Книга: Почему небо темное. Как устроена Вселенная

2.8. За пределами нашей Вселенной

2.8. За пределами нашей Вселенной

Как мы увидели в предыдущем параграфе, наша Вселенная — довольно странное место. Действительно, ее крупномасштабные характеристики выглядят произвольными — почему, например, в ней именно столько темной материи и темной энергии, почему барионное вещество — это лишь небольшая «примесь» к другим ее составляющим, почему она столь велика или, в зависимости от вкуса, столь мала? Подобных вопросов можно задавать много. Кажется естественным, что рано или поздно мы должны узнать ответы, например, построив некую фундаментальную теорию, в которой все особенности Вселенной будут объяснены, так сказать, «из первых принципов». Однако уже сейчас существует подход, называемый антропным принципом, позволяющий ответить на подобные вопросы. С выводами, следующими из антропного принципа, можно не соглашаться, однако они, несомненно, очень интересны.

Давайте представим себе, что мы находимся в далеком прошлом, когда не было известно о существовании других звезд и планет. Проницательный исследователь, размышляя об окружающем его мире, мог бы обратить внимание на то, что этот мир удивительно комфортен для человека[31].

Эти удобства можно перечислять долго — например, на Земле тепло, полно пищи, легко найти естественные укрытия от непогоды и от разнообразных опасностей, реки и моря дают возможности для далеких путешествий. Если не считать, что все это кем-то создано специально для человека, то можно сделать вывод, что существует огромное количество других миров с самыми разнообразными температурными режимами и условиями для жизни, а мы живем в том мире, где условия для нас подходят.

Возможно, отчасти подобная логика привела ряд античных философов к выводу о множественности других, в том числе обитаемых, миров. Например, в III в. н. э. Ипполит так описывает взгляды философа-атомиста Демокрита: «Миры бесконечны по числу и отличаются друг от друга по величине. В одних из них нет ни солнца, ни луны, в других — солнце и луна большие, чем у нас, в третьих — их не по одному, а несколько. Расстояния между мирами не одинаковые; кроме того, в одном месте миров больше, в другом — меньше… В одном месте миры возникают, в другом — идут на убыль… Некоторые из миров лишены животных, растений и какой бы то ни было влаги».

В неподходящих условиях жизнь просто не появилась бы, и не было бы наблюдателей, рассуждающих о комфортности окружения. Создание гелиоцентрической системы, превратившее Землю в рядовую планету, а также открытие в последние годы огромного числа планет у других звезд, — все это подтвердило приведенные выше рассуждения.

Теперь вместо Земли рассмотрим Вселенную — насколько она уютна для нашего существования? Оказывается, очень! Самые разнообразные ее характеристики замечательным образом «подогнаны» для того, чтобы могла существовать жизнь, подобная земной. Например, все знают, что в нашем мире 3 пространственных измерения. Это не случайно. Как показал еще в начале XX века Пауль Эренфест, только в трехмерном мире возможно существование устойчивых планетных орбит и устойчивых атомов. Маленькое изменение массы электрона или разности масс протона и нейтрона привело бы к тому, что атом водорода стал бы нестабилен и основным веществом во Вселенной стали бы атомы гелия. Эволюция звезд радикально изменилась бы, и возникновение жизни стало бы невозможно. В физике еще много других эффектных примеров зависимости нашего мира от «шевеления» фундаментальных констант. Например, сильное увеличение скорости света приведет к тому, что при фиксированной энергии фотона, задаваемой разностью энергий атомных уровней, его импульс уменьшится, длина волны увеличится, изменится сечение рассеяния фотонов электронами. В итоге фотоны практически перестали бы взаимодействовать с веществом и, как пишет российский физик Л. Б. Окунь, «не было бы ни Солнца, ни электрической лампочки, чтобы светить, ни глаза, чтобы видеть».

Итогом подобного анализа является заключение, что наш мир имеет относительно небольшой запас прочности по отношению к изменению фундаментальных констант. Размышляя, подобно нашему древнему мыслителю, о «комфортности» Вселенной, можно сделать простой вывод — возможно, существует очень большая последовательность вселенных, в которых реализуются самые разнообразные наборы физических констант, и мы живем в той из них, в которой условия благоприятны для появления жизни земного типа. Это утверждение, по сути, почти тривиальное, и есть антропный принцип. На самом деле существуют десятки вариантов формулировки принципа, но в дальнейшем я буду иметь в виду лишь эту.

Антропный принцип обычно связывают с именем английского астрофизика Брэндона Картера. В 1974 году он предложил это название для утверждения, что то, что мы ожидаем получить из наблюдений, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя. Скажем, мы не можем ожидать, что получим из наблюдений, что нейтрон в два раза легче протона, поскольку это противоречит существованию атомов и молекул и, следовательно, жизни нашего типа. Картеру принадлежит удачное название, однако он не был первооткрывателем самого принципа. В разном обличье эти соображения высказывались и использовались задолго до него. Например, Эдгар По использовал сходные рассуждения для обоснования большого размера и возраста Вселенной (см. предыдущую главу). Дух антропного принципа можно усмотреть и в построениях Людвига Больцмана, описавшего огромную Вселенную, в которой то тут, то там возникают гигантские статистические флуктуации, условия в которых очень сильно отличаются от средних. Если в какой-либо флуктуации существуют мыслящие существа, то они обнаружат, что их существование связано с крайне маловероятными условиями, сложившимися в пределах флуктуации и сильно отличающимися от окружающих областей Вселенной. В 1960-е годы четкие формулировки антропного принципа высказали советский космолог А. Л. Зельманов и американец Роберт Дикке.

Что нам дает антропный принцип? Как ни странно, у столь общего утверждения, есть вполне конкретные достижения. Например, я уже упоминал, что Стивен Вайнберг задолго до результатов групп Перлмуттера и Шмидта использовал его для обоснования большого значения космологической постоянной. Замечательным применением антропного принципа (по крайней мере так об этом пишут во многих учебниках по космологии) считают и предсказание Фредом Хойл ом в 1953 году существования энергетического уровня ядра углерода с энергией возбуждения 7.65 МэВ. Без этого уровня углерод образовывался бы в звездах гораздо менее эффективно, и наша Вселенная была бы столь им бедна, что возникновение жизни на основе углерода стало бы невозможным. Примерно через неделю после этого предсказания уровень возбуждения 7.65 МэВ был действительно открыт в эксперименте! Еще одним предсказанием антропного принципа может считаться и существование Мультивселенной[32] — совокупности огромного количества вселенных, в каждой из которых реализуется свой набор значений физических констант.

Мультивселенная — концепция довольно старая. Например, что-то подобное можно найти у Эдгара По в «Эврике»: «существует некая беспредельная последовательность Вселенных, более или менее подобных той, о которой мы имеем осведомленность…», «не имея доли в нашем происхождении, они не имеют доли в наших законах. Ни они не притягивают нас, ни мы их… Между ними и нами… нет влияний взаимных…». Своего рода Мультивселенной является и упоминавшийся выше мир Больцмана, состоящий из огромного числа отдельных «вселенных-флуктуаций».

Мультивселенная — благодатное поле деятельности и для писателей-фантастов, герои произведений которых часто скачут из вселенной во вселенную на суперзвездолетах (иногда, правда, авторы путают галактики и вселенные). Кстати, одно из первых художественных описаний своеобразной Мультивселенной было дано знаменитым польским писателем Станиславом Лемом в «Новой космогонии» (1971 год). «Новая космогония» — это речь вымышленного лауреата Нобелевской премии Альфреда Тесты, в которой он описывает Вселенную, разбитую на отдельные «ячейки». Внутри ячеек существуют «различные разновидности физики» и «цивилизации могли возникнуть лишь в немногих очагах, значительно удаленных друг от друга». Собственно фантастика начинается дальше, когда Теста описывает эволюцию такой Вселенной как своего рода состязание или игру сверхцивилизаций, возникших в некоторых из ячеек, по переделке законов физики внутри своих ареалов обитания и во Вселенной в целом.

Все написанное выше можно отнести к общим рассуждениям. Есть ли какие-нибудь физические основания в поддержку существования Мультивселенной? Первые свидетельства такой возможности появились в теории инфляции. Эта теория возникла на рубеже 1970–1980-х годов усилиями ряда российских и зарубежных физиков-теоретиков (Алексей Старобинский, Андрей Линде, Алан Гут и др.). К этому времени в космологии накопился ряд проблем, неразрешимых в рамках стандартной фридмановской космологии. Например, каким образом во Вселенной установилось однородное и изотропное распределение материи на больших масштабах, почему разные, очень далеко разнесенные и причинно не связанные области Вселенной имеют одинаковые свойства, почему глобальная геометрия нашего мира близка к евклидовой? Теория инфляции успешно разрешила эти и другие проблемы фридмановской космологии, но, естественно, породила новые.

Основой теории инфляции является представление о существовании так называемого скалярного поля — особого вида материи, обладающего огромной плотностью и отрицательным давлением. Отрицательное давление означает, что эта среда порождает мощные силы гравитационного отталкивания. Скалярное поле испытывает квантовые флуктуации и в нем возникают области с большими значениями поля, которое начинает вести себя как космологическая постоянная и которое приводит к возникновению быстро расширяющихся областей.

В самом начале эволюции нашей Вселенной, еще до стадии Большого взрыва, был период такого сверхбыстрого ускоренного расширения (или раздувания) — инфляции. Инфляция длилась ~10^-34 с, и за это время размер флуктуации вырос в огромное, невообразимое число раз. В некоторых вариантах теории этот рост составляет 10¹⁰¹⁰ раз! В итоге, в конце инфляционной стадии исходная флуктуация плотности, имевшая так называемый планковский масштаб (~10^-33 см), вырастает до колоссальных размеров, во много раз превышающих размер доступной наблюдениям современной Вселенной. Это объясняет однородность и изотропию, а также плоскую геометрию Вселенной — она представляет собой лишь крошечную часть чего-то гораздо большего, подобно тому, как небольшой участок поверхности огромного шара в первом приближении можно считать плоским, хотя сам шар, естественно, сильно искривлен.

В конце инфляции скалярное поле распадается, энергия поля переходит в энергию обычного вещества и возникает то, что уже знакомо по космологии Фридмана, — расширяющийся по инерции (начальные скорости расширения сформировались в конце стадии инфляции) сверхплотный сгусток элементарных частиц. Тем самым, можно сказать, что стадия инфляции подготавливает горячий Большой взрыв, создавая высокотемпературную плазму и заставляя новорожденную Вселенную расширяться (рис. 44). Или, другими словами, расширение Вселенной — следствие условий, сложившихся по окончании стадии инфляции, а сама инфляция — следствие определенных свойств скалярного поля. В настоящую эпоху Вселенная начинает потихоньку разгоняться под действием другого скалярного поля — того, что выше обсуждалось под названием «темная энергия»[33].

Рис. 44. Основные этапы эволюции нашей Вселенной: Вселенная возникла в ходе квантовой флуктуации скалярного поля почти 14 млрд лет назад, затем последовала фаза инфляции, примерно через 400 000 лет после начала сформировалось наблюдаемое сейчас реликтовое излучение, первые звезды и галактики начали образовываться через несколько сотен миллионов лет и, наконец, несколько миллиардов лет назад торможение расширения Вселенной начало постепенно сменяться ускоренным расширением под влиянием темной энергии. (Рисунок с сайта map.gsfc.nasa.gov.)

Представим себе, что скалярное поле неоднородно и его плотность случайным образом меняется, тогда в тех областях, где поле большое, начинается инфляция и возникают, по словам А. Линде, «острова в первичном хаосе» — другие вселенные. Следовательно, в таком варианте инфляционной теории мы естественным образом приходим к картине Мультивселенной, в которой наша Вселенная — лишь одна из многих. Вот как об этом написал сам автор модели хаотической инфляции Андрей Линде: «В результате квантовых скачков скалярных полей вселенная оказывается разделенной на бесконечное множество экспоненциально больших областей с различными законами физики при малых энергиях. Каждая из этих областей настолько велика, что практически может рассматриваться как отдельная вселенная: существа, ее населяющие, будут жить экспоненциально далеко от ее границ, и потому никогда ничего не узнают о существовании других „вселенных“ с другими свойствами».

Итак, из приведенного выше упрощенного описания следует, что возникновение Вселенной и Мультивселенной объясняется свойствами предшествующего им скалярного поля. Скалярное поле — это простейший вариант поля. Оно характеризуется единственным значением какой-либо величины в каждой точке, причем значение этой величины может меняться от места к месту и со временем. Примерами скалярного поля являются распределения температуры или высот над уровнем моря по поверхности Земли. Согласно современным представлениям, Вселенная заполнена рядом скалярных полей, задающих вакуум, а также массы частиц и то, как они взаимодействуют. Говоря об этих полях, сложно не вспомнить апейрон античных философов!

Однако не является ли введение этого поля неким произволом и не подобраны ли его свойства искусственным образом так, чтобы объяснить рождение вселенных? Даже если это и так, ничего плохого в этом нет, так как гипотеза о скалярном поле позволяет единообразным образом объяснить очень широкий круг явлений. Однако скалярные поля известны в физике уже давно — они естественным образом возникают «на кончике пера» теоретиков. Например, один из столпов Стандартной модели физики элементарных частиц — модель Вайнберга-Салама — основывается на существовании особого скалярного поля, поля Хиггса, которое отвечает за появление массы у фундаментальных частиц, таких как кварки и электроны. Механизм появления массы можно представить, например, как движение пловца в бассейне — вода (поле Хиггса) сопротивляется движению пловца, и это сопротивление ощущается как масса. Важное уточнение — поле Хиггса, в отличие от воды, сопротивляется только ускоренному движению. Частица, двигающаяся через это поле с постоянной скоростью, не тормозится, торможение начнется лишь при попытке ускорить или замедлить ее движение. Те частицы, которые сильно взаимодействуют с полем Хиггса, являются тяжелыми, слабовзаимодействующие — легкими. Фотон проходит через это поле без сопротивления, и он не имеет массы. Бозоном Хиггса (или просто частицей Хиггса) называют квант поля Хиггса[34].

Стандартная модель успешно подтверждена множеством экспериментов и единственное оставшееся неподтвержденным предсказание — существование бозона Хиггса — в скором времени может быть проверено на Большом адронном коллайдере. Так что обнаружение бозона Хиггса даст, пусть и косвенный, аргумент в пользу теории инфляции!

Еще один независимый взгляд на Мультивселенную возник из активно развиваемой в последние десятилетия теории струн. Согласно этой теории, элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий крошечных (размером ~ 10^-33 см) одномерных струн. Все известные элементарные частицы интерпретируются как различные режимы их колебаний. Продольные размеры струн очень малы и поэтому на масштабах, превышающих планковский, они выглядят как точечные объекты. Теория струн очень сложна и пока что не является полноценной, непротиворечивой и законченной теорией, а представляет собой отдельные фрагменты будущего подхода, который, как многие надеются, когда-нибудь сможет стать единой теорией всех известных физических взаимодействий.

Одним из результатов теории струн является предсказание существования огромного количества (по некоторым, конечно, очень грубым оценкам, ~ 10⁵⁰⁰) различных типов вакуумов (см. раздел 2.6), поддерживающих совершенно разные частицы, взаимодействия, значения фундаментальных постоянных и даже разное количество пространственных измерений. Эта совокупность вакуумов получила название струнного ландшафта. Объединение ландшафта с инфляционной космологией породило представление о Мультивселенной, состоящей из вселенных — раздувающихся «пузырьков» — со всеми возможными типами вакуумов. Мы живем в одном из редких пузырьков, в нашей Вселенной, где физические законы оказались благоприятны для возникновения жизни.

Возможное существование немыслимого, невообразимого, почти бесконечного набора разнообразных вселенных возродило старую идею о существовании «клонов» Вселенной и земной цивилизации. Вот что пишет об этом Александр Виленкин, американский физик русского происхождения, в книге «Мир многих миров»: «Удивительным следствием этой новой картины мира является существование бесконечного числа миров, идентичных нашему. Да, дорогой читатель, десятки ваших дублей держат сейчас в руках эту книгу. Они живут на планетах, в точности таких же, как наша Земля со всеми ее горами, городами, деревьями и бабочками. Эти земли обращаются вокруг точных копий Солнца, и каждое солнце принадлежит огромной спиральной галактике — точной копии Млечного Пути… Должны существовать регионы, где истории немного отличаются от нашей, со всеми возможными вариациями».

Поразительно, что это написано не фантастом, а известным физиком-теоретиком! Хотя, конечно, фантасты давно опередили космологов. Например, магистр Мальгрим, волшебник из повести Джона Пристли «31 июня», сформулировал это так: «Все, созданное воображением, должно существовать где-то во Вселенной». «Принцип Мальгрима» — конечно, очень сильное утверждение, однако современная космология, отчасти смыкаясь с фантастикой, неожиданно приходит к близкой картине мира.

Стивен Хокинг начал свою книгу «Краткая история времени» поучительным анекдотом. В конце публичного выступления астронома, рассказавшего о строении Вселенной, из зала звучит реплика, что все это неправда, а на самом деле наш мир покоится на спине огромной черепахи, которая стоит на спине другой черепахи, та — на следующей и так далее. Эта бесконечная последовательность черепах может до некоторой степени, чисто аллегорически, служить образом того, как человечество познает окружающий его мир. Это познание — чреда ударов по человеческому самолюбию, когда, ощупав очередную «черепаху», исследователи снова и снова начинают догадываться о существовании следующей. При этом место человека во Вселенной постепенно смещается на все более далекую периферию.

Библейская картина мира была построена вокруг человека. Человек находился в центре Вселенной — на Земле, вокруг которой обращались планеты, Солнце и Луна, а снаружи все это замыкалось сферой божественного. Коперник передвинул Землю из центра Солнечной системы, затем Диггес и Бруно убрали ограничивающую нашу планетную систему внешнюю сферу, сделав Солнце рядовой звездой среди множества подобных. Вильям Гершель открыл нашу Галактику в виде гигантского уплощенного скопления звезд. Солнце по Гершелю находилось вблизи центра Галактики. В XX веке, в первую очередь усилиями Хаббла, было доказано, что Галактика — рядовой объект среди множества других. Кроме того, Солнце было передвинуто на периферию нашей звездной системы. Окружающая Солнце планетная система тоже не уникальна — планеты присутствуют, по-видимому, у большинства звезд. И вот, на рубеже XX и XXI веков, начало формироваться представление, что очередная «черепаха» — наш заполненный галактиками расширяющийся пузырек пространства-времени — не последняя и за ее пределами уже маячит следующая — Мультивселенная. Удастся ли нам когда-нибудь найти и понять последнюю «черепаху», если она, конечно, существует?