную и видимую яркости сверхновой, мы определяем расстояние в данный момент между нами и галактикой, в которой она находится. Именно эти расстояния и измеряли две группы исследователей.

 

Цвета космологии

Но довольно про измерение расстояний до далёких галактик и сияющих сверхновых типа Ia. Теперь выясним, как можно определить скорость расширения Вселенной в те давние времена, когда вспыхивали эти космические маяки. Оказывается, что физика этих процессов не намного сложнее физики свечения неоновых ламп.

Неоновые лампы светят красным цветом, потому что когда ток пропускают сквозь заполняющий их газ, электроны на орбитах атомов неона моментально переходят в возбуждённое состояние. Затем, после того как атомы неона успокоятся, электроны спускаются обратно на свои обычные орбиты, высвобождая при этом лишнюю энергию в виде излучения фотонов. Цвет фотонов — их длина волны — определяется переносимой ими энергией. Ключевое открытие, совершённое квантовой механикой ещё в первые десятилетия XX столетия, состоит в том, что атомы данного химического элемента обладают индивидуальными наборами возможных переходов электронов с орбиты на орбиту; это определяет индивидуальную цветовую гамму испущенных фотонов. Так, для атомов неона определяющим цветом является красный (точнее, красновато-оранжевый), это даёт характерный цвет неоновых огней. Другие элементы — гелий, кислород, хлор и так далее — обладают похожим поведением, отличаясь друг от друга главным образом длиной волны испущенных фотонов. Неоноподобные огни других цветов будут заполнены скорее всего или ртутью (голубой цвет), или гелием (золотой цвет), либо сделаны из стеклянных трубок, покрытых разными веществами, чаще всего фосфором, атомы которых могут излучать свет с другими длинами волн.

Наблюдательная астрономия в значительной мере основана на аналогичных рассуждениях. С помощью телескопов астрономы собирают свет от удалённых объектов и по его цвету — длине волны анализируемого света — могут определить химический состав источника света. Впервые это было осуществлено при солнечном затмении 1868 года, когда французский астроном Пьер Жансен и, независимо от него, английский астроном Джозеф Норман Локьер, изучали свет от солнечной короны, когда солнечный диск был закрыт луной. Они обнаружили странное яркое излучение с длиной волны, которое нельзя было воспроизвести в лаборатории с помощью известных веществ. Это привело к смелому — и правильному — предложению, что свет был испущен неким новым, ранее неизвестным элементом. Неизвестным элементом оказался гелий, в названии которого отражён тот факт, что это вещество было открыто сначала на Солнце, а потом на Земле. Это открытие убедительно показало, что подобно тому как любого из нас можно однозначно идентифицировать по отпечаткам пальцев, различные атомы однозначно определяются длинами волн излучаемого (и поглощаемого) ими света.

В последующие десятилетия астрономы, изучающие длины волн света, приходящего от всё более и более удалённых астрофизических источников, столкнулись с необычным свойством. Хотя набор длин волн наблюдаемого света был похож на тот, что получался в лабораторных экспериментах с хорошо известными атомами типа водорода и гелия, они оказались несколько длиннее. От одного удалённого источника длина волны могла быть на 3 процента больше, от другого источника на 12 процентов больше, от третьего — на 21 процент. Астрономы назвали это явление красным смещением, потому что увеличение длины волны, по крайней мере в видимой части спектра, соответствует покраснению.

Дать название явлению уже полдела, но в чём причина растяжения длины волны? Ответ нам хорошо известен. Как ясно показали наблюдения Весто Слайфера и Эдвина Хаббла, Вселенная расширяется. Упоминавшаяся ранее модель неизменной карты как раз подходит для интуитивного объяснения.

Давайте нарисуем световую волну, бегущую к нам из галактики Ноа. Отмечая на нашей неизменной карте путь, проходимый волной, мы увидим равномерную последовательность гребней волны, непреклонно движущихся как волновой поезд в наш телескоп. Одинаковость волн может побудить нас думать, что длина волны света в момент излучения (расстояние между двумя последовательными гребнями) будет той же самой, что и в момент приёма. Но самое интересное наступает тогда, когда мы подключаем легенду карты для пересчёта расстояний на карте в действительные расстояния. Поскольку Вселенная расширяется, отношение пересчёта в момент окончания пути больше, нежели в самом начале. Из этого следует, что хотя длина световой волны, измеряемая по карте, остаётся неизменной, при пересчёте в реальные длины она увеличивается. Когда свет достигает нашего телескопа, его длина волны больше, чем в момент излучения. Словно длина волны — это стежки на эластичной ткани. Если ткань растянуть, то стежки тоже растянутся. Аналогично, расширение пространства влечёт за собой растяжение световых волн.

Можно дать количественные оценки. Если длина волны увеличена на 3 процента, то в настоящий момент Вселенная на 3 процента больше, чем в момент испускания света; если длина волны больше на 21 процент, то Вселенная расширилась на 21 процент с того момента, когда свет начал своё путешествие. Таким образом, измерение красного смещения содержит информацию о размере Вселенной в момент испускания света, который сейчас до нас дошёл, по сравнению с размером Вселенной в настоящее время. Следующий очевидный шаг состоит в том, чтобы выстроить последовательность измерений красных смещений для нахождения изменения расширения Вселенной во времени.

Засечка на стене в детской комнате отмечает рост ребёнка в определённый момент времени. Последовательность засечек задаёт рост ребёнка при соответствующих датах. Имея достаточно много засечек, можно определить, как быстро рос ребёнок в разные моменты времени. Рывок в девять, более спокойный период до одиннадцати, затем опять рывок в тринадцать, и так далее. Когда астрономы измеряют красное смещение сверхновых типа Ia, они делают аналогичные «засечки» для пространства. Во многом подобно засечкам роста ребёнка, последовательность красных смещений различных сверхновых типа Ia позволяет нам вычислять, как менялась скорость расширения Вселенной в разные периоды в прошлом. Имея такие данные, астрономы могут определить темп замедления расширения пространства. Именно такой подход был разработан упоминавшимися выше исследовательскими группами.

Для его осуществления осталось сделать последний шаг — найти метод датировать такие засечки. Астрономы должны были определить, когда был испущен свет той или иной сверхновой. Это несложная задача. Поскольку разница между видимой и собственной яркостями сверхновой задаёт расстояние и скорость света нам известна, можно непосредственно вычислить, когда именно свет был испущен сверхновой. Это правильные рассуждения, но важно не упустить из виду одну существенную деталь, связанную с рассмотренным выше растяжением траектории светового луча.

Когда свет распространяется в расширяющейся Вселенной, он покрывает заданное расстояние не только потому, что обладает собственной скоростью распространения в пространстве, но и частично благодаря расширению самого пространства. Можно провести аналогию с движущейся дорожкой в аэропорту. На дорожке можно уехать дальше, не увеличивая при этом свою собственную скорость, потому что движение самой дорожки дополняет ваше перемещение. Точно так же свет от удалённой сверхновой доходит дальше, без увеличения собственной скорости, потому что расширяющееся пространство способствует его движению. Для точного определения момента излучения дошедшего до нас света необходимо учесть оба вклада в проходимое им расстояние. Математические выкладки довольно хитроумные (если вы заинтересовались, загляните в примечания), но на сегодняшний день мы их ясно понимаем.

Учитывая эти тонкости, а также многие другие теоретические и наблюдательные данные, обе исследовательские группы смогли определить масштабный фактор Вселенной в различные моменты в прошлом. Таким образом, была найдена последовательность засечек, задающих контур Вселенной, и исследователи смогли определить, как менялась скорость расширения при развитии космоса.

 

Космическое ускорение

Проверив и многократно перепроверив всё самым тщательным образом, обе группы опубликовали свои результаты. Противоположно тому, что ожидалось, на протяжении последних 7 миллиардов лет расширение пространства не замедлялось. Оно ускорялось.

Результаты этой новаторской работы и последующих наблюдений, которые лишь закрепили полученные выводы, представлены на рис. 6.2. Наблюдения показали, что более 7 миллиардов лет назад масштабный фактор действительно вёл себя, как ожидалось: его рост постепенно замедлялся. Если бы так продолжалось, кривая на рисунке постепенно стала бы горизонтальной или даже начала опускаться. Однако, как было выяснено, примерно 7 миллиардов лет назад произошло нечто экстраординарное. Кривая стала подниматься, что ознаменовало рост масштабного фактора. Расширение пространства начало ускоряться и Вселенная переключилась на более высокую передачу.

Рис. 6.2. Зависимость масштабного фактора Вселенной от времени. Космическое расширение замедлялось до примерно 7 миллиардов лет назад, а затем начало ускоряться

Космическая плотность зависит от формы кривой на рисунке. При ускоренном расширении пространство будет бесконечно расширяться, разводя удалённые галактики всё дальше и всё быстрее. Через сто миллиардов лет любая галактика, не находящаяся сейчас в нашей окрестности (в гравитационном кластере, состоящем примерно из дюжины галактик, называемом нашей «местной группой»), выйдет за пределы нашего космического горизонта и перестанет быть видимой для нас. Если у астрономов будущего не будет под рукой записей, оставленных для них в более ранние эпохи, их космологические теории будут создаваться в попытке объяснить изолированную вселенную с небольшим числом галактик, одиноко плывущую в море неподвижного мрака. Мы живём в особенную эпоху. Ускоренное расширение лишит нас знания, дарованного Вселенной.

Далее мы увидим, что ограничения на возможности будущих астрономов ещё более поражают, когда мы пониманием, сколь огромно космическое пространства, как это установило наше поколение, стремясь объяснить ускоренное расширение.

 

Космологическая постоянная

Если бы вы увидели, что скорость мяча, подброшенного вверх, вдруг начала увеличиваться, вы бы решили, что есть что-то, что толкает его прочь от земной поверхности. Точно так же исследователи сверхновых пришли к выводу, что для неожиданного ускорения космической экспансии требуется нечто, что толкает наружу, нечто преодолевающее гравитационное притяжение. Как мы теперь хорошо знаем, именно так можно описать работу космологической постоянной, а порождаемое ею гравитационное отталкивание является идеальным кандидатом. Таким образом, наблюдения за сверхновыми вернули космологическую постоянную обратно под свет софитов, и не потому что «убеждённость — плохой судья», как писал Эйнштейн в своём письме десятилетиями ранее, а по причине упрямой силы фактов.

Полученные данные также позволили исследователям определить численное значение космологической постоянной — количество тёмной энергии, заполняющей пространство. Выразив полученный результат через массовый эквивалент, как это принято среди физиков (используя формулу E = mc2 в менее привычном виде m = E/c2), исследователи показали, что данные, полученные из наблюдения сверхновых, приводят к значению космологической постоянной менее 10−29 грамма на кубический сантиметр. Отталкивающая сила такой маленькой космологической постоянной в течение первых 7 миллиардов лет была подавлена притяжением обычного вещества и энергии, в согласии с наблюдательными данными. Но расширение пространства растворило, снизило плотность обычного вещества и энергии, что в конце концов позволило космологической постоянной взять верх. Напомним, что космологическая постоянная не подвержена растворению; гравитационное отталкивание, порождённое космологической постоянной, является внутренним свойством пространства — каждый кубический метр пространства даёт одинаковый вклад в отталкивающую силу, определяемый величиной космологической постоянной. Поэтому чем больше пространства находится между любыми двумя объектами благодаря космическому расширению, тем сильнее сила, отталкивающая их в разные стороны. Примерно 7 миллиардов лет гравитационное отталкивание, порождённое космологической постоянной, начало превалировать; с этого момента Вселенная расширяется с ускорением, так как описывает кривая на рис. 6.2.

Для соответствия с принятыми соглашениями мне следует выразить величину космологической постоянной в удобных единицах, наиболее часто используемых в физике. Согласитесь, странно просить продавца взвесить 1015 пикограмм картофеля (разумнее попросить 1 килограмм, в эквивалентных и более адекватных единицах меры), и ваш друг удивится, если вы попросите его подождать вас 109 наносекунд (лучше сказать, что вы будете через 1 секунду, в эквивалентных, но более удобных единицах времени). Для физиков столь же странно измерять энергию космологической постоянной в граммах на кубический сантиметр. По причинам, которые скоро прояснятся, естественным выбором будет выражение величины космологической постоянной в виде множителя от так называемой планковской массы (примерно 10−5 грамма), делённой на планковскую длину в кубе (куб с ребром примерно 10−33 сантиметра, что даёт для объёма примерно 10−99 кубического сантиметра). Измеренная в таких единицах величина космологической постоянной составляет примерно 10−123, крохотное число, приведённое в самом начале этой главы.

Можно ли доверять такому результату? За годы, прошедшие с момента первых измерений, были получены ещё более убедительные данные, подтверждающие ускоренное расширение. Более того, новые экспериментальные данные (направленные, например, на анализ детальных свойств реликтового излучения; см. книгу «Ткань космоса», глава 14) прекрасно согласуются с данными по сверхновым. Если и есть место для манёвра, то оно может быть связано только с самим объяснением ускоренного расширения. Принимая, что общая теория относительности является математическим описанием гравитационного взаимодействия, единственной возможностью действительно является антигравитация, порождённая космологической постоянной. Другие возможные объяснения можно получить, если изменить эту картину, включив в неё дополнительные экзотические квантовые поля (которые, подобно тому что мы видели в инфляционной космологии, могут в определённые периоды космической эволюции маскироваться под космологическую постоянную), либо изменить уравнения общей теории относительности (чтобы гравитационное притяжение убывало с расстоянием сильнее, чем это следует из механики Ньютона или теории Эйнштейна, позволяя таким образом удалённым областям разлетаться быстрее и не требуя присутствия космологической постоянной). Однако на сегодняшний день простейшее и наиболее убедительное объяснение наблюдаемому ускоренному расширению состоит в том, что космологическая постоянна отлична от нуля, а потому пространство заполнено тёмной энергией.

Для многих исследователей открытие ненулевой космологической постоянной стало самым удивительным наблюдательным результатом, о котором они когда-либо слышали.

 

Объяснение нуля

Когда я впервые столкнулся с данными по сверхновым, предполагающими ненулевое значение космологической постоянной, моя реакция была типичной для многих физиков. «Этого просто не может быть!» Большинство (но не все) теоретиков давно пришли к выводу, что значение космологической постоянной равно нулю. Такая точка зрения изначально возникла из истории про «самую большую ошибку Эйнштейна», но со временем возникло множество убедительных аргументов в её поддержку. Самый сильный основан на принципе квантовой неопределённости.

В силу квантовой неопределённости и сопутствующих флуктуаций, присущих всем квантовым полям, даже в пустом пространстве происходит неистовая микроскопическая активность. Подобно атомам, сталкивающимся со стенками сосуда, или детям, прыгающим по детской площадке, квантовые флуктуации обладают определённой энергией. Однако, в отличие от атомов и детей, квантовые флуктуации повсеместны и неизбежны. Нельзя объявить, что некоторая область пространства закрыта и отправить все квантовые флуктуации домой; энергия, присущая квантовым флуктуациям, пронизывает всё пространство и не может быть удалена. Поскольку космологическая постоянная есть не что иное, как энергия, пронизывающая пространство, то квантовые флуктуации являются именно тем микроскопическим механизмом, который порождает космологическую постоянную. Осознание этого факта имеет первостепенное значение. Вспомните, когда Эйнштейн ввёл понятие космологической постоянной, он сделал это абстрактно — не уточняя, чем она может быть на самом деле, откуда она может появиться и какое иметь происхождение. Установление связи с квантовыми флуктуациями сделало неизбежным возникновение космологической постоянной: если бы Эйнштейн её не придумал, то кто-нибудь другой, знакомый с квантовой физикой, обязательно бы сделал это. Как только мы принимаем во внимание квантовую механику, мы сталкиваемся с энергией полей, однородно распределённой в пространстве, что напрямую приводит нас к понятию космологической постоянной.

Вопрос только в численном значении. Сколько энергии содержится в вездесущих квантовых дрожаниях? Когда теоретики проделали соответствующие вычисления, получившийся ответ оказался довольно нелепым: в любом объёме пространства должно присутствовать бесконечное количество энергии. Чтобы понять почему, представьте квантовые дрожания поля внутри пустой коробки произвольного размера. На рис. 6.3 показаны примерные профили квантовых флуктуаций. Каждая флуктуация даёт вклад в энергию поля (чем короче длина волны, тем быстрее скорость флуктуации, следовательно, выше энергия). Поскольку существует бесконечно много возможных волновых профилей, у каждого из которых длина волны меньше, чем у предыдущего, то полная энергия квантовых флуктуаций бесконечна.

Рис. 6.3. Существует бесконечно много волновых профилей в любом конечном объёме, следовательно, бесконечно много различных квантовых дрожаний. Это приводит к проблемному выводу о бесконечности энергии

И хотя совершенно очевидно, что такой вывод неприемлем, учёные не особо из-за этого переживали, потому что распознали в этой ситуации отражение хорошо известной проблемы, которую мы обсуждали ранее: противоречие между гравитацией и квантовой механикой. Всем было известно, что нельзя доверять выводам квантовой теории поля на супермалых расстояниях. Квантовые дрожания с длиной волны порядка планковской длины, 10−33 сантиметра и меньше, имеют энергию (эквивалентно, массу по формуле m = E/c2) настолько большую, что начинает играть роль гравитационное взаимодействие. Для адекватного описания квантовых флуктуаций необходимо иметь теорию, совмещающую общую теорию относительности и квантовую механику. Идейно это приводит к теории струн или к любой другой квантовой теории, включающей гравитацию. Но немедленный и более прагматичный ответ состоял в том, чтобы просто пренебречь всеми квантовыми флуктуациями на расстояниях меньше планковской длины. Если этого не сделать, то наши вычисления, очевидно, выйдут за пределы применимости квантовой теории поля. Ожидалось, что когда-нибудь мы поймём теорию струн или квантовую гравитацию настолько хорошо, что сможем проводить вычисления с учётом квантовых флуктуаций, но пока в качестве временной меры предлагалось поместить самые быстрые флуктуации на математический карантин. Смысл этой директивы прозрачен: если проигнорировать флуктуации с длиной волны короче, чем планковская длина, их останется лишь конечное число, поэтому энергия в пустом пространстве будет тоже конечной.

Это уже прогресс. По меньшей мере такой трюк отодвигает проблему под ответственность будущих открытий, которые, постучим по столу, смогут приручить супермалые длины волн квантовых флуктуаций. Но даже при таком отсечении для энергии конечных квантовых флуктуаций всё равно получился гигантский ответ, примерно 1094 грамм на кубический сантиметр. Это намного больше, чем все звёзды во всех известных галактиках, сжатые до размера напёрстка. Рассматривая бесконечно малый кубик с ребром, равным планковской длине, приходим к выводу, что эта колоссальная плотность составляет 10−5 грамма на куб планковской длины, или 1 планковская масса на планковский объём (именно поэтому такие единицы измерений как килограммы для картофеля и секунды для ожидания являются естественным и разумным выбором). Космологическая постоянная такой величины приведёт к невообразимо быстрому взрыву, так что всё, начиная с галактик и кончая отдельными атомами, просто разорвёт в клочья. С количественной стороны астрономические наблюдения установили жёсткий предел на то, как велика может быть космологическая постоянная, если она вообще существует, а теоретические результаты превысили этот предел на умопомрачительный множитель, больше чем на сотни порядков величины. Хотя большая энергия, заполняющая пространство, лучше, чем бесконечная, физики осознали отчаянную необходимость радикально уменьшить результат своих вычислений.

Именно здесь предвзятость теоретиков выходит на первый план. Предположим на мгновение, что космологическая постоянная не просто мала. Пусть она равна нулю. Ноль — это любимое число всех теоретиков, потому что имеется верный и испытанный способ его возникновения в вычислениях — симметрия. Например, представим, что Арчи был отправлен на курсы повышения квалификации и в качестве домашнего задания должен сложить первые десять чисел, возведённых в шестьдесят третью степень, 163 + 263 + 363 + 463 + 563 + 663 + 763 + 863 + 963 + 1063 и затем сложить полученный результат с суммой первых десяти отрицательных чисел, возведённых в шестьдесят третью степень, (−1)63 + (−2)63 +(−3)63 + (−4)63 + (−5)63 + (−6)63 + (−7)63 + (−8)63 + (−9)63 + (−10)63. Что получится в итоге? В тот момент, когда он кропотливо вычисляет, отчаиваясь всё сильнее и сильнее, умножая и затем складывая вместе числа, у которых более полусотни знаков, вмешивается Эдита. Она говорит: «Воспользуйся симметрией, Арчи». «Что?» — не понимает он. Эдита имеет в виду, что для каждого слагаемого в первой сумме имеется симметричный партнёр во второй сумме: 163 и (−1)63 в сумме дают ноль (отрицательное число, возведённое в нечётную степень, остаётся отрицательным), 263 и (−2)63 в сумме дают ноль, и так далее. Симметрия между двумя выражениями приводит к полному взаимному сокращению, как будто два ребёнка одинакового веса сидят на противоположных сторонах качелей. Без каких-либо вычислений Эдита находит, что ответ равен нулю.

Многие физики полагают — правильнее было бы сказать, надеются, — что некое подобное полное сокращение, обусловленное ещё не открытой симметрией физических законов, исправит вычисление энергии квантовых флуктуаций. Было высказано предположение, что когда наше понимание физики выйдет на новый уровень, будет выявлен некоторый огромный, пока неизвестный вклад, который скомпенсирует огромную энергию квантовых флуктуаций. Можно сказать, что это почти единственная стратегия, придуманная физиками, чтобы укротить неконтролируемые результаты грубых вычислений. Именно поэтому многие теоретики пришли к выводу, что космологическая постоянная обязана быть равной нулю.

В суперсимметричных моделях возникает конкретный пример того, как можно осуществить этот сценарий. Вспомним из главы 4 (табл. 4.1), что суперсимметрия приводит к парам частиц и, следовательно, парам полей: электрон составляет пару частице, названной суперсимметричным электроном, или сэлектроном, для краткости; кварки и скварки; нейтрино и снейтрино и так далее. На данный момент все такие «счастицы» являются гипотетичными, но эксперименты на Большом адронном коллайдере могут изменить ситуацию в течение ближайших нескольких лет. Так или иначе, при математическом анализе квантовых флуктуаций, связанных с каждой парой полей, всплывает один интригующий факт. Для каждой флуктуации первого поля имеется соответствующая флуктуация его партнёра с такой же формой, но противоположным знаком, точно так же как в домашнем задании Арчи. Так же как в том примере, при сложении все такие вклады пара за парой сокращаются, и окончательный ответ оказывается равным нулю.

Подвох, и достаточно серьёзный, в том, что полное сокращение происходит тогда, когда оба партнёра имеют не только одинаковые электрические и ядерные заряды (что так и есть), но и одинаковые массы. Но экспериментальные данные исключают такую возможность. Даже если в природе и есть суперсимметрия, из наблюдений следует, что она не может быть реализована в самой полной форме. Пока не открытые частицы (сэлектроны, скварки, снейтрино и тому подобное) должны быть значительно тяжелее своих известных партнёров — только так можно объяснить, почему они до сих пор не были обнаружены в экспериментах на ускорителях. При разных массах частиц симметрия нарушается, баланс разбалансирован, сокращения неполные; итоговое значение опять огромно.

В течение многих лет было выдвинуто множество подобных принципов и механизмов сокращения, но ни один из них не достиг цели доказать теоретически равенство нулю космологической постоянной. Но даже в этой ситуации большинство исследователей воспринимали данный факт просто как отражение неполноты нашего понимания физики, а не как ключ к тому, что наша вера в равенство нулю космологической постоянной была ошибочна.

Одним из физиков, отвергающим ортодоксальный взгляд на проблему, был нобелевский лауреат Стивен Вайнберг. В статье, опубликованной в 1987 году, более чем за десять лет до революционных данных по сверхновым, Вайнберг предложил альтернативный теоретический подход, приведший к радикально иному результату: малой, но не равной нулю космологической постоянной. При вычислениях Вайнберг исходил из идеи, относящейся к разряду тех, что делят физическое сообщество на два лагеря, — идеи, одними почитаемой, а другими отторгаемой, идеи, которую одни называют глубокой, а другие считают глупостью. Её официальное, хоть и обманчивое название — антропный принцип.

 

Космологическая антропность

Гелиоцентрическая модель солнечной системы Николая Коперника как ничто лучше доказывает, что мы, люди, отнюдь не центр Вселенной. Современные открытия упрочили этот урок, да ещё как! Теперь мы понимаем, что открытие Коперника всего лишь одно из череды доказательств, опровергающих столь долго лелеянные нами представления об особом статусе человечества: мы живём не в центре Солнечной системы, не в центре Галактики, не в центре Вселенной, мы даже не сделаны из тёмной материи, составляющей бо́льшую часть массы во Вселенной. Такое космическое понижение в статусе, от примы до статиста, является примером того, что учёные называют теперь принципом Коперника: в полной системе бытия всё указывает на то, что людям не предназначена сколь-нибудь особая роль.

Почти пятьсот лет спустя после работы Коперника на юбилейной конференции в Кракове один из докладов — представленный австралийским физиком Брэндоном Картером — вдруг заманчиво предложил неожиданный пересмотр принципа Коперника. Картер предположил, что излишняя приверженность коперниковским взглядам может, при определённых условиях, лишить исследователей возможности достичь прогресса. Да, соглашался Картер, человечество находится отнюдь не во главе устройства бытия. Но всё же, продолжал он, поддерживая похожие высказывания таких учёных, как Альфред Рассел Уоллес, Абрагам Зелманов и Роберт Дикке, есть сцена, на которой мы действительно играем совершенно исключительную роль — наши собственные наблюдения. Сколь бы далеко не отодвинул нас Коперник и его заветы, мы первые в списке, когда речь идёт о сборе и анализе данных, формирующих основу наших представлений о природе. И в силу такого неизбежного положения мы обязаны принимать во внимание то, что в статистике называется систематической ошибкой отбора.

Это простая идея, которая широко применяется. Если вы изучаете популяцию форели, но собираете данные лишь в пустыне Сахара, то вся полученная информация будет искажена неправильным фокусом на недружественной для форели среде обитания. Если вы изучаете интерес общества к опере, но проводите опрос только среди подписчиков журнала «Не могу жить без оперы», то результаты будут неточны, потому что опрашиваемые не являются типичными представителями населения в целом. Если вы проводите опрос в группе беженцев, перенёсших невероятные трудности во время переселения, то можете прийти к выводу, что эта этническая группа одна из самых жизнестойких на планете. Однако, когда вы узнаете тот удручающий факт, что те, с кем вы говорили, составляют лишь 1 процент от всех, кто был вынужден бежать из своей страны, то поймёте, что ваш вывод далёк от истины, потому что только феноменально сильные люди пережили такую миграцию.

Рассмотрение таких ошибок крайне важно для получения осмысленных результатов и во избежание напрасных усилий для объяснения выводов, сделанных на основе нерепрезентативных данных. Почему форель вымерла? В чём причина лихорадочного интереса к опере в обществе? Почему эта этническая группа настолько вынослива? Необъективные наблюдения могут заставить вас пуститься в бессмысленные поиски объяснений несуществующих вещей.

В большинстве случаев ошибки подобного рода легко определяются и устраняются. Но есть ошибки не столь очевидные, которые легко можно проглядеть. Это то, насколько ограничения на место и время, где и когда мы можем жить, имеют огромное влияние на то, что мы можем видеть. Если нам не удаётся адекватно воспринять последствия подобных ограничений на наши наблюдения, то тогда, подобно описанным выше примерам, мы можем прийти к совершенно неправильным выводам, в том числе к таким, которые могут побудить нас к бесплодным попыткам объяснить смысл дырки от бублика.

Представьте, например, что вы намереваетесь выяснить (подобно великому учёному Иоганну Кеплеру), почему Земля расположена в 150 миллионах километров от Солнца. Вы хотите найти нечто, оставаясь исключительно в рамках физических законов, что даст объяснение этому факту. Долгие годы вы упорно трудитесь, но не в силах найти убедительное объяснение. Имеет ли смысл продолжать? Если вы задумаетесь о потраченных усилиях и учтёте систематическую ошибку отбора, то быстро сообразите, что гоняетесь за тенью.

Законы гравитации Ньютона и Эйнштейна позволяют планетам двигаться вокруг Солнца по орбитам произвольного радиуса. Если бы вы могли передвинуть Землю на любое другое расстояние от Солнца и затем запустить заново с правильной скоростью (её просто вычислить с помощью основных физических законов), то она также легко будет вращаться по новой орбите. Единственное, что важно в положении Земли на расстоянии в 150 миллионов километров от Солнца — это температурный режим, благоприятствующий нашему присутствию здесь. Если Земля будет расположена гораздо ближе или дальше от Солнца, температура будет значительно выше или ниже, что приведёт к исчезновению важнейшей части, существенной для нашей формы жизни — жидкой воды. Это отражает встроенную систематическую ошибку. Сам факт того, что это мы измеряем расстояние от нашей планеты до Солнца, гарантирует, что полученный результат должен попасть в ограниченный диапазон значений, совместимых с самим нашим существованием. Иначе нас бы здесь не было, и некому было бы размышлять над расстоянием от Земли до Солнца.

Если бы Земля была единственной планетой в Солнечной системе или единственной планетой во Вселенной, то вы всё же могли бы чувствовать себя обязанным продолжить исследования. Хорошо, сказали бы вы, я понимаю, что моё собственное существование привязано к определённому расстоянию от Земли до Солнца, но это лишь усиливает необходимость объяснить, почему так получилось, что Земля расположена в таком удобном, привлекательном с точки зрения жизни месте? Является ли это всего лишь удачным совпадением? И есть ли более глубокое объяснение этому факту?

Но Земля не единственная планета во Вселенной и даже в Солнечной системе. Есть много других. Это заставляет посмотреть на вещи под иным углом. Чтобы понять, что я имею в виду, представьте, что вы зашли в обувной магазин. Вы почему-то считаете, будто в этом обувном магазине есть обувь только одного размера. Представляете, как вы обрадуетесь, когда продавец принесёт вам пару ботинок, идеально вам подходящих. «Из всех возможных размеров обуви, — подумаете вы, — удивительно, что этот размер оказался именно моим. Является ли это всего лишь счастливым совпадением? И есть ли более глубокое объяснение этому факту?» Но вопрос отпадёт, как только вы узнаете, что магазин продаёт обувь всех размеров. Похожая ситуация имеет место во Вселенной со многими планетами, расположенными на разных расстояниях от своих звёзд. Так же как нет ничего удивительного в том, что среди всех размеров обуви в магазине нашёлся по крайней мере один подошедший вам, так же нет ничего удивительного, что среди всех планет во всех солнечных системах во всех галактиках есть, по крайней мере, одна, расположенная на правильном расстоянии от звезды, что даёт климат, благоприятствующий нашей форме жизни. Конечно, мы с вами живём на одной из таких планет. Мы просто не сможем развиваться и жить на других планетах.

Поэтому нет никакой фундаментальной причины, почему Земля находится на расстоянии в 150 миллионов километров от Солнца. Определённое значение орбитального расстояния планеты от звезды обусловлено набором исторических случайностей, неисчислимых тонкостей в свойствах вращающегося газового облака, из которого образовывается та или иная солнечная система; это событие зависит от множества обстоятельств, не имеющих фундаментального объяснения. Действительно, такие астрофизические процессы привели к образованию планет во всём космосе, вращающихся вокруг своих звёзд на разных расстояниях. Мы живём на одной из них, расположенной на расстоянии в 150 миллионов километров от нашего Солнца, потому что именно на такой планете может развиваться наша форма жизни. Неспособность учесть эту систематическую ошибку отбора приведёт нас к поиску более глубокого ответа. Но это мартышкин труд.

Статья Картера подчёркивала важность принятия во внимание подобной систематической ошибки, учёт которой был назван им антропным принципом (неудачное название, потому что эта идея в равной степени применима к любой форме разумной жизни, которая проводит и анализирует наблюдения, а не только к человечеству). Никто не стал возражать против этой части рассуждений Картера. Дискуссионной оказалась часть, где он предположил, что антропный принцип может быть распространён не просто на отдельные объекты во Вселенной, например орбитальные расстояния планет, но и на всю Вселенную в целом.

Чтобы это могло значить?

Представьте, что вы размышляете над некоторым фундаментальным свойством Вселенной, скажем, массой электрона, 0,00054 (в долях от массы протона), или над силой электромагнитного поля, 0,0073 (в терминах его константы связи), или над главной нашей целью в этой главе — величиной космологической постоянной, 1,38 × 10−123 (выраженной в планковских единицах). Вы намерены объяснить, почему эти константы имеют именно такие значения. Пытаетесь снова и снова, но остаётесь с пустыми руками. Сделайте шаг назад, говорит Картер. Возможно, что причина ваших неудач такая же, как при объяснении расстояния от Земли до Солнца: фундаментального объяснения просто не существует. Подобно существованию множества планет на разных расстояниях, среди которых есть и планета, населённая нами, потому что её орбита приводит к благоприятным условиям для жизни, возможно, существует много вселенных с разными значениями «констант», а мы с необходимостью находимся во Вселенной, в которой эти значения благоприятствуют нашему существованию.

При таком образе мысли спрашивать, почему константы имеют такие значения, какие они имеют, неправильно. Нет никакого закона, определяющего их значения; они могут варьироваться, и действительно варьируются, внутри мультивселенной. Наша внутренняя систематическая ошибка отбора гарантирует, что мы находимся в той части мультивселенной, в которой привычные нам значения констант таковы просто потому, что мы не можем существовать в частях мультивселенной с другими значениями констант.

Отметим, что в случае, когда наша Вселенная единственная, подобные рассуждения теряют смысл, и вы по-прежнему можете задаваться вопросами насчёт «счастливого совпадения» или «глубокого понимания». Подобно тому как убедительное объяснение наличия в обувном магазине именно вашего размера требует, чтобы полки в магазине были плотно набиты обувью разных размеров, подобно тому как убедительное объяснение существования планеты, расположенной на биологически благоприятном расстоянии от звезды требует, чтобы существовало много планет, вращающихся вокруг своих звёзд на разных расстояниях, точно так же убедительное объяснение значений фундаментальных констант в природе требует огромного выбора вселенных, наделённых разными значениями констант. Только тогда — в рамках концепции мультивселенной — антропный принцип способен развеять ореол загадочности.

Тогда очевидно, что ваша готовность принять антропный принцип зависит от того, насколько сильно вы верите в следующие три существенные предположения: (1) наша Вселенная — это часть мультивселенной; (2) в разных вселенных мультивселенной константы находятся в широком диапазоне возможных значений; (3) жизнь в известной нам форме невозможна при почти всех отклонениях от наблюдаемых значений констант.

В 1970-х году, когда Картер выдвинул эти идеи, на обсуждение концепции параллельных вселенных было наложено табу. Да и сейчас есть достаточно причин для скептицизма. Но мы видели в предыдущих главах, что хотя выбор того или иного конкретного вида мультивселенной остаётся сугубо умозрительным, есть причины серьёзно отнестись к такому новому взгляду на окружающую нас действительность. Это доводы в пользу предположения (1). Многие учёные сейчас им следуют. Что касается предположения (2), мы видели, что, например, в инфляционной мультивселенной и мультивселенной на бране значения фундаментальных констант природы действительно могут варьироваться от вселенной к вселенной. Далее в этой главе мы остановимся на этом вопросе более подробно.

Но как насчёт предположения (3), о взаимосвязи жизни с определёнными значениями констант?

 

Жизнь, галактики и фундаментальные числа природы

Даже небольшие отклонения от настоящих значений большинства фундаментальных констант в природе сделают жизнь в привычном нам виде невозможной. Увеличьте гравитационную постоянную, звёзды начнут сгорать быстрее и жизнь на близлежащих планетах не будет успевать развиваться. Уменьшите её, и галактики распадутся на части. Усильте электромагнитное взаимодействие, и атомы водорода будут отталкиваться друг от друга слишком сильно, чтобы образовывать устойчивые соединения, и это лишит звёзды необходимого топлива. Но как быть с космологической постоянной? Зависит ли существование жизни от её значения? Именно этот вопрос поднял Стивен Вайнберг в своей статье 1987 года.

Понимая, что зарождение жизни является сложным процессом, о котором мы мало что понимаем, Вайнберг решил, что безнадёжно пытаться выяснять, каким образом то или иное значение космологической постоянной напрямую влияет на мириады явлений, вдыхающих жизнь в мёртвую материю. Однако Вайнберг не отступил от цели, а нашёл хитроумного посредника для задачи о зарождении жизни — зарождение галактик. Без галактик, рассуждал он, образование звёзд и планет станет сомнительным и не оставит никакого шанса на зарождение жизни. Такой подход к проблеме не только в высшей степени разумен, но ещё и полезен: он переносит акцент на рассмотрение того, как разные значения космологической постоянной влияют на процесс образования галактик, а эту задачу можно уже попытаться решить.

Суть физического процесса элементарна. Хотя точные детали образования галактик являются отдельной областью активных исследований, в общих чертах процесс напоминает эффект снежного кома в астрономических масштабах. Как только где-то возникает сгусток вещества, то в силу своей повышенной плотности он оказывает большее гравитационное притяжение на находящуюся поблизости материю, в результате чего ком ещё больше увеличивается. Этот процесс всё нарастает и нарастает, и наконец образуется разогретая масса пыли и газа, из которой появляются звёзды и планеты. Идея Вайнберга состояла в том, что если космологическая постоянная будет иметь достаточно большое значение, то она прервёт такой комообразующий процесс. Порождаемое космологической константой гравитационное отталкивание может оказаться достаточно сильным, чтобы прервать процесс зарождения галактик на начальной стадии образования кома, когда он ещё мал и хрупок, так что составляющее его вещество разлетится прежде, чем ком успеет укрупниться, притягивая окружающее вещество.

Вайнберг сделал математические расчёты и обнаружил, что если значение космологической постоянной в несколько сотен раз превысит современную космологическую плотность вещества — несколько протонов на кубический метр, — то процесс образования галактик нарушится. (Вайнберг также рассмотрел случай отрицательной космологической постоянной. Возникающие при этом ограничение ещё сильнее, потому что отрицательное значение приводит к росту гравитационного притяжения и заставляет всю Вселенную схлопнуться прежде, чем звёзды успеют зажечься.) Если теперь представить, что мы являемся частью мультивселенной, в которой значения космологической постоянной изменяются в широком диапазоне от вселенной к вселенной, так же как изменяются и расстояния от планет до их звёзд от одной солнечной системы до другой солнечной системы, — то единственные вселенные, в которых возможны галактики, и, следовательно, единственные вселенные, в которых мы можем жить, это те, где космологическая постоянная принимает значения, не превышающие предел Вайнберга, что составляет примерно 10−121 в планковских единицах.

На фоне многолетних безуспешных попыток работа Вайнберга стала первой, где были получены теоретические значения для космологической постоянной, не превышающие до абсурдной степени ограничений, накладываемых наблюдательной астрономией. При этом она не противоречила широко распространённому в то время убеждению, что космологическая постоянная равна нулю. Сам Вайнберг не остановился на этом и сделал шаг вперёд, придав этому результату следующую интерпретацию. Он предложил, что мы находимся во вселенной, в которой космологическая постоянная мала настолько, насколько необходимо, чтобы мы смогли существовать, но не значительно меньше. Значительно меньшая константа, рассуждал он, потребует объяснения, выходящего за рамки простого утверждения о согласованности с нашим существованием. Именно такого объяснения, которое всё это время доблестно искала наша физика, но не нашла. Это позволило Вайнбергу предположить, что однажды с помощью более точных измерений будет установлено, что космологическая постоянная не равна нулю, а имеет значение, близкое или пограничное с вычисленным им пределом. Как мы видели, спустя десять лет после появления работы Вайнберга, наблюдения в рамках проекта «Supernova cosmology» и поисковой группы «High-Z Supernova» подтвердили это пророческое предсказание.

Для полного осознания всей нестандартности этого подхода к объяснению давней проблемы рассмотрим более подробно ход рассуждений Вайнберга. Он полагал, что в мультивселенной должно быть так много вселенных, что обязательно должна найтись по крайней мере одна вселенная с наблюдаемым значением космологической постоянной. Но какой должна быть мультивселенная, чтобы это произошло наверняка или с высокой степенью вероятности?

Для ответа на этот вопрос рассмотрим сперва аналогичную проблему, но с более простыми и понятными числами. Представьте, что вы работаете на известного кинопродюсера Харви В. Айнштейна, который попросил вас провести кастинг на исполнителя главной роли в его новом фильме «Криминальное диво». «Какого роста нужен актёр?» — спрашиваете вы. «Без понятия. Выше метра, ниже двух. Но ты должен быть уверен, что какой бы рост я не выбрал, у тебя должен быть подходящий кандидат». Вы только открыли рот, чтобы поправить вашего босса, сказав, что в силу квантовой неопределённости на самом деле нет никакой необходимости иметь исполнителей любого роста, но, вспомнив, что стало с надоедливой говорящей мухой, вы решили, что лучше промолчать.

Теперь вы стоите перед выбором. Сколько актёров нужно привести на просмотр? Вы думаете так: если В. измеряет рост с точностью до сантиметра, то в диапазоне от одного до двух метров есть сто разных вариантов. Поэтому необходимо иметь по крайней мере сто актёров. Но так как некоторые актёры могут оказаться одинакового роста, и тогда какой-то рост не будет представлен, то лучше собрать больше сотни. Чтобы подстраховаться, возможно, следует позвонить нескольким сотням актёров. Это много, но меньше, чем понадобится, если И. начнёт измерять рост с точностью до миллиметра. В этом случае в пределах от одного метра до двух есть тысяча разных вариантов, поэтому будет надёжнее собрать несколько тысяч актёров.

Похожие рассуждения применимы и для вселенных с разными космологическими постоянными. Предположим, что все вселенные в мультивселенной обладают космологическими константами со значениями между нулём и единицей (в обычных планковских единицах); при меньших значениях вселенные будут схлопываться, а при больших значениях применимость наших математических методов будет под вопросом, и понимание ситуации, соответственно, тоже. Итак, подобно актёрам, чья разница в росте варьируется от 0 до 1 (в метрах), космологические постоянные вселенных варьируются от 0 до 1 (в планковских единицах). Если думать о точности измерений, то аналогом того, как В. изменяет рост с помощью сантиметровой или миллиметровой линейки, будет погрешность, с которой мы можем измерить космологическую постоянную. Погрешность современных измерений составляет примерно 10−124 (в планковских единицах). В будущем, точность измерений конечно же возрастёт, но как мы увидим, это вряд ли повлияет на наши выводы. Тогда подобно тому, как в диапазоне в один метр имеется 102 различных возможных отметок для роста, разделённых между собой интервалом по меньшей мере в 10−2 метра (1 сантиметр) и 103 различных возможных отметок для роста с интервалом по меньшей мере в 10−3 метра (1 миллиметр), существует 10124 различных значений космологической постоянной с интервалом 10−124 в диапазоне значений от 0 до 1.

Чтобы гарантировать реализацию каждого возможного значения космологической постоянной, необходимо иметь мультивселенную, в которой по-меньшей мере 10124 разных вселенных. Но как и в ситуации с актёрами необходимо учитывать возможные повторения — вселенные с одинаковыми значениями космологической постоянной. Чтобы каждое значение космологической постоянной наверняка было реализовано, следует располагать мультивселенной с числом вселенных, гораздо большим, чем 10124, например в миллион раз бо́льшим, что даст красивую цифру 10130. Я так непринуждённо жонглирую этими числами, потому что они настолько велики, что точное значение вряд ли является важным. Ни один из известных примеров чего-либо, будь то число клеток в человеческом теле (1013), число секунд, прошедших с момента Большого взрыва (1018), число фотонов в наблюдаемой части Вселенной (1088), даже близко не похоже на воображаемое число вселенных. Подводя итог, можно сказать, что подход Вайнберга для объяснения значения космологической постоянной применим, только когда мы являемся частью мультивселенной, содержащей огромное число различных вселенных; их космологические постоянные должны принимать примерно 10124 различных значений. Только в случае такого гигантского количества вселенных существует вероятность, что среди них найдётся одна с нашим значением космологической постоянной.

Здесь возникает вопрос, есть ли теоретические модели, которые естественным образом приводят к такому захватывающему изобилию вселенных с разными космологическими постоянными?

От недостатка к достоинству

Да, есть. Мы уже встречались с такой моделью в предыдущей главе. Подсчёт различных возможных форм дополнительных измерений в теории струн, с учётом пронизывающих их потоков, дал примерно 10500. Это намного больше, чем 10124. Даже умножив 10124 на несколько сот порядков величины, всё равно 10500 будет значительно больше. Вычтем 10124 из 10500, потом ещё раз, и ещё, и так миллиард раз подряд, и всё равно это будет почти незаметно. В результате получится примерно всё то же 10500.

Важно, что космологическая постоянная действительно варьируется от одной такой вселенной к другой. Подобно тому как магнитный поток несёт энергию (и может двигать предметы), потоки внутри дырок в пространствах Калаби — Яу обладают энергией, величина которой очень чувствительна к геометрическим особенностям данного пространства. Если имеются два разных пространства Калаби — Яу с разными потоками, проходящими сквозь разные дырки, то их энергии, как правило, будут отличаться. Поскольку заданное пространство Калаби — Яу прикреплено к каждой точке трёх обычных измерений пространства, подобно петелькам ворса, прикреплённого к большому основанию ковра, энергия, содержащаяся в данном пространстве, будет равномерно заполнять три больших измерения, подобно тому как смачивание индивидуальных волокон в ворсе ковра приведёт к утяжелению всего ковра. Таким образом, какое бы из 10500 различных одетых пространств Калаби — Яу не определяло геометрию дополнительных измерений, энергия, которой оно обладает, даст вклад в космологическую постоянную. Результаты, полученные Рафаэлем Буссо и Джо Польчински, дают количественную оценку этой ситуации. Они показали, что различные космологические постоянные, к которым приводят приблизительно 10500 различных возможных пространств дополнительных измерений, равномерно распределены по широкому диапазону значений.

Как по заказу! Наличие 10500 отметок, распределённых в диапазоне от 0 до 1, гарантирует, что найдётся очень много со значениями, лежащими совсем рядом с теми значениями космологической постоянной, которые астрономы измеряют последние десяток лет. Возможно, что найти точные примеры среди 10500 вариантов не получится, потому что даже самые быстрые современные компьютеры тратят одну секунду на анализ каждой формы дополнительных измерений, так что через миллиард лет будут рассмотрены лишь какие-то жалкие 1023 примеров. Однако это сильные доводы в пользу того, что они существуют.

Конечно, набор из 10500 разных форм дополнительных измерений очень далёк от той единственной вселенной, о которой мы мечтали в теории струн. Тем, кто верит в мечту Эйнштейна о единой теории поля, описывающей единственную вселенную — нашу, — эти рассуждения причиняют сильный дискомфорт. Однако анализ вопроса о космологической постоянной представляет ситуацию в ином свете. Вместо того чтобы отчаиваться из-за того, что, по всей видимости, единственной вселенной не получится, нам следует радоваться: благодаря теории струн самая невероятная часть из объяснения Вайнбергом малости значения космологической постоянной — требование наличия огромного количества разных вселенных, значительно превышающего 10124 — неожиданно становится правдоподобной.

 

Заключительный шаг. Резюме

Похоже, что разные части этой захватывающей истории начинают стыковаться воедино. Однако в рассуждениях всё ещё остаётся некоторая брешь. Одно дело, когда из теории струн возникает огромное число различных вселенных. Но совсем другое дело — требовать, чтобы теория струн гарантировано обеспечивала, чтобы все возможные возникающие вселенные действительно существовали где-то там, являясь параллельными мирами внутри гигантской мультивселенной. Наиболее образно эту ситуацию охарактеризовал Леонард Сасскинд, вдохновлённый новаторской работой Шамита Качру, Ренаты Каллош, Андрея Линде и Сандипа Триведи, — если в ткань теории вплести вечную инфляцию, то брешь может затянуться.

Я сейчас объясню этот заключительный шаг, но если вы уже устали и жаждете финала истории, то это можно сделать в трёх предложениях. Инфляционная мультивселенная — постоянно расширяющийся, похожий на швейцарский сыр, космос — содержит огромное, постоянно увеличивающееся число дочерних вселенных. Идея в том, что если объединить инфляционную космологию с теорией струн, то процесс вечной инфляции орошает 10500 возможных форм дополнительных измерений, возникающих в теории струн, привитых на пузырьки-вселенные, что даёт космологический способ реализации всех возможностей. Согласно этой логике, мы живём в пузырьке с такими дополнительными измерениями, такой космологической постоянной и всем остальным, которые благоприятствуют нашей форме жизни и согласуются с наблюдениями.

В оставшейся части главы я изложу это более подробно, поэтому если вам не терпится поскорее продвинуться дальше, спокойно переходите к последнему разделу.

 

Струнный ландшафт

Давайте вспомним аналогию, которую я использовал в главе 3 для объяснения инфляционной космологии. Вершины гор соответствовали наивысшим значениям энергии поля инфлатона в пространстве, а процесс скатывания вниз и достижение положения равновесия в низшей точке у подножия горы соответствовали тому, как инфлатон отдаёт свою энергию, которая при этом процессе преобразуется в частицы вещества и излучение.

А теперь рассмотрим заново три положения из этой аналогии уже с учётом полученных знаний. Во-первых, мы узнали, что инфлатон не единственный источник энергии, способной заполнять пространство; свои вклады дают также квантовые флуктуации всех других полей — электромагнитного, ядерного и так далее. Поэтому в используемой нами аналогии высота горы будет соответствовать совместной энергии от всех источников, однородно заполняющей всё пространство.

Во-вторых, в исходной аналогии высота подножия горы, куда в итоге скатывается инфлатон, считалась «уровнем моря», нулевой высотой, что означало, что инфлатон отдал всю свою энергию (и давление). Но после пересмотра высота подножия горы должна соответствовать совместной энергии от всех источников, заполняющей пространство, после завершения процесса инфляции. Тем самым мы получаем другой способ взглянуть на космологическую постоянную пузырька-вселенной. Таким образом, загадка объяснения нашей космологической постоянной переформулируется в загадку объяснения высоты подножия горы — почему она так близко к уровню моря, но не совпадает с ним?

В-третьих, исходно рассматривался простейший горный рельеф, когда вершина гладко переходит в основание горы, куда в итоге попадает инфлатон (см. рис. 3.1). Затем были учтены другие составляющие (поля Хиггса), эволюция которых и окончательные положения равновесия будут влиять на физические свойства и проявление пузырьков-вселенных (см. рис. 3.5). В теории струн диапазон возможных вселенных становится ещё богаче. Форма дополнительных измерений определяет физические свойства внутри конкретного пузырька-вселенной, поэтому возможные «положения равновесия», показанные как долины на рис. 3.6б, теперь будут соответствовать возможным формам дополнительных измерений. Чтобы разместить 10500 возможных форм для дополнительных измерений горный пейзаж должен быть с размахом дополнен долинами, террасами, обнажениями пород, подобно тому как показано на рис. 6.4. Любое место в горном рельефе, куда может скатиться шарик, соответствует некоторой форме дополнительных измерений; высота этого места определяет космологическую постоянную соответствующего пузырька-вселенной. На рис. 6.4 показано то, что называется струнным ландшафтом.

Рис. 6.4. Струнный ландшафт можно схематично рассматривать в виде горного рельефа, в котором разные долины соответствуют разным формам дополнительных измерений, а высота определяет величину космологической постоянной

Теперь, с учётом более тонкого понимания нашей аналогии с горным рельефом, или ландшафтом, рассмотрим как квантовые процессы влияют на форму дополнительных измерений. Мы увидим, что квантовая механика озаряет наш горный ландшафт.

 

Квантовое туннелирование в ландшафте

Рисунок 6.4, безусловно, схематичный (каждое из полей Хиггса на рис. 3.6 отложено в своих собственных осях; аналогично каждый из приблизительно 500 различных потоков поля, которые могут пронизывать формы Калаби — Яу, также должен быть отложен в отдельных осях — однако нарисовать горный рельеф в 500-мерном пространстве довольно затруднительно), однако этот рисунок правильно отражает тот факт, что вселенные с разными формами дополнительных измерений являются частями единого рельефа. И если учесть квантовые эффекты, воспользовавшись результатами, полученными легендарным физиком Сиднеем Коулменом в соавторстве с Фрэнком де Луччией, то взаимосвязи между разными вселенными приведут к удивительным превращениям.

Ключевым физическим процессом при рассмотрении квантовых эффектов в мультивселенной является квантовое туннелирование. Представьте частицу, например электрон, налетающую на твёрдый барьер, пусть это будет стальная плита толщиной в три метра. Классическая физика говорит, что электрон не сможет пройти сквозь барьер. Отличительная черта квантовой механики состоит в том, что неумолимый классический вердикт «не сможет пройти», часто преобразуется в более мягкое квантовое утверждение «есть малая, но не равная нулю вероятность, что сможет». Причина в том, что квантовые флуктуации частицы позволяют ей время от времени неожиданно материализоваться на другой стороне непроницаемого барьера. Момент, когда такое квантовое туннелирование происходит, совершенно случаен; самое большее, что мы можем сделать, — это предсказать вероятность того, что это случиться в тот или иной временно́й интервал. Однако математические расчёты показывают, что если подождать достаточно долго, туннелирование произойдёт сквозь любой барьер. И оно действительно происходит. Если бы это не происходило, то Солнце не смогло бы светить: для сближения ядер водорода на расстояние, достаточное для начала ядерного синтеза, они должны протуннелировать сквозь барьер электромагнитного отталкивания протонов.

Коулмен и де Луччия, а затем и многие их последователи, отмасштабировали квантовое туннелирование от одной частицы до целой вселенной, перед которой также встаёт «непреодолимый» барьер, отделяющий текущую конфигурацию вселенной от другой возможной конфигурации. Чтобы качественно понять полученный ими результат, представьте себе две вселенные, одинаковые во всём кроме некоторого поля, равномерно заполняющего каждую из них, энергия которого выше в одной и ниже в другой. Если барьера нет, более высокое значение поля скатится до более низкого, подобно скатывающемуся с холма шарику при обсуждении инфляционной космологии. Но что произойдёт, если кривая энергии поля имеет «горный выступ», отделяющий данное значение от искомого, как показано на рис. 6.5? Коулмен и де Луччия обнаружили, что как и в случае одной частицы, вселенная поведёт себя запрещённым в классической физике образом: она может просочиться — квантово протуннелировать — сквозь барьер и оказаться в конфигурации с меньшей энергией.

Рис. 6.5. Пример кривой энергии поля с двумя значениями — двумя выемками, или долинами, — где поле естественно достигает положения равновесия. Вселенная, заполненная полем с более высоким значением, может квантово протуннелировать во вселенную с меньшим значением. В этом процессе небольшая, случайным образом расположенная область пространства в исходной вселенной приобретает меньшее значение поля; затем эта область расширяется, с трансформацией постоянно расширяющегося пространства от большей энергии к меньшей

Но поскольку мы обсуждаем вселенную, а не одну частицу, процесс туннелирования оказывается более сложным. Коулмен и де Луччия показали, что речь не идёт о том, что значение поля во всём пространстве туннелирует одновременно сквозь барьер. Наоборот, «затравочное» туннелирование порождает небольшой, случайно расположенный пузырёк, наполненный полем с меньшей энергией. Этот пузырёк растёт, подобно воннегутовскому льду-девять, постоянно расширяя область пространства, в которую поле протуннелировало к меньшей энергии.

Эти идеи можно непосредственно применить к струнному ландшафту. Представьте, что вселенная обладает какой-то определённой формой дополнительных измерений, которая соответствует левой долине на рис. 6.6а. Поскольку эта долина расположена высоко, космологическая постоянная в трёх привычных пространственных измерениях имеет большое значение — что приводит к большому гравитационному отталкиванию, — поэтому в пространстве происходит быстрое инфляционное расширение. Такая расширяющаяся вселенная со своими дополнительными измерениями показана на рис. 6.6б слева. Затем в некотором случайном месте, в случайный момент времени крохотная область пространства туннелирует сквозь промежуточный горный хребет в долину в правой части на рис. 6.6а. Не то чтобы крошечная область пространства двигалась (что бы это не значило), но меняется форма дополнительных измерений (геометрия, размер, потоки) в этой области. Дополнительные измерения в этой крошечной области трансформируются и приобретают форму, соответствующую правой долине на рис. 6.6а. Как показано на рис. 6.6б справа, эта новая дочерняя вселенная расположена внутри исходной.

Рис. 6.6. а ) Квантовое туннелирование в струнном ландшафте; б ) Туннелирование порождает небольшую область пространства, внутри которой произошло изменение формы дополнительных измерений (небольшой тёмный пузырёк)

Новая вселенная быстро расширяется и по мере расширения продолжает преобразовывать свои дополнительные измерения. Поскольку космологическая постоянная в новой вселенной уменьшилась — соответствующая ей высота ландшафта ниже исходной, — она испытывает меньшее гравитационное отталкивание, поэтому она будет расширяться не так быстро, как исходная. Таким образом, имеется дочерняя расширяющаяся вселенная с новой формой дополнительных измерений, расположенная внутри более быстро расширяющегося пузырька исходной вселенной с исходной формой дополнительных измерений.

Процесс может повториться. Дальнейшее туннелирование в других местах внутри не только исходной вселенной, но и внутри новой вселенной, приведёт к появлению дополнительных расширяющихся пузырьков, что в свою очередь породит области с совсем другими формами дополнительных измерений (рис. 6.7). И так всё пространство будет заполнено пузырьками внутри пузырьков, расположенных, в свою очередь, внутри других пузырьков — в каждом будет происходит инфляционное расширение, каждому будет присуща своя форма дополнительных измерений и в каждом значение космологической постоянной будет меньше, чем у большего пузырька, внутри которого он образовался.

Рис. 6.7. Процесс туннелирования может повторяться, порождая обширную и сложную последовательность расширяющихся дочерних вселенных, вырастающих из пузырьков, каждая со своей формой дополнительных измерений

В итоге возникает более затейливый вариант мультивселенной в виде швейцарского сыра, рассмотренной нами при обсуждении вечной инфляции. Там было два типа областей: «сырно-заполненные» области, в которых происходит инфляционное расширение, и «дырки», в которых его нет. Такая мультивселенная напрямую соответствует упрощённому ландшафту с одной единственной горой, основание которой находится на уровне моря. Более богатый струнный ландшафт с его разнообразием вершин и долин, соответствующих разным значениям космологической постоянной, приводит к многообразию различных областей (рис. 6.7) — пузырькам внутри пузырьков, которые расположены внутри других пузырьков, подобно матрёшкам, каждая из которых раскрашена своим мастером. В итоге непрекращающиеся квантовые туннелирования сквозь гористый струнный ландшафт реализуют каждую возможную форму дополнительных измерений в том или ином пузырьке-вселенной. Это ландшафтная мультивселенная.

Именно ландшафтная мультивселенная необходима для того, чтобы принять идею Вайнберга, объясняющую значения космологической постоянной. Из наших рассуждений следует, что струнный ландшафт гарантирует, что в принципе существуют возможные формы дополнительных измерений, для которых грубая оценка для значения космологической постоянной попадает в диапазон наблюдаемых значений: в струнном ландшафте есть долины, чья крошечная высота перекликается с крошечным, но не нулевым значением космологической постоянной, которое получается из наблюдения сверхновых. Если струнный ландшафт соединить с вечной инфляцией, оживают все возможные формы дополнительных измерений, включая формы с очень малым значением космологической постоянной. Где-то внутри огромной и запутанной последовательности пузырьков, составляющих ландшафтную мультивселенную, есть вселенные со значением космологической постоянной, равным приблизительно 10−123, крохотному числу, приведённому в самом начале этой главы. Следуя этой логике рассуждений, оно соответствует тому из пузырьков, в котором мы живём.

 

А что с остальной физикой?

Космологическая постоянная является всего лишь одной из характеристик населяемой нами Вселенной. Эта задача находится, пожалуй, в ряду самых непонятных, потому что малость измеренного значения никак не вяжется с оценками, даваемыми устоявшимися теориями. Такое тотальное расхождение привлекает к космологической постоянной особое внимание, поэтому поиск идей, пусть даже экзотических, но способных объяснить малость космологической постоянной, является самой насущной задачей. Сторонники представленных выше идей утверждают, что струнная мультивселенная и есть именно то, что надо.

Но что делать с остальными свойствами нашей Вселенной — тремя типами существующих нейтрино, определённой массой электрона, величиной слабого ядерного взаимодействия и тому подобным? И хотя мы можем по крайней мере мечтать, что нам удастся вычислить эти фундаментальные константы, этого пока никому не удалось. Вы можете поинтересоваться, готовы ли эти числа к своему объяснению с помощью идеи мультивселенной? Оказалось, что физики, занимающиеся струнным ландшафтом, действительно обнаружили, что эти числа, подобно значению космологической постоянной, также изменяются от места к месту, и поэтому — если следовать нашему настоящему пониманию теории струн — они определены не однозначно. Это приводит к новому взгляду на проблему, весьма отличному от того, который преобладал в начале исследований. А именно мы видим, что попытка вычислить свойства фундаментальных частиц, так же как и попытка объяснить расстояние между Землёй и Солнцем, лишена, скорее всего, всякого смысла. Как и орбиты планет, некоторые (или все) свойства фундаментальных частиц будут меняться от одной вселенной к другой.

Чтобы такие рассуждения могли считаться осмысленными, мы должны по крайней мере знать, что найдутся пузырьки-вселенные с правильным значением космологической постоянной, и кроме того, что среди них будет хотя бы один пузырёк, в котором свойства взаимодействий и частиц согласуются с измерениями, полученными в нашей Вселенной. Необходимо знать наверняка, что наша Вселенная со всеми своими свойствами находится где-то внутри ландшафта. Это является целью очень активной области исследований, получившей название струнное моделестроение. Её программа состоит в математическом изучении струнного ландшафта и возможных форм дополнительных измерений с целью поиска вселенных, наиболее близко напоминающих нашу. Эта невероятно трудная задача, потому что ландшафт огромен и очень запутан, что препятствует исчерпывающему систематическому изучению. Продвижение в этом направлении требует выдающихся вычислительных способностей, а также интуитивного понимания, какие составляющие должны входить в искомую комбинацию — форма дополнительных измерений, их размер, потоки поля, пронизывающие дырки, наличие различных бран и так далее. Подобные исследования находятся на стыке строгой науки, искусства и проницательности. На сегодняшний день никому не удалось найти пример, точно воспроизводящий свойства нашей Вселенной. Однако, имея 10500 возможностей, ожидающих своего изучения, легко согласиться, что где-то внутри ландшафта есть место и для нашей Вселенной.

А это наука?

В этой главе мы совершили логический поворот. До сего момента мы рассматривали возможные сценарии для реальности, опирающиеся на достижения фундаментальной физики и космологические исследования. Я прихожу в восторг от мысли, что где-то в глубине космоса существуют, возможно, копии нашей Земли, или что наша Вселенная — это лишь один из многих пузырьков в инфляционном космосе, или что мы живём в одном из многих миров на бране, как на ломте гигантского космического хлеба. Такие идеи, безусловно, будоражат ум.

Однако в ландшафтной мультивселенной параллельные миры возникают совсем иным образом. Ландшафтная мультивселенная — это не просто более широкий взгляд на то, что может происходить где-то там. Наоборот, целый массив параллельных вселенных — миров, находящихся за рамками наших способностей видеть, изучать, как-то влиять, посещать сейчас, а возможно и никогда, нужен самым непосредственным образом для того, чтобы объяснить данные наблюдений, полученные нами здесь, в этом мире.

А это ставит перед нами очень важный вопрос: является ли это наукой?