Одно дело утверждать, что теория порождает огромное количество возможностей для законов физики, и совсем другое – утверждать, что природа на самом деле использует все эти возможности. Какие из множества возможных условий действительно актуализируются в виде реальных миров? В числе решений уравнений физики есть и такие, которые описывают гигантские сферические конструкции из нержавеющей стали, вращающиеся вокруг массивных «звёзд», сделанных из чистого золота. Точнее: теоретически такие решения существуют. Но существуют ли такие объекты во Вселенной? Наверное, нет, и причины этого лежат в истории развития Вселенной. Нет ничего в механизме развития Вселенной, ничего в космологии Большого взрыва, что позволило бы объяснить, каким образом могли бы возникнуть подобные объекты. Математическое существование не тождественно физическому существованию. Открытие теорией струн 10500 возможных решений ничего не объяснит нам про наш мир, если мы не понимаем, как соответствующие части Ландшафта могли появиться на свет.

Некоторые физики уверены, что должен существовать некий вакуумный принцип отбора, позволяющий выбрать одну из множества точек Ландшафта, а именно ту, которая соответствует нашей Вселенной. Подобный принцип, если он существует, должен быть математическим – возможно, это должно быть доказательство того, что только одно из возможных решений является математически согласованным. Но как бы то ни было, математика теории струн идёт другим путём – ко всё большей и большей не-уникальности. Я слышал мнение, что вакуумный принцип отбора должен быть космологическим: рождение Вселенной возможно только единственным способом, и он приводит к уникальному набору физических констант. Однако вакуумный принцип отбора сродни Лох-Несскому чудовищу – все утверждают, что он есть, но никто никогда его не видел. Многие из нас начинают подозревать, что этого принципа и вовсе не существует. Даже если бы такой механизм существовал, вероятность того, что в результате его работы Законы Физики будут настроены с той невероятной точностью, которая необходима для нашего существования, по-прежнему останется незначительной. Лично я считаю, что существование вакуумного принципа отбора было бы настоящей катастрофой.

Какова же альтернатива? Ответ может заключаться в том, что природа каким-то образом использует все возможности. Существует ли какой-нибудь естественный механизм, позволяющий «населить» Мегаверсум всеми возможными условиями, превращая их из математических возможностей в физические реальности? Большинство физиков, включая меня, верят, что такой механизм существует. Я называю это населённым ландшафтом.

В этой главе я расскажу о главной идее населённого ландшафта: о механизмах, базирующихся на хорошо проверенных физических принципах, которые приводят к огромному или даже бесконечному количеству карманных вселенных, представляющих все возможные долины Ландшафта.

Механизмы, которые лежат в основе населённого ландшафта, основываются исключительно на принципах общей теории относительности и общепринятых положениях квантовой механики. Чтобы понять, как ландшафт становится населённым, нам придётся рассмотреть две фундаментальные физические концепции. Первая состоит в метастабильности вакуума. Она отражает тот факт, что свойства вакуума могут внезапно измениться от ничтожного воздействия «без объявления войны». Вторая концепция состоит в том, что пространство само себя клонирует.

 

Стабильность и метастабильность

В мрачной научно-фантастической сатире Курта Воннегута «Колыбель для кошки» физик Феликс Хониккер обнаруживает новую кристаллическую модификацию воды под названием лёд-девять. Кристаллическая структура льда-девять несколько отличается от обычного льда. Представляя собой новый способ укладки атомов, она образует настолько стабильную кристаллическую решётку, что лёд-девять тает только при температуре +45,8 °C. В романе Воннегута причина того, что вся вода на Земле до сих пор оставалась в обычном состоянии, в том, что крошечному зародышу нового кристалла необходимо «научить» молекулы воды собирать себя в более стабильную решётку льда-девять. Один такой крошечный кристаллик-учитель льда-девять, попав в любой водоём, так или иначе сообщающийся с мировыми водами, может привести к их стремительному превращению в лёд-девять и, таким образом, гибели жизни на Земле. До Хониккера никто никогда не создавал кристалла льда-девять, поэтому вся вода Земли до сих пор оставалась «не испорченной» смертоносным кузеном обычного льда.

Но она оставалась таковой лишь до тех пор, пока кусочек изобретённого Хониккером льда не попал в руки Папы Монзано, диктатора карликового островного государства Сан-Лоренцо. Папа Монзано кончает с собой, лизнув кусочек льда-девять, дестабилизируя тем самым всю воду в своём организме. За доли секунды она превращается в смертельный лёд-девять, и всё его тело моментально коченеет. Когда замок Монзано рушится в результате падения на него самолёта, тело диктатора попадает в море, вызывая цепную реакцию превращения всей воды на Земле в лёд-девять.

Разумеется, лёд-девять – это выдумка. Не существует модификации воды, остающейся твёрдой при температуре выше 0 °C. «Колыбель для кошки» – всего лишь поучительная аллегорическая история о безумии и нестабильности мира, напичканного ядерным оружием. Но, несмотря на свою фантастическую фабулу, история про лёд-девять основывается на серьёзных физических и химических принципах, в частности на концепции метастабильности.

Стабильность подразумевает определённую степень устойчивости к случайным внешним воздействиям. Маятник, свисающий вертикально вниз, очень стабилен. В противоположность ему стоящий на острие карандаш крайне нестабилен и может упасть в непредсказуемом направлении. Метастабильность располагается где-то между этими двумя крайними случаями.

Некоторые системы обладают замечательным свойством длительное время сохранять стабильное состояние, а затем внезапно без всяких видимых причин претерпеть катастрофические изменения. Такие системы и называются метастабильными.

В реальном мире вода в закрытом сосуде при комнатной температуре стабильна. Но в выдуманном мире Феликса Хониккера и Папы Монзано она метастабильна. Реальная вода тоже может быть метастабильна, но не при комнатной температуре. Удивительно, но оказывается, что если медленно охладить воду ниже температуры замерзания или нагреть её выше температуры кипения, она может оставаться жидкой довольно долгое время, пока случайное внешнее воздействие не приведёт к тому, что вода моментально замёрзнет или вскипит. Как ни странно, но вакуум в теории струн, как правило, метастабилен. Однако прежде, чем мы погрузимся в метастабильную воду или в метастабильное пустое пространство, мне хотелось бы привести ещё один простой пример метастабильности.

Некоторые события лежат в плоскости невозможного. Независимо от того, как долго вы будете ждать, они никогда не произойдут. Другие события просто очень маловероятны, но если ждать достаточно долго, то они в конечном счёте происходят. Следующий пример иллюстрирует явление, невозможное с точки зрения классической физики. Представим себе небольшой мяч, который катится по одномерному ландшафту. То есть он не катится, а лежит в нижней части долины между двумя высокими горами. По другую сторону горы есть ещё одна долина, но мяч не может в неё попасть. Для того чтобы преодолеть гору и добраться до нижней части другой долины, мячу необходимо иметь достаточно кинетической энергии для компенсации потенциальной энергии, соответствующей разности высот между нижней частью долины и вершиной горы. Если мяч покоится на дне долины, то у него нет энергии даже для того, чтобы забраться на подножие горы. Добраться до другой долины без дополнительного толчка мячу не просто маловероятно, а совершенно невозможно. Это пример идеальной стабильности.

Но теперь давайте добавим в нашу систему немного тепла. Если воздух в долине горячий, то мяч будет постоянно бомбардироваться хаотически движущимися молекулами воздуха – он будет обладать небольшой, если так можно выразиться, тепловой дрожью. И если мы запасёмся терпением и будем ждать достаточно долго, то в один прекрасный момент несколько необычайно энергичных молекул сумеют сообщить мячу импульс, достаточный для того, чтобы перекатиться через гору в соседнюю долину. Вероятность того, что такое случайное событие произойдёт в течение часа, чрезвычайно мала. Но какой бы малой ни была вероятность, она не равна нулю, а значит, рано или поздно мяч окажется в соседней долине.

Но погодите! Мы забыли про квантовую дрожь. Даже без добавления в систему дополнительного тепла – даже при температуре абсолютного нуля – мяч испытывает небольшие флуктуации из-за квантовой дрожи. Выходит, что даже в отсутствие тепловой энергии квантовые флуктуации в конечном итоге «пнут» мяч достаточно сильно, чтобы он перекатился через гору. Квантово-механический мяч в долине не представляет собой абсолютно стабильную систему: есть небольшая вероятность, что он окажется на другой стороне горы. Физики называют этот странное непредсказуемое квантовое поведение «квантовым прыжком», или туннелированием. Обычно квантовое туннелирование является весьма маловероятным событием, его вероятность можно сравнить с вероятностью того, что запертые в комнате обезьяны, случайным образом ударяющие по клавишам пишущих машинок, напишут пьесу Шекспира.

Системы такого типа, которые не являются истинно стабильными, но могут находиться в стабильном состоянии в течение очень долгого времени, называются метастабильными. Существует множество примеров метастабильных систем в физике и химии: такие системы кажутся стабильными, но в конце концов в результате туннелирования они могут неожиданно изменить свою конфигурацию. В сатире Воннегута обычная вода при комнатной температуре представляет собой подобную метастабильную систему. Рано или поздно в ней образуется крошечный зародыш кристалла льда-девять – пусть даже только путём случайного движения молекул, – а затем возникнет цепная реакция, которая перестраивает метастабильную жидкую воду в более стабильный лёд-девять. Как мы вскоре увидим, существуют реальные примеры метастабильных состояний, образованных даже самой обычной водой и льдом. Но самое важное для нас то, что вакуум тоже может быть метастабильным. В нём могут образовываться и расти пузыри пространства со странными свойствами, отличными от свойств обычного пространства. Эти пузыри, спонтанно возникая и расширяясь, «портят» пространство подобно тому, как лёд-девять испортил всю воду на Земле. Это объясняет то, как ландшафт становится населённым, а Вселенная – разнообразной.

 

Настоящая ледяная катастрофа

Вода замерзает при температуре 0 градусов по Цельсию. Однако можно охладить очень чистую воду до более низкой температуры так, что она останется жидкой, но делать это нужно очень медленно и осторожно. Жидкая вода при температуре ниже нуля точки замерзания называется переохлаждённой.

Переохлаждённая вода может оставаться жидкой при температуре ниже 0 °C в течение очень долгого времени. Но представьте себе, что в такую воду попадает крохотный кусочек обычного льда. Это приведёт к тому, что вода внезапно кристаллизуется вокруг него, формируя быстро растущий кусок льда. Так же, как лёд-девять уничтожил мир, кусочек настоящего льда быстро превратит в лёд всю переохлаждённую воду.

Помещение ледяного кристалла в переохлаждённую воду аналогично ситуации, когда шар, покоящийся в крохотной ямке на вершине горы, получает небольшой толчок. Это событие подталкивает шар, чтобы он перевалился через край лунки. В случае мяча этот толчок должен быть достаточно сильным, чтобы выкатить его из ямки. Слишком слабый толчок не достигнет цели: мяч просто откатится в исходное положение. То же самое верно для переохлаждённой воды. Если кристалл льда меньше некоего критического размера, он просто растает, несмотря на то что окружающая его жидкость переохлаждена. Например, ледяной кристалл размером в несколько молекул не сможет вызвать цепную реакцию замерзания.

Тем не менее даже без добавления в переохлаждённую воду кусочка льда её жидкое состояние не будет длиться вечно. Причина в том, что молекулы воды постоянно колеблются, отражаясь от друг друга и меняясь местами. Это движение обусловлено как тепловой, так и квантовой дрожью. Время от времени группа молекул совершенно случайно и самопроизвольно собирается в небольшой кристалл. По большей части такие кристаллы слишком малы и быстро разрушаются.

Но очень и очень редко будут образовываться кристаллы больших размеров, достаточных для того, чтобы вызвать цепную реакцию замерзания воды. Это явление называется пузырьковой нуклеацией, а растущий ледяной кристалл можно рассматривать как расширение пузыря. Очень похожие вещи происходят и с перегретой водой, то есть с жидкой водой, нагретой выше точки кипения. Единственное отличие заключается в том, что в этом случае возникает не кристалл льда, а пузырёк пара, который начинает стремительно расти.

Граница между твёрдым льдом и жидкой водой (или между водой и паром) называется доменной стенкой. Она похожа на мембрану, разделяющую две различные фазы. Эта стенка обладает собственными свойствами, например поверхностным натяжением, стремящимся сжать пузырь. Другим примером доменной стенки может служить граница между обычной водой и воздухом. Помню, в детстве меня потряс опыт, в котором стальная иголка плавала на поверхности воды. Граница домена, разделяющая воздух и воду, похожа на кожу, покрывающую жидкость. Она обладает поверхностным натяжением, которое можно обнаружить, например, в уже упомянутом опыте с иголкой. Вакуум с положительной космологической постоянной сильно напоминает переохлаждённую или перегретую жидкость. Он метастабилен и может распасться путём пузырьковой нуклеации. Каждый вакуум соответствует долине на Ландшафте с определённой высотой, или плотностью энергии. Но хотя вакуум и может казаться нашим грубым органам чувств спокойным и гладким, квантовые флуктуации постоянно создают крошечные пузырьки, в которых свойства пространства такие же, как в соседних долинах. Обычно пузырьки быстро схлопываются и исчезают. Но если соседняя долина расположена «ниже», чем наша, рано или поздно появится пузырь, достаточно большой для того, чтобы начать расти. Поглотит ли он всё наше пространство? Об этом вы узнаете в ближайшее время.

Доменная стенка, которая отделяет пузырь от окружающей среды, представляет собой двумерную поверхность, напоминающую мембрану. Но это не совсем та мембрана, с которой мы сталкивались ранее. В главе 10 мы узнали о D-бранах Полчински. Во многих случаях доменные стенки представляют собой не что иное, как D2-браны.

 

Клонирование пространства

Есть одна вещь, отсутствующая в аналогии между космическими пузырьками карманных вселенных и кристалликами льда в переохлаждённой жидкости, а именно тенденция пространства к расширению. Каждая точка Ландшафта имеет свою уникальную космологическую постоянную. Напомним, что положительное значение космологической постоянной приводит к появлению всемирного отталкивания, растаскивающего материю в разные стороны. Современный специалист по общей теории относительности мог бы сказать, что расширяется само пространство, или, как принято говорить, инфлюирует, а материя просто «едет на нём верхом».

В те времена, когда Эйнштейн ещё только начинал экспериментировать с космологической постоянной, голландский астроном Виллем де Ситтер уже приступил к исследованиям инфлюирующего пространства. Пространство, или, если говорить строго, пространство-время, открытое де Ситтером (которое сегодня носит его имя), представляет собой решение уравнений Эйнштейна, в которых отсутствует энергия или гравитирующая материя, а имеется только энергия вакуума в пустом пространстве, или, что то же самое, – космологическая постоянная. Подобно Эйнштейну де Ситтер предположил, что космологическая постоянная положительна. У него получилось, что пространство должно экспоненциально расширяться с течением времени. Экспоненциальное расширение означает, что если за какой-то период времени размер пространства увеличивается вдвое, то в течение следующего такого же периода времени размер пространства увеличится ещё вдвое, в течение следующего – ещё вдвое и т. д. Оно становится сначала в два раза больше, потом в четыре, в восемь, в шестнадцать – тот же процесс, что и при росте банковского капитала при условии его реинвестирования. При депозитной ставке 5 % реинвестируемый капитал удвоится за 14 лет. Космологическая постоянная играет в уравнении роль величины банковского процента – чем больше космологическая постоянная, тем быстрее удваивается размер пространства. Как и любое расширяющееся пространство, пространство де Ситтера удовлетворяет закону Хаббла – скорость удаления одной точки пространства от другой растёт пропорционально расстоянию между точками.

Для визуализации расширяющейся Вселенной мы использовали аналогию с надуваемым воздушным шаром. Но есть одно важное отличие расширяющегося пространства де Ситтера от надуваемого воздушного шара. При надувании шара резина, из которой он сделан, становится все более тонкой. В конечном итоге, когда она достигает предела своей прочности, шар лопается. Но ткань пространства де Ситтера никогда не меняется, как если бы молекулы резины постоянно размножались – клонировались по мере надувания шара, сохраняя толщину резиновой оболочки постоянной.

Разумеется, реальные молекулы резины так себя не ведут, а вот пространство, напротив, постоянно порождает новое пространство, чтобы заполнить освобождающееся при расширении место. Можно сказать, что пространство постоянно клонирует само себя – каждый крохотный объём пространства рождает новые дочерние объёмы пространства, и этот процесс развивается экспоненциально.

Представим себе, что некий наблюдатель находится в пространстве де Ситтера и движется вместе с пространством в процессе его расширения. Что он видит вокруг себя? Казалось бы, ничего особенного, кроме того что вселенная вокруг него будет изменяться со временем – становиться всё больше и больше. Удивительно, но это не так. Оглянувшись, наблюдатель увидит, что пространство расширяется по закону Хаббла: близкие предметы удаляются медленно, далёкие – быстро. На некотором расстоянии от наблюдателя пространство будет удаляться от него уже со скоростью света. А на ещё большем расстоянии пространство будет удаляться с ещё большей скоростью! Пространство в этих областях будет мчаться прочь так быстро, что световые сигналы из этих областей уже никогда не достигнут наблюдателя, потому что сигнал не может распространяться со сверхсветовой скоростью. В результате какой-либо контакт с этими отдалёнными областями будет невозможен. Множество наиболее удалённых точек пространства, которые ещё можно наблюдать, то есть точек, удаляющихся от наблюдателя со скоростью света, принято называть горизонтом, или более строго: горизонтом событий.

Концепция космического горизонта событий – непреодолимого барьера для наших наблюдений или точки, откуда нет возврата, – это одно из самых увлекательных последствий ускоренного расширения Вселенной. Как и земной горизонт, это – далеко не конец пространства. Это просто конец того, что мы можем увидеть. Когда объект пересекает горизонт, он прощается с нами навсегда. Некоторые объекты могут изначально находиться за горизонтом. Наблюдатель никогда не сможет получить о них никакой информации. Но если такие объекты постоянно находятся за пределами наших возможностей каким-либо образом их обнаружить, существуют ли они вообще? Есть ли основания для включения в научную теорию областей, находящихся за горизонтом? Некоторые философы утверждают, что такие области являются метафизическими конструкциями, имеющими для научной теории не больше смысла, чем концепция ада, чистилища и рая. Их существование является признаком того, что теория содержит непроверяемые и поэтому ненаучные элементы, – ну, или по крайней мере так утверждают философы.

Любопытно, что во Вселенной, ускоренно расширяющейся под влиянием космологической постоянной, расстояние до горизонта событий никогда не меняется. Оно определяется значением космологической постоянной – чем больше космологическая постоянная, тем меньше расстояние до горизонта. Наблюдатель живёт в неизменном мире конечного радиуса, окружённом горизонтом событий, но подобно тому, как земной горизонт ускользает от тех, кто пытается подойти к нему, так и горизонт пространства де Ситтера недостижим для его обитателей. Он всегда находится от них на одном и том же конечном расстоянии, но когда кто-то пытается к нему приблизиться, он обнаруживает, что там ничего нет! Однако если бы мы, оказавшись за пределами пространства де Ситтера, посмотрели на него, так сказать, со стороны, то увидели бы, что всё пространство экспоненциально расширяется со временем.

 

Метастабильное пространство де Ситтера

Я хотел бы вернуться к разговору о метастабильных субстанциях, но в несколько ином ракурсе. Предположим, что рассматриваемая нами субстанция надувается. Чтобы представить себе расширяющуюся метастабильную субстанцию, вообразите бесконечное мелкое озеро переохлаждённой воды. Для имитации клонирования пространства расположим вдоль всего дна озера трубы, через которые постоянно подаются всё новые порции переохлаждённой воды. Для того чтобы освободить место для новой жидкости, вода постоянно растекается в горизонтальном направлении – любые две молекулы воды постоянно удаляются друг от друга, а на освобождающееся между ними место поступают новые молекулы из проложенных вдоль всего дна труб. Если на поверхности озера окажутся две лодки, то они также будут постоянно удаляться одна от другой, пока совершенно не потеряют контакт. Озеро надувается в точности как пространство де Ситтера.

В этой инфлюирующей переохлаждённой жидкости будет происходить постоянная спонтанная пузырьковая нуклеация. Если образующийся пузырёк, – или в данном случае ядро кристаллизации – окажется достаточно большим, то оно начнёт расти, превращаясь в расширяющийся ледяной остров. Но из-за того, что ядра конденсации переносятся вместе с растекающейся во все стороны жидкостью, они будут удаляться одно от другого так быстро, что никогда не встретятся друг с другом. Водная гладь между образующимися ледяными островами расширяется, предотвращая превращение всего озера в ледяной монолит. Вода между островами вечно прибывает, оставаясь жидкой, несмотря на то что сами ледяные острова тоже растут бесконечно. Тем не менее любой наблюдатель, плывущий вместе с потоком воды, в конечном итоге окажется окружён льдом: по прошествии достаточного количества времени крошечные ледяные кристаллы, постоянно возникающие в окрестностях наблюдателя, в конце концов приведут к образованию льда, который поглотит наблюдателя. Это несколько парадоксально, но это так: в нашем озере всегда будет присутствовать бесконечное количество воды, однако любой произвольно выбранный объём этой воды рано или поздно превратится в лёд.

То, что я только что описал, является точной аналогией явления, называемого вечной инфляцией: растущие острова альтернативного вакуума в море вечно инфлюирующего пространства. И эта идея отнюдь не нова. Мой коллега из Стэнфорда Андрей Линде – один из величайших мыслителей – является автором многих современных космологических идей. С тех пор как я с ним познакомился, а знаком я с ним с тех пор, как он переехал из России в США, то есть около 15 лет, он не уставал проповедовать доктрину вечно инфлюирующей Вселенной, постоянно порождающей вакуумные пузырьки самых разнообразных видов. Другой русско-американский учёный, Александр Виленкин также известен своими непрекращающимися попытками двинуть космологию в сторону суперинфлюирующего Мегаверсума, порождающего огромное разнообразие вселенных. Но большая часть физиков до самого последнего времени игнорировала эти идеи. Но что больше всего потрясает, так это то, что последние модификации теории струн – наши надежды на построение теории всего – очень близко соприкасаются с этими высказанными ранее космологическими идеями.

Если взять общую теорию относительности, добавить к ней квантовую механику и применить их к начальному сверхплотному состоянию Вселенной, приправив ландшафтом теории струн, в итоге неизбежно получится вечно раздувающаяся метастабильная Вселенная.

 

Вечная инфляция

Если вы купили эту книгу в надежде найти в ней окончательный ответ на вопрос о происхождении Вселенной, боюсь, вы будете разочарованы. Такого ответа не знаю ни я, ни кто другой. Некоторые думают, что Вселенная началась с сингулярности – бесконечно малого объёма с бесконечной плотностью энергии. Другие, и в особенности Стивен Хокинг и его последователи, верят в квантовое туннелирование из ничего. Мы знаем только одно: Вселенная когда-то началась. И в какой-то момент времени в прошлом она находилась в состоянии с очень большой плотностью энергии и, возможно, претерпела инфляционное расширение. Почти все космологи «верят» в то, что гипотеза об инфляционной стадии расширения Вселенной очень хорошо объясняет многие космологические загадки. В главе 4 я уже рассказывал о наблюдательных фактах, лежащих в основе этой веры.

Мы все уверены, что наблюдаемая история нашей Вселенной началась примерно 14 миллиардов лет назад в точке Ландшафта, где плотность энергии оказалась достаточной для того, чтобы обеспечить инфляционное расширение пространства как минимум в 1020 раз. Причём эта величина, вполне возможно, недооценена. Плотность энергии в эту эпоху была невероятно огромна – мы не можем сказать, насколько огромна, но уж точно несоизмеримо больше, чем плотность энергии, достижимая в самых мощных ускорителях элементарных частиц. По-видимому, в то время Вселенная ещё не была поймана в ловушку одной из долин Ландшафта, а покоилась на относительно гладком и пологом плато. В процессе инфляции наш карман пространства (наша наблюдаемая Вселенная) медленно двигался по этому плато, имевшему небольшой уклон, к крутому обрыву в его конце. При падении с обрыва потенциальная энергия нашей Вселенной преобразовалась в тепло и элементарные частицы, породив материю, из которой впоследствии образовались звёзды и галактики. Это событие, при котором Вселенная заполнилась веществом, носит название повторный разогрев. После этого она скатилась на дно нашей долины с тонко настроенной под удобное для нашего существования значение космологической постоянной. Вся наша космология относится именно к этому короткому периоду падения Вселенной от одного значения энергии вакуума к другому. Именно в этот период произошли все самые интересные события в истории наблюдаемой Вселенной.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Представьте Мегаверсум в виде колонии организмов, которые воспроизводятся путём клонирования. Ещё раз подчеркну, что под словом «организм» я понимаю не живое существо, а самовоспроизводящуюся область пространства. Поскольку клоны идентичны их родителям, мы вправе считать, что они располагаются в той же самой долине Ландшафта. Можно даже представить себе сам Ландшафт как набор биологических организмов: каждая долина будет соответствовать отдельному биологическому виду. Можно не беспокоиться о том, что организмы будут мешать друг другу: в нашем выдуманном мире более чем достаточно места для всех. Как только образуется пузырь со свойствами, отличными от свойств породившего его пространства, его потомство тут же оккупирует соседнюю долину. Поскольку пространство внутри пузыря также инфлюирует, его потомство будет участвовать в двух процессах: в процессе клонирования и в процессе заселения новых долин путём генерации нового поколения пузырей. Таким путём наша метафорическая колония будет распространяться по всему Ландшафту. Быстрее всего будут воспроизводиться области пространства, находящиеся в более высоких долинах, где космологическая постоянная имеет большее значение. В таких местах Ландшафта процесс клонирования идёт наиболее быстрыми темпами, и популяции, «живущие» в таких долинах, растут быстрее всего. Но организмы, живущие в более высоких долинах, «кормят» более низкие долины, и население последних также растёт со временем. В конечном итоге каждая ниша Ландшафта окажется заполненной экспоненциально растущим населением. Единственное, в чём хромает эта аналогия, – это в том, что реальные организмы в ходе конкуренции начинают убивать друг друга, когда их долина становится перенаселённой. У карманных вселенных отсутствует механизм конкуренции, поэтому население каждой долины будет продолжать увеличиваться бесконечно. Можно было бы представить эти организмы как полностью невидимые и неощутимые друг для друга.

Как пузыри умирают? Если пузырь появляется с точно нулевой космологической постоянной, он не может раздуваться, и процесс воспроизводства на нём прервётся. Только такие вакуумы являются суперсимметричными частями Ландшафта. Таким образом, суперсимметричные регионы Ландшафта представляют собой кладбища вселенных по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, жизнь в известном нам виде не может существовать в суперсимметричных мирах, а во-вторых, такое пространство не способно порождать новые пузыри.

Аналогии часто помогают глубже понять какую-то одну сторону вопроса, но оказываются некорректными при рассмотрении вопроса в целом. Так, аналогия между раздувающимся пространством и эволюцией живых существ оказывается некорректной в отдельных деталях, например в том, что среди раздувающихся пузырей отсутствует конкуренция, которая всегда присуща эволюционирующим биосистемам. Кроме того, дарвиновская эволюция предполагает наследование признаков от родителей к потомкам. Если бы мы могли выстроить ряд фотографий приматов, начиная от пресловутого «пропавшего звена» пять миллионов лет назад и заканчивая мной или вами, то увидели бы непрерывную череду изменения признаков. Если мы будем игнорировать индивидуальные различия отдельных особей, то удивимся, насколько каждое следующее поколение похоже на предыдущее. Только накопленные за более чем тысячу поколений изменения будут заметны при взгляде на эти фотографии. То же самое будет справедливо для любых типов жизни. Большие структурные изменения происходят очень редко, и когда они возникают, то почти всегда ведут в эволюционный тупик. Любой человек, родившийся с двумя головами, тремя ногами или без почек, не проживёт сколько-нибудь долго (если только не призвать на помощь современную медицину), и подобные существа имеют крайне мало шансов оставить конкурентоспособное потомство.

В этом состоит радикальное отличие биологической эволюции от эволюции космического ландшафта. Изменение ландшафта, которое происходит при зарождении и раздувании нового пузыря, не носит инкрементального характера. Давайте рассмотрим этот процесс с точки зрения геологии. Геологически соседние долины различаются. Долина Аспен Вэлли в Скалистых горах лежит на высоте 2400 метров, что более чем на 600 метров ниже, чем Двойные озёра на другой стороне Перевала Независимости. Помимо разности высот, эти места различаются и своей природой. Если существует другая долина, настолько похожая на Аспен Вэлли, что мы, оказавшись в ней, не заметили бы разницы, то, скорее всего, она расположена очень далеко от неё.

То же самое касается и космического ландшафта. Высоты соседних долин не совсем одинаковые. И это может привести к тому, что соседние долины будут отличаться набором бран или потоков, что, в свою очередь, приведёт к различиям в списке элементарных частиц, другим значениям фундаментальных констант и даже размерности пространства. Когда вакуум-родитель порождает пузыря-потомка, результатом будет скорее чудовищная мутация, а не небольшое инкрементальное отличие.

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

Новым является то, что теория струн даёт нам математическое обоснование возможности существования огромного количества долин с разнообразными свойствами вакуума в них. Многих физиков этот факт очень тревожит. Но наиболее серьёзные струнные теоретики признают, что эта аргументация выглядит достаточно солидно.

Рассмотрим последние этапы космической эволюции нашего фрагмента пространства, непосредственно предшествующие современной эпохе инфляции, последующего разогрева и возникновения жизни. Откуда мы пришли, перед тем как упали с инфляционного обрыва? Наиболее разумный ответ: из соседней долины, лежащей на большей высоте. Чем эта долина отличается от нашей? Теория струн способна дать ответ и на этот вопрос: потоки имели другие значения, браны были расположены по-другому и модули компактификации отличались от наших. Возможно, в процессе похода через горы к обрыву часть бран аннигилировала друг с другом, а остальные перестроились, потоки сместились, а сотни модулей изменились, чтобы создать новый вариант машины Руба Голдберга. И с новым порядком пришли новые Законы Физики.

 

Парадоксальные отношения между детьми и родителями

В общей теории относительности Эйнштейна могут существовать такие решения, которые бросают вызов нашей способности представлять различные геометрические формы и их отношения. Ярким примером такого решения служат чёрные дыры. Ещё один чрезвычайно интересный и любопытный пример – это геометрия пространства внутри раздувающихся пузырей. Снаружи пузырь выглядит как расширяющаяся сфера, окружённая доменной стенкой или мембраной. Энергия, высвобождающаяся за счёт процессов, происходящих внутри пузыря, преобразуется в кинетическую энергию быстро ускоряющейся доменной стенки. Спустя некоторое время пузырь будет расширяться практически со скоростью света. Можно было бы ожидать, что наблюдатель внутри пузыря будет видеть конечный мир, который в каждый момент ограничен расширяющейся стенкой. Но это не так. Вид изнутри пузыря оказывается совершенно неожиданным.

В пятой главе мы познакомились с тремя основными типами расширяющейся вселенной: закрытой и ограниченной вселенной Александра Фридмана, плоской вселенной и открытой вселенной с отрицательной кривизной пространства. Все три стандартных типа вселенных однородны и ни один из них не имеет края или стенки. Можно было бы подумать, что обитатель пузыря обнаружит расширяющуюся доменную стенку и придёт к выводу, что его вселенная не относится ни к одному из трёх стандартных типов. Это ошибочное предположение, потому что на самом деле обитатель пузыря будет наблюдать вокруг себя бесконечную открытую вселенную с отрицательной кривизной пространства! Как конечный расширяющийся пузырь может выглядеть изнутри бесконечной вселенной?! Это пример одного из удивительных парадоксов неевклидовой эйнштейновской геометрии.

Я постараюсь дать вам некоторое представление о том, как разрешается этот парадокс. Начнём с карты Земли. Сферическая поверхность Земли не может быть отображена на плоскости без искажений. Например, в проекции Меркатора Гренландия выглядит почти столь же большой, как Северная Америка, и много большей, чем Южная Америка и Африка. Конечно же, она и близко не так велика, как эти континенты. Но для отображения поверхности Земли на плоскость такое искажение масштаба необходимо.

То же самое получится, если мы пытаемся отобразить на плоскость поверхность с отрицательной кривизной. Нарисовать такое пространство непросто, но к счастью, один знаменитый художник уже сделал эту работу. «Ангелы и дьяволы» Эшера представляют собой не что иное, как изображённое на плоском листе бумаги пространство с отрицательной кривизной. В исходном пространстве все ангелы имеют один и тот же размер, и то же самое касается и демонов.

Представьте себе вместо ангелов галактики и вы получите представление о вселенной с отрицательной кривизной. Для того чтобы изобразить такую вселенную на плоскости, пришлось исказить масштаб, сделав объекты на краю меньше, чем объекты в центре.

На самом деле расстояние от центра пространства до границы является бесконечным. Чтобы добраться до края, необходимо пройти мимо бесконечного количества демонов (или ангелов). А поскольку каждый демон имеет тот же размер, что и все остальные, расстояние тоже оказывается бесконечным. Тем не менее все это бесконечное пространство умещается внутри круга, когда он отображается на плоскость. Имея это в виду, не так уж трудно представить себе бесконечные геометрии, вписывающиеся в конечные пузыри.

Особенно странным выглядит то, что если астроном захочет изучить расширяющиеся доменные стенки, он обнаружит, что они находятся бесконечно далеко. Внутри пузыря пространство оказывается безграничным, несмотря на то что в любой момент времени внешний наблюдатель видит пузырь как ограниченную сферу. Нельзя сказать, что астроном внутри пузыря не может обнаружить свет, приходящий от доменной стенки, потому что этот свет исходит не от границы пространства, а скорее от границы времени – момент его испускания соответствует моменту Большого взрыва, происшедшего в далёком прошлом. Это наиболее парадоксальная ситуация – бесконечно расширяющаяся вселенная внутри конечного расширяющегося пузыря.

Зная, что мы живём в открытой Вселенной с отрицательной кривизной, можно предположить, что наша карманная вселенная эволюционировала от чего-то, что в прошлом представляло собой пузырь в экспоненциально расширяющемся пространстве. Это утверждение выглядит достаточно логичным и непротиворечивым, но подтвердить его, по-видимому, невозможно. Наблюдаемая Вселенная слишком велика, и пока что мы видели только малую её часть. Мы даже не имеем достаточно данных, чтобы наверняка утверждать, искривлённая она или плоская.

А что можно сказать о нашей Вселенной сегодня? Может ли расширяющийся пузырь альтернативного вакуума возникнуть внутри нашей Вселенной и поглотить её? И что произойдёт с нами, если нас проглотит такой пузырь? Ответ, который сегодня предлагает теория струн, состоит в том, что мы в одночасье окажемся в среде, в которой жизнь будет невозможной. Как вы помните, все наблюдательные данные указывают на то, что космологическая постоянная и, соответственно, энергия вакуума в нашем мире чрезвычайно малы. Но нет никаких причин, по которым внутри нашей Вселенной не мог бы возникнуть пузырь, обладающий ещё меньшей энергией вакуума. Ещё мы знаем, что есть такие места на Ландшафте, а именно кладбища вселенных: суперсимметричные области, где космологическая постоянная равна нулю. Если подождать достаточно долго, то мы окажемся именно в таком вакууме. К сожалению, как я объяснил в главе 7, даже такие инопланетные формы жизни, как суперструнные теоретики, вероятно, не смогли бы выжить в суперсимметричном мире. Суперсимметричная вселенная может быть чрезвычайно элегантной, но Законы Физики в таком мире не допускают существования обычной химии. Суперсимметричный мир – это не просто кладбище Вселенной, это – смертный приговор любой жизни на химической основе.

Если перспектива быть в конечном итоге проглоченными враждебной суперсимметричной средой неизбежна, то хотя бы сколько времени это займёт? Может ли это случиться завтра, в следующем году, через миллиард лет? Как и любая квантовая флуктуация, это может произойти в любой момент. Квантовая механика говорит только о среднем времени ожидания этого момента или о вероятности того, что это произойдёт в ближайшее время. На самом деле это вряд ли произойдёт в ближайший миллиард, триллион или квадриллион лет. Лучшие оценки показывают, что наш мир будет существовать ещё по крайней мере гуголплекс лет, а возможно, и дольше.

 

Два взгляда на историю

Сложно вообразить себе, что концепция населённого ландшафта может оказаться неверной, поскольку она следует из проверенных принципов. Тем не менее существуют серьёзные возражения против неё, вызывающие интерес. Пожалуй, самый неудобный вопрос, который может служить обобщением всей критики населённого ландшафта, можно сформулировать следующим образом:

«Вы утверждаете, что все прочие карманные вселенные лежат за горизонтом. По определению горизонт разделяет мир на две области, которые не могут никаким образом обмениваться информацией друг с другом, то есть они друг для друга абсолютно ненаблюдаемы. Означает ли это, что другие карманы принципиально необнаружимы? Если да, то в чём состоит отличие их существования от их несуществования для нас? Почему мы должны считать существующими миры, которые никаким образом не связаны с нами, о которых мы никогда не сможем узнать и которые не оказывают на нас никакого воздействия? В этом разрезе идея населённого ландшафта относится скорее к метафизике, чем к физике».

Поскольку я считаю этот вопрос крайне важным, я посвятил ему всю следующую главу. На самом деле я легко мог бы написать даже целую книгу на тему горизонта событий и, вероятно, скоро так и сделаю. Но сейчас давайте просто сравним два способа изложения истории Вселенной. Первый способ тесно связан с обычными наблюдениями. Мы наблюдаем Вселенную изнутри при помощи телескопов, располагающихся на поверхности Земли. Даже при наблюдениях из космоса, со спутника, результаты наблюдений всё равно возвращаются на Землю для анализа.

Наблюдения, производимые с Земли, ограничены объектами, расположенными до горизонта. Не только мы не видим ничего за горизонтом, но и ничто, находящееся за горизонтом, не может оказать на нас никакого влияния. Так почему бы не построить теорию, которая ограничивает область своего применения нашим обычным наблюдаемым пространством? Это прекрасный прагматичный взгляд, и я его горячо одобряю.

Какова же история Вселенной с точки зрения типичного земного наблюдателя? Хорошей отправной точкой может служить фрагмент пространства, оказавшийся в потенциальной ловушке в некоторой высокогорной долине. Чрезвычайно большая энергия вакуума приводит к появлению силы всемирного отталкивания, которая настолько велика, что мгновенно разрывает на куски даже субатомные частицы, такие как протоны. Мы видим, что наш изначальный мир чрезвычайно суров. К тому же он очень мал: горизонт событий находится в нём на расстоянии не большем, чем радиус протона, и доступные наблюдателю расстояния – микроскопические; возможно, они ненамного больше планковской длины. Очевидно, что никакой реальный наблюдатель не сможет выжить в этой среде, но давайте пока игнорировать этот факт.

Через некоторое время пузырь начинает раздуваться, увеличивая доступную для наблюдения область пространства. Наблюдатель обнаруживает себя в окружении несколько более дружелюбной среды: космологическая постоянная уменьшается, а горизонт увеличивается. Тем не менее космологическая постоянная в новой долине всё ещё слишком велика для комфортного существования. Но пузырь снова раздувается, что приводит к дальнейшему уменьшению космологической постоянной. Такие резкие изменения могут происходить несколько раз. Наблюдатель последовательно проходит через целую череду миров, непригодных для жизни. В конце концов пузырь оказывается на нулевой высоте, с нулевой энергией вакуума, в полностью суперсимметричном мире. Пузырь эволюционирует до открытого мира с отрицательной кривизной, и на этом его эволюция завершается. Вероятность того, что в процессе эволюции от начального состояния до кладбища вселенных пузырь пройдёт через состояние, пригодное для возникновения жизни, чрезвычайно мала.

Но давайте предположим, что пузырь всё-таки пройдёт в своей эволюции стадию вселенной, близкой по параметрам к нашей, прежде чем свалится в суперсимметричное кладбище. Это очень маловероятно, учитывая, насколько редки удовлетворяющие нас долины, но это может случиться. Разовьётся ли в нём жизнь? Это очень сильно зависит от того, каким путём наш фрагмент пространства оказался в благоприятной для жизни долине. Одним из огромного количества вариантов является сваливание пузыря в долину с инфляционного обрыва. Это хорошо. Инфляция приводит к возникновению гостеприимной вселенной. Но если фрагмент пространства попадает в долину другим путём, тогда наша ставка проиграна. Если пузырь не задержится на некоторое время на краю обрыва, вселенная, скорее всего, никогда не получит достаточно тепла и вещества для формирования звёзд, галактик, планет и в конечном итоге – возникновения жизни.

С точки зрения наблюдателя, который видит сменяющую друг друга череду условий, заканчивающуюся на кладбище вселенных, вероятность возникновения жизни крайне мала. Но теперь давайте представим, что мы могли бы оказаться снаружи нашей Вселенной и увидеть Мегаверсум в целом. При взгляде из Мегаверсума история – это не последовательность событий. История Мегаверсума – это огромное количество параллельных процессов, множество эволюционирующих параллельных карманных вселенных. По мере эволюции Мегаверсума карманные вселенные заполняют весь Ландшафт. Поэтому видится совершенно неизбежным, что какая-то, пусть и очень малая, часть этих вселенных окажется в процессе своего развития на обрыве, упав с которого окажется в долине, пригодной для жизни, наполнившись в процессе падения веществом и энергией. Кого заботят остальные миры, для которых всё закончится плохо? Жизнь возникнет там, где это возможно, и только там, где это возможно.

Ещё раз о полезности биологической аналогии. Представьте себе дерево жизни, каждая ветвь которой представляет отдельный вид. Если вы будете подниматься по этому дереву, начиная от ствола, и будете случайным образом сворачивать на каждой развилке, вы очень быстро доберётесь до конца последней ветки, символизирующего вымирание вида. Любой вид рано или поздно вымирает, но если скорость возникновения новых видов превышает скорость их исчезновения, дерево продолжает жить и разрастаться. Исследуя любой один конкретный путь развития конкретного вида от возникновения до вымирания, вы, скорее всего, придёте к выводу, что вероятность возникновения разумной жизни равна нулю. Но рассматривая дерево в целом как растущий и развивающийся организм, мы с уверенностью можем сказать, что рано или поздно оно породит ветвь разумного вида. Как мы видим, параллельное представление эволюции приводит к гораздо более оптимистичным выводам.

 

Многомирие

Что было бы, если бы Германия победила во Второй мировой войне? Или как выглядела бы сегодня жизнь, если бы астероид, 65 миллионов лет назад убивший динозавров, пролетел мимо Земли? Идея параллельных миров, расходящихся разными путями в критических точках исторического процесса, – излюбленная тема писателей-фантастов. Однако в настоящей науке я всегда отвергал подобные идеи как легкомысленную чушь. И вдруг, к своему удивлению, я обнаружил, что говорю и думаю о подобных вещах. Фактически вся моя книга как раз и посвящена параллельным вселенным: Мегаверсум представляет собой мир карманных вселенных, изолированных друг от друга, из-за того что они оказываются за пределами горизонтов друг друга.

Я далеко не первый физик, который всерьёз рассматривал возможность того, что реальность – что бы ни означало это слово – содержит помимо нашего собственного огромное количество альтернативных миров с историями, отличными от истории нашего мира. Этот вопрос является частью продолжающейся по сей день дискуссии об интерпретации квантовой механики. Где-то в середине 1950-х годов молодой аспирант Хью Эверетт III предложил радикально отличающуюся от принятой тогда интерпретацию квантовой механики, которую он назвал многомировой интерпретацией. Гипотеза Эверетта утверждает, что на каждом перекрёстке истории мир ветвится на множество параллельных вселенных, каждая из которых имеет свою альтернативную историю. Хотя это звучит как махровая спекуляция, некоторые из величайших физиков современности были доведены странностями квантовой механики до того, чтобы принять идеи Эверетта. Среди них Ричард Фейнман, Мюррей Гелл-Манн, Стивен Вайнберг, Джон Уилер и Стивен Хокинг. Многомировая интерпретация послужила источником вдохновения для антропного принципа, который впервые сформулировал в 1974 году Брэндон Картер.

На первый взгляд многомировая интерпретация Эверетта имеет мало общего с вечной инфляцией Мегаверсума. Однако мне думается, что это практически одно и то же. Я уже неоднократно подчёркивал, что квантовая механика не предсказывает поведение системы в будущем на основе её состояния в прошлом. Вместо этого она предсказывает вероятность реализации того или иного исхода эксперимента, или, правильнее, вероятность результата наблюдения. Эта вероятность описывается фундаментальным математическим объектом квантовой механики – волновой функцией.

Если вы немного знакомы с квантовой механикой и в курсе, что Шрёдингер открыл волновое уравнение, описывающее поведение электронов, то вы слышали и о волновой функции. Я хотел бы, чтобы вы забыли всё это. Волновая функция Шрёдингера представляет собой очень частный случай гораздо более общей концепции, и именно на этой более общей идее я хочу сейчас заострить ваше внимание. В любой момент, например прямо сейчас, есть многое на свете, друг читатель, что можно наблюдать в подлунном мире. Я мог бы поднять взгляд на окно над моим рабочим столом и посмотреть, не взошла ли луна. Или я мог бы сидеть и планировать эксперимент с двумя щелями (см. главу 1), а затем наблюдать расположение пятен на экране. Ещё один эксперимент мог бы состоять в наблюдении за нейтроном, который был «приготовлен» в определённое время, скажем, десять минут назад. Как вы помните из главы 1, нейтроны, не связанные в ядре, неустойчивы. В среднем (но только в среднем) нейтрон распадается в течение двенадцати минут на протон, электрон и антинейтрино. В этом случае суть наблюдения могла бы состоять в том, чтобы определить, распался нейтрон по истечении десяти минут или по-прежнему пребывает в первоначальном виде. Каждый из этих экспериментов предполагает более одного возможного результата. В самом общем смысле волновая функция представляет собой список вероятностей для всех возможных результатов всех возможных наблюдений состояний рассматриваемой системы. Если быть более точным, то она представляет собой список квадратных корней всех этих вероятностей.

Распад нейтрона является хорошей иллюстрацией для начала разговора о волновой функции. Для упрощения рассуждений предположим, что эксперимент по наблюдению нейтрона может иметь только два исхода: нейтрон либо распался, либо нет. Список вероятностей в этом случае будет очень коротким – в нём будет только две записи для волновой функции. Если первоначально нейтрон находится в нераспавшемся состоянии, то список значений его волновой функции будет состоять из двух записей: 1 и 0. Другими словами, вероятность, что первоначально нейтрон находится в нераспавшемся состоянии, равна 1, а вероятность того, что он распался, равна 0. Но уже через короткое время появляется крохотная вероятность, что нейтрон распадётся. Теперь две записи значений волновой функции в нашем списке будут отличаться от 1 и 0. Первое значение будет чуть меньше 1, а второе – чуть больше 0. Чуть больше чем через десять минут эти вероятности сравняются, а ещё через десять минут они поменяются местами: вероятность того, что нейтрон остался целым, будет стремиться к нулю, а вероятность того, что он распался на протон, электрон и антинейтрино, – к единице. Квантовая механика содержит ряд правил, позволяющих рассчитать эволюцию волновой функции со временем. В своей наиболее общей форме волновая функция описывает систему, включающую в себя всё: всю наблюдаемую Вселенную, включая наблюдателей, проводящих эксперименты. Так как в этой системе может быть более одного сгустка материи, который может быть назван наблюдателем, теория должна быть самосогласованной в отношении описания всех процессов наблюдений. Волновая функция содержит полное квантово-механическое описание системы, и, следовательно, нам необходимо доказать согласованность теории, например, для случая, когда два наблюдателя встречаются в одном месте, чтобы обсудить результаты своих наблюдений.

Рассмотрим наиболее известный из всех мысленных экспериментов – знаменитый (или я должен сказать «печально известный»?) эксперимент с котом Шрёдингера. Представьте себе, что в полдень, в 12:00, кот помещается в закрытый ящик вместе с нейтроном и пистолетом. Когда нейтрон распадается (случайно), образующийся при распаде электрон активирует цепь, которая вызывает пистолетный выстрел, убивающий кота.

Практикующий квантовый механик – назовём его Ш. – пытается проанализировать эксперимент, написав волновую функцию – список вероятностей для различных результатов. Ш. не может учесть всю Вселенную, поэтому он ограничивает описание системы только теми объектами, которые находятся внутри ящика. Моменту полудня соответствует только одна запись: «Кот жив, нейтрон цел, пистолет заряжен». После этого Ш. проделывает некие математические манипуляции, чтобы решить уравнение и узнать, что будет дальше. Но результат его вычислений не является точным предсказанием, будет кот жив или мёртв. Результатом будет новое значение волновой функции, которая теперь состоит из двух записей: «Кот жив, нейтрон цел, пистолет заряжен» и «Кот мёртв, нейтрон распался, пистолет выстрелил». Волновая функция расщепляет ход истории на две ветви: «живую» и «мёртвую», а её численные значения являются квадратными корнями из вероятностей реализации этих двух исходов.

Ш. может открыть ящик и проверить, жив кот или нет. Если кот жив, то Ш. может смело выбросить ветвь волновой функции, приводящую к смерти кота. Эта ветвь, если продолжить её дальше во времени, будет содержать всю информацию о мире, в котором кот был застрелен, но так как Ш. обнаружил кота живым, эта информация ему больше не нужна. Существует термин для процесса исчезновения побочных ветвей волновой функции при выполнении акта наблюдения. Его называют редукцией волновой функции. Это очень удобный трюк, позволяющий физику сосредоточиться только на тех вещах, которые впоследствии могут представлять интерес. К примеру, «живая» ветвь содержит информацию, которая может заинтересовать Ш. Если он проследит эту ветвь в будущее, он сможет определить вероятность того, что пистолет впоследствии случайно выстрелит и застрелит самого Ш. (что будет возмездием за издевательство над котом). Редукция волновой функции, происходящая при каждом акте наблюдения, является ключевым моментом знаменитой копенгагенской интерпретации квантовой механики, которую отстаивал Нильс Бор.

Но редукция волновой функции не является компонентом математического аппарата квантовой механики. Это некое дополнительное математическое правило, которое ввёл Бор для описания результата наблюдения. Это волюнтаристское правило стало головной болью для нескольких поколений физиков. По большей части проблема состоит в том, что Ш. ограничивает описываемую систему только теми объектами, которые находятся в ящике, но в конце эксперимента Ш. сам становится частью системы, производя акт наблюдения. Сегодня уже нет сомнений, что последовательное описание обязательно должно включать Ш. как часть системы. Вот как оно должно выглядеть.

Волновая функция теперь описывает всё, что находится в ящике, а также фрагмент физической материи, который мы называем Ш. Первоначальная волновая функция по-прежнему состоит только из одной записи, но теперь эта запись выглядит следующим образом: «Кот жив, пистолет заряжен, нейтрон цел, Ш. ничего не знает о здоровье кота». Спустя некоторое время Ш. открывает ящик. Теперь волновая функция состоит из двух записей: «Кот жив, пистолет заряжен, нейтрон цел, Ш. знает, что кот жив» и «Кот мёртв, пистолет выстрелил, нейтрон распался, Ш. знает, что кот мёртв». Как видите, нам удалось включить Ш. в описание системы без привлечения идеи редукции волновой функции.

Но теперь предположим, что у нас появился ещё один наблюдатель – назовём его Б. Б. отсутствовал в комнате в тот момент, когда Ш. проводил своё живодёрский эксперимент. Когда Б. открывает дверь, чтобы посмотреть, что происходит в лаборатории, он видит один из двух исходов. Поскольку нет никакого смысла в отслеживании нереализованной ветви, получается, что появление Б. приводит к редукции волновой функции. Похоже, что нам не избежать этой лишней операции. Но давайте попробуем включить в волновую функцию и Б. Отправной точкой будет система, включающая всё, что находится в ящике, и два сгустка материи, называемые Ш. и Б. Начальное состояние системы теперь будет описываться так: «Кот жив, пистолет заряжен, нейтрон цел, Ш. ничего не знает о здоровье кота, и Б. ничего не знает о здоровье кота». Когда Ш. открывает ящик, волновая функция расщепляется на две ветви: «Кот жив, пистолет заряжен, нейтрон цел, Ш. знает, что кот жив, и Б. ничего не знает о здоровье кота» и «Кот мёртв, пистолет выстрелил, нейтрон распался, Ш. знает, что кот мёртв, и Б. ничего не знает о здоровье кота». Наконец, когда Б. входит в комнату, первая ветвь волновой функции принимает вид: «Кот жив, пистолет заряжен, нейтрон цел, Ш. знает, что кот жив, и Б. знает, что кот жив». Я оставлю читателю возможность самому сформулировать описание остальных ветвей. Главное, что мы сумели описать эксперимент без привлечения редукции волновой функции.

А теперь предположим, что есть ещё один наблюдатель, именуемый Э. Ничего страшного. Вы наверняка уже поняли, по какому шаблону следует действовать: единственный способ избежать редукции волновой функции – включить в квантовое описание всю наблюдаемую Вселенную, а также все ветви её волновой функции. Предлагаемая интерпретация является альтернативой прагматичному правилу Бора, требующему завершать описание любого эксперимента редукцией волновой функции.

Эвереттовский способ представления волновой функции описывает бесконечное ветвящееся дерево всевозможных исходов. Большинство физиков – последователей Бора – представляло себе ветви волновой функции как математическую фикцию, за исключением одной-единственной ветви, которая остаётся после акта наблюдения. Редукция волновой функции является полезным инструментом для отсечения ненужных ветвей, но многие физики считают это правило произвольным вмешательством внешнего наблюдателя – процедурой, не основывающейся на базовом математическом аппарате квантовой механики. Почему математика должна включать в описание все возможные ветви, если их единственная роль – быть отброшенными на последнем этапе?

По мнению сторонников многомировой интерпретации, все ветви волновой функции одинаково реальны. На каждой развилке мир ветвится на две или более альтернативные вселенные, которые продолжают вечно существовать бок о бок. В представлении Эверетта реальность постоянно ветвится, но с одной оговоркой: различные ветви никогда не взаимодействуют друг с другом после того, как они разошлись. На «живой» ветви дух мёртвого кота никогда не будет преследовать Ш. в ночных кошмарах. Правило Бора – это просто трюк, позволяющий отрезать лишние ветви, которые вполне реально существуют, несмотря на то что не оказывают в будущем никакого воздействия на наблюдателя.

Стоит отметить ещё один момент. С течением времени мы на определённом этапе истории получаем невероятно разветвлённую волновую функцию, и в её описании присутствует невообразимое количество копий каждого возможного варианта развития событий. Рассмотрим бедного Б., пока он ещё не вошёл в комнату. Волновая функция, разветвляющаяся в момент, когда Ш. открывает ящик, разделяет историю всех входящих в описание системы объектов, в том числе и Б., на две ветви, причём состояние Б. в каждой из этих ветвей одинаково. Количество ветвей, содержащих вас, читающих эту книгу, практически бесконечно. В этом контексте понятие вероятности имеет смысл только как относительная частота различных результатов. Один из результатов является более вероятным, чем другой, если он присутствует в большем количестве ветвей.

С точки зрения эксперимента различий между многомировой и копенгагенской интерпретациями нет. Никто не спорит с тем, что на практике копенгагенское правило редукции волновой функции даёт правильные вероятности экспериментальных результатов. Но эти две интерпретации глубоко различаются в отношении философского смысла этих вероятностей. Копенгагенцы придерживаются консервативного взгляда, считая, что вероятность есть мера возможности получения определённого результата при проведении большого числа повторяющихся экспериментов. Представьте себе монету. Если монета «правильная», вероятность любого исхода (орёл или решка) равна одной второй. Это означает, что если подбросить монету достаточно большое количество раз, то примерно в половине случаев она упадёт решкой, а в половине – орлом. Чем больше количество подбрасываний, тем ближе полученный результат будет к идеальному соотношению 50 на 50. Подобные рассуждения применимы и при бросании игральной кости. Каждая из граней кости при достаточно большом числе бросаний будет выпадать (с точностью до погрешности) с частотой одна шестая. Обычно никто не применяет статистику к единственному броску монеты или игральной кости. Но многомировая интерпретация делает именно это. Она имеет дело с единичными событиями способом, комичность которого особенно хорошо видна на примере подбрасывания монеты. Идея, что при подбрасывании монеты мир расщепляется на два параллельных – мир орла и мир решки, – не кажется слишком перспективной.

Почему же физиков настолько беспокоят вероятности, которыми оперирует квантовая механика, что они вынуждены обращаться к таким странным идеям, как многомировая интерпретация? Почему Эйнштейн так настойчиво утверждал, что «Бог не играет в кости»? Чтобы понять то недоумение, которое вызывает квантовая механика, полезно спросить себя: «Почему в ньютоновском мире абсолютной определённости тем не менее возникает необходимость обращаться к статистическим методам?» Ответ прост: вероятности возникают в ньютоновской физике по той простой причине, что мы почти никогда не знаем точных начальных условий эксперимента. Если бы в эксперименте с подбрасыванием монеты мы имели точную информацию о строении и движении руки экспериментатора, информацию обо всех воздушных потоках в комнате и информацию обо всех других факторах, влияющих на исход эксперимента, никакие вероятности нам бы не потребовались. Каждый бросок приводил бы к совершенно определённому результату. Вероятность – это удобный трюк, позволяющий компенсировать нашу неосведомлённость о деталях эксперимента. Вероятность не играет фундаментальной роли в законах Ньютона.

Но в квантовой механике ситуация принципиально иная. Из-за принципа неопределённости не существует способа точно предсказать результат эксперимента – принципиально не существует. Основные уравнения квантовой теории определяют эволюцию волновой функции, и ничего более. Вероятность лежит в самом фундаменте квантовой теории. Это не удобный трюк, используемый для компенсации недостатка информации. Кроме того, уравнения, которые определяют эволюцию волновой функции, не предусматривают внезапного отсечения ненужных ветвей. Редукция волновой функции – это лишь удобный трюк.

Эта проблема становится особенно острой в космологическом контексте. Обычные эксперименты типа эксперимента с двумя щелями, который я описал в главе 1, можно повторять снова и снова, как и подбрасывание монеты. Каждый фотон, который проходит через экспериментальную установку, можно рассматривать как отдельный эксперимент. Проблема состоит не в необходимости накопления огромного количества статистических данных. Она состоит в том, что мы не можем набрать нужную статистику в космическом масштабе. Вряд ли мы сумеем повторить много раз Большой взрыв, чтобы собрать статистику о результатах. По этой причине многие космологи склоняются к философии многомировой интерпретации.

Пионерская идея Картера по объединению антропного принципа с многомировой интерпретацией состояла в следующем: предположим, что волновая функция ветвится не только при описании таких простых вещей, как местоположение электрона, распад нейтрона или жизнь и смерть кота, но в каждой ветви работают различные Законы Физики. Если предположить, что все ветви одинаково реальны, то получится, что существует множество миров с различными вакуумами. На современном языке мы могли бы сказать, что каждой точке на Ландшафте соответствует своя ветвь. Всё остальное ничем не отличается от того, что я уже рассказывал ранее в этой книге, за исключением того, что вместо различных областей Мегаверсума мы будем говорить о различных вариантах реальности. Чтобы пояснить основную мысль, я приведу цитату из главы 1, а затем изменю в ней несколько слов. Исходная цитата звучит так: «Где-то в Мегаверсуме эта константа имеет такое значение, а где-то – сякое. Мы живём в одном маленьком кармане, в котором значения констант таковы, что позволяют существовать жизни нашего типа». А вот изменённая цитата: «На какой-то из ветвей волновой функции эта константа имеет такое значение, а на какой-то – сякое. Мы живём на одной отдельной ветви, где значения констант таковы, что позволяют существовать жизни нашего типа». Хотя две цитаты кажутся похожими, они несут в себе две совершенно различные идеи существования альтернативных вселенных. Похоже, что у нас есть ещё один способ достижения разнообразия вселенных, которое могло бы придать смысл антропной аргументации. Я мог бы добавить, что разные сторонники антропного принципа имеют разные мнения о том, какая из версий теории параллельных вселенных правильна. Хотите знать моё мнение? Я считаю, что оба варианта являются взаимодополняющими описаниями одной и той же сущности.

Рассмотрим ситуацию более подробно. Ранее в этой главе я описал два представления вечной инфляции, параллельное и последовательное. Параллельное представление признаёт существование гигантского Мегаверсума, наполненного неисчислимыми карманными вселенными, которые, будучи отделены друг от друга горизонтами, не взаимодействуют друг с другом. Это представление созвучно многомировой интерпретации Эверетта. А как насчёт последовательного представления?

Рассмотрим один пример. Представим сформировавшийся пузырь пространства, свойства которого определяются его положением в одной из долин Ландшафта. Для удобства дадим названия всем соседним долинам. Пусть долина, в которой находится пузырь, называется Центральной долиной. К востоку и западу от неё лежат Восточная и Западная долины, каждая – несколько ниже Центральной. С Западной долины можно добраться до ещё двух близлежащих долин, одну из которых мы назовём Шангри Ла, а другую – Долиной смерти. Долина смерти на самом деле не долина, а довольно плоское плато, расположенное на нулевой высоте. Восточная долина также имеет несколько соседей, до которых легко добраться, но мы не будем озадачиваться их названиями.

Представьте, что вы находитесь в Центральной долине, в то время как ваша карманная вселенная находится в стадии инфляционного раздувания. Из-за того, что поблизости находятся долины, лежащие на более низком уровне, вакуум вашей долины является метастабильным: в любой момент в нём может возникнуть пузырь, который поглотит вас. Итак, вы осматриваетесь и изучаете свойства окружающего вас пространства. Вы можете обнаружить, что всё ещё находитесь в Центральной долине, или понять, что уже совершили переход в Восточную или Западную долину. Долина, которую вы в данный момент населяете, определяется случайным образом согласно законам квантовой механики, во многом таким же образом, как квантовая механика определяет судьбу кота Шрёдингера.

Предположим теперь, что вы обнаружили себя в Западной долине. С тем же успехом вы могли бы отбросить ветвь вашей волновой функции, которая соответствует Восточной долине. Она не имеет никакого значения для вашего будущего. Спустя время, если вам повезёт, вас может поглотить пузырь, свойства пространства которого определяются благоприятной для жизни долиной Шангри Ла. Но вы с таким же успехом можете оказаться и в Долине смерти. На каждом перекрёстке Бор и его копенгагенская банда подскажут вам, как рассчитать вероятность для каждого исхода. Затем они поручат вам произвести редукцию волновой функции, для того чтобы избавиться от сверхнормативного багажа тех ветвей, которые не соответствуют исходу вашего эксперимента. Вот это и есть последовательное представление.

Моё мнение вам, должно быть, уже очевидно. Последовательное представление – когда вы постоянно остаётесь в пределах горизонта вашей карманной вселенной, наблюдая события и избавляясь от ненужного багажа, – это боровская интерпретации квантовой механики. Параллельное представление Мегаверсума, наполненного множеством невзаимодействующих карманных вселенных, соответствует интерпретации Эверетта. Я нахожу в этом соответствии приятную логичность. Возможно, в конце концов мы обнаружим, что квантовая механика имеет смысл только в контексте ветвящегося Мегаверсума и что Мегаверсум имеет смысл только как ветвящаяся реальность эвереттовской интерпретации.

Независимо от того, говорим мы на языке Мегаверсума или многомировой интерпретации, параллельное представление совместно с гигантским ландшафтом теории струн даёт нам два элемента, которые способны превратить антропный принцип из глупой тавтологии в мощный инструмент познания. Но параллельное представление основывается на предположении о реальности существования областей пространства и времени, которые всегда находятся вне досягаемости для любых мыслимых способов наблюдений. У некоторых людей это вызывает чувство тревоги. Меня это тоже беспокоит. Если безбрежное море карманных вселенных действительно находится за недостижимыми горизонтами, то параллельное представление и вправду видится больше метафизикой, чем наукой. Следующая глава будет целиком посвящена горизонтам и вопросу, действительно ли они являются непреодолимыми барьерами.