Общая черта различных инфляционных сценариев в космологии состоит в том, что все они признают огромную роль, которую играют в динамике Вселенной скалярные поля. Кроме четырех типов физических взаимодействий вводится еще одно - гипотетическое скалярное поле. Оно осуществляет взаимодействия между пока не известными в опыте массивными хиггсовскими частицами. Поля скалярных частиц обладают вакуумными состояниями, которые соответствуют отсутствию реальных скалярных частиц. Эти поля отличаются от полей других типов тем, что их свойства не зависят от движения наблюдателя. Они имитируют космологический вакуум в математических моделях. Считается, что скалярные поля создают механизм сверхбыстрого раздувания Вселенной. В некоторых случаях энергия скалярных полей уменьшается значительно медленнее, чем плотность массы обычной материи. Доминирование этой энергии во Вселенной, как следует из ОТО, и может вызывать раздувание.
Согласно сценарию хаотического раздувания плотность энергии скалярных полей в ранней Вселенной может принимать произвольные значения благодаря флуктуациям. При случайном образовании однородной конфигурации этого поля размером порядка 10 см и плотностью энергии, сравнимой с планковской плотностью (10 г/см), начинается раздувание. Пространство флуктуации экспоненциально увеличивается в размерах со все возрастающей скоростью. Чем больше скалярное поле, тем сильнее оно раздувается. Такие редко встречающиеся области начинают занимать значительно большее пространство, чем все остальные. Плотность вакуума падает при этом на 122 (!) порядка. Там, где раздувание кончается, Вселенная разбивается на домены, т. е. области экспоненциально большого размера. (По некоторым подсчетам размер нашей Метагалактики после раздувания составлял 10 см). Таким образом, А.Д. Линде в своем сценарии хаотического раздувания заменил идею уникальности Метагалактики на противоположную - идею множественности вселенных, т. е. физических объектов того же масштаба и порядка, что и наша Метагалактика.
Возможность бесконечного процесса рождения новых мини-вселенных заставляет предполагать, что вовсе не обязательно у этого процесса было какое-то единое начало. Стандартное утверждение о существовании общей космологической сингулярности не следует из топологических теорем о сингулярности и является "по меньшей мере недостаточно обоснованным". Не было, с точки зрения сценария хаотического раздувания, одного-единственного Большого взрыва; каждая мини-вселенная порождалась своим Большим взрывом.
В обоих случаях - рождение Вселенной из сингулярности и квантовое рождение ее из вакуума при планковской плотности - речь идет о возникновении области классического пространства-времени. Но классическое описание Вселенной вблизи сингулярности невозможно, т. к. квантовые флуктуации метрики были чрезвычайно сильными. Никаких часов и линеек, даже воображаемых, сделать нельзя. "Любые наблюдения, которые проводил бы воображаемый наблюдатель в эту эпоху, были бы нескоррелированы друг с другом… При каждом новом измерении наблюдатель как бы оказывается в совершенно новом мире". Но в любом случае они бы описывались на разных языках. Понятие сингулярности - это классический язык описания, а возникновение Вселенной из пространственно-временной "пены" описывается квантовым языком. Однако мы можем быть уверены, что этих языков недостаточно для описания рождения Вселенной и не требуется язык квантовой теории гравитации.
Эпистемологическая природа экстраполяций инфляционной космологии крайне специфична. Обнаруживает свою ограниченность их физико-теоретическая основа, т. е. фундаментальные теории современной физики достигают пределов своей применимости. Далее, экстраполяции инфляционной космологии выходят далеко за пределы наблюдаемой Вселенной. Мы не можем, например, непосредственно обнаружить первичный вакуум, флуктуации которого порождают, согласно теории, множество минивселенных.
Как сочетается один из самых необычных интеллектуальных феноменов - теория инфляционной Вселенной - с принятыми в современной науке идеалами и нормами доказательности знания?
Во-первых, она связана принципом соответствия с фридмановской теорией. Но это - лишь необходимое, но отнюдь не достаточное условие ее состоятельности. Любая космологическая теория, претендующая на статус относительно истинной, должна удовлетворять принципу соответствия.
Во-вторых, инфляционная теория, по мнению многих космологов, разрешает все (или большую часть) парадоксов, показавших ограниченность фридмановского сценария. Парадокс сингулярности ослабляется тем, что Вселенная в начале расширения представляла собой квантовый объект, т. е. не была точкой с нулевым объемом, бесконечной плотностью и кривизной пространства, а занимала конечный объем, с плотностью хотя и сверхвысокой, но конечной.
В-третьих, инфляционная космология оказалась способной ответить на коренной вопрос, перед которым остановилась теория А.А. Фридмана: почему расширяется Вселенная? Помню, как много лет назад, слушая курс лекций А.Л. Зельманова по космологии, я задал ему этот вопрос. Мне показалось, что мой собеседник не видит в проблеме какой-либо особой остроты. Ответ звучал так: протяженные пространственно-временные миры, подобные Метагалактике, согласно ОТО не могут быть устойчивыми, вот она и расширяется. А.Л. Зельманов разрабатывал теорию анизотропной неоднородной Вселенной, в которой сингулярности вообще нет, а есть "регулярный минимум". (Кстати, это был еще один способ устранения сингулярности из теории). Но для большинства космологов драматизм сингулярности был очень даже ощутим. Современная теория решает этот вопрос, считая, что причина фридмановского расширения связана с отрицательным давлением вакуума.
В-четвертых, ничто не мешает попытаться установить более тесные контакты инфляционной теории и наблюдений, если заняться поисками каких-то косвенных проявлений Мультиверса в нашей Вселенной.
Оценивая сдвиги, которые произошли в современной космологии, А.Д. Линде в 1990 году высказал предположение, что они "весьма существенны и, вероятно, уже необратимы. Было разработано то, что постепенно, вместо сценария раздувающейся (инфляционной) Вселенной стало называться инфляционной теорией или даже инфляционной парадигмой.
Ясно, однако, что мы еще в самом начале пути, и многие детали теории в дальнейшем будут пересмотрены". Его более поздняя оценка оказалась и более сдержанной: "… надо сохранять непредубежденность. Существует возможность, что новые наблюдения будут противоречить инфляционной космологии". Например, если наблюдения покажут, что плотность Вселенной не соответствует плоской модели, инфляционная теория столкнется с серьезной трудностью, кроме того, она основана на теории элементарных частиц, не все варианты которой приводят автоматически к раздуванию. Обоснование возможности раздувания, исходя непосредственно из теории суперструн, может потребовать совершенно новых идей. Э.Б. Глинер считает, что раздувание представляет собой "чисто координатный" эффект, а не реальный физический процесс. Но все же инфляционная теория стала для космологов новой парадигмой, целенаправляющей космологические исследования.
Инфляционная космология не обладает той же степенью эмпирической доказательности, как стандартная космологическая модель. Инфляция была введена ad hoc для того, чтобы объяснить некоторые парадоксы фридмановской космологии. Устранение этих парадоксов - ее несомненное достоинство. Наблюдать процесс раздувания в сверхранней Вселенной невозможно. Тем не менее, если рассматривать ускоренное расширение Вселенной в наше время как нечто аналогичное начальной инфляции, какие-то косвенные эмпирические доводы в пользу инфляционной модели все же появляются. Многие космологи считают, что инфляционная космология предсказала анизотропию реликтового излучения. Конечно, и это - довод в пользу рассматриваемого сценария. Но космологи разрабатывают также сценарий, в котором инфляции нет (модели, основанные на теории суперструн).
Видное место в обосновании инфляционной космологии занимают, по сути, критерии когерентности и простоты. Так, сценарий хаотического раздувания был выдвинут А.Д. Линде именно в качестве самого простого. В нем не нужны никакие специальные начальные условия, которые буквально "руками" вводились в других сценариях. Заслугой инфляционной космологии считают и объяснение довольно обширного круга теоретических феноменов из единого принципа, что также представляет собой проявление критерия когерентности. Основную роль в почти всеобщем признании инфляционной космологии играет и принцип конкорданса (т. е. согласие в сообществе космологов, которое имеет в большой степени социально-психологическую природу). Но все эти объяснения не являются решающими, нужны новые аргументы.
Наиболее принципиальный момент состоит все же в том, что наблюдательных подтверждений теории инфляции пока не получено. Это говорил В.А. Рубаков, выступая на диспуте в Политехническом музее 31 марта 2010 года. Он считает, что есть серьезные сомнения в необходимости рассматриваемой теории.
В современной космологии довольно часто обсуждается и сакраментальный вопрос: а что было "до" момента t = 0, существовала ли тогда физическая реальность какого бы то ни было типа? Ответы на него бывают двоякие: а) вопрос объявляется бессмысленным, "до начала" никакого времени не было, Вселенная возникла из "ничего" вместе со временем. Так считал еще Августин, и его ответ разделяет, на основе своих собственных аргументов, большинство современных космологов; б) несостоятелен сам "миф о начале времени" (Г. Венециано). Вселенная (Мультивселенная) существует вечно и обладает бесконечной историей (или бесконечной совокупностью историй). Современными моделями, описывающими подобный сценарий в рамках теории суперструн, выступают, например, модель Вселенной, эволюционирующей по "петле" времени, и модель "отскока", согласно которой эволюция Вселенной описывается бесконечной последовательностью расширений и сжатий. Циклические модели являются альтернативами инфляционной космологии. Они также устраняют парадоксы стандартной модели, включая сингулярность, что говорит, скорее, в их пользу. Но, разумеется, противники теории суперструн имеют в запасе много теоретических аргументов против этих моделей - не говоря уже о том, что их наблюдательная проверка при нынешних наших познавательных возможностях исключена.
Отмечу еще раз: несмотря на ряд выдающихся открытий, космология в своих теориях пока еще действительно ощущает недостаток эмпирических знаний. Выбор между космологическими теориями и раньше отчасти опирался на эйнштейновский критерий "внутреннего совершенства", который, однако, никогда не был самодостаточным. Теории и модели, которые не удавалось сопоставить с наблюдениями, тихо умирали, сохраняясь, быть может, в "третьем мире" Поппера, но не оказывая влияния на деятельность сообщества космологов. Лишь те космологические теории и модели, которые объясняли наблюдаемые свойства Вселенной или предсказывали новые, ранее не известные (получая "внешнее оправдание"), выживали в развитии теоретического знания. В принципе, ничего не изменилось и сейчас. Космологи-теоретики с нетерпением ждут новых открытий, наблюдатели стремятся догнать теоретиков, и с этой целью запускаются все новые спутники, несущие все более тонкую, изощренную аппаратуру. Современные космологические сценарии, как и все прежние, также оцениваются не только по внутритеоретическим критериям, но и по эмпирическим, какие бы затруднения при этом ни возникали.
Во-первых, некоторые наиболее значимые факты установлены на пределе чувствительности приборов. Во-вторых, они представляют собой интерпретации наблюдательных данных, которые не всегда являются единственно возможными; существуют альтернативные интерпретации одних и тех же эмпирических феноменов. В-третьих, положение, в сущности, еще гораздо хуже, поскольку электромагнитного излучения от этой фазы эволюции Вселенной не возникает, следует искать какие-то принципиально новые источники информации. Пока что мы знаем только о реликтовых гравитонах и нейтрино, наблюдение которых при помощи имеющихся средств невозможно. Отсюда не следует, что космология все-таки столкнулась с принципиальной границей познания. Есть все основания считать, что с появлением новой экспериментальной техники эта граница будет преодолена, и даст возможность осуществить выбор одной из теорий или моделей сверхранней Вселенной, а значит, и концепции физической реальности, адекватной этому специфическому типу объекта. Космология проникла в новую сферу исследования, для которой необходима новая фундаментальная теория (Теория Всего) и, возможно, новая концепция физической реальности. Не исключено, что она будет обходиться без привычных нам типов элементарных объектов, характерных для современной Вселенной типов взаимодействий, известных форм пространства и времени. Все привычные нам черты физической реальности могли существовать в сверхранней Вселенной только потенциально.
Но в целом современная ситуация сильно напоминает те, которые обсуждает Е.А. Мамчур, говоря об "атмосфере неопределенности", когда "невозможно ни доказательство того, что новая гипотеза верна, ни того, что она не верна". Подобные ситуации могут быть обусловлены разными причинами. Они могут относиться, как мы видели, к одному из двух типов: не проверяемые "в принципе" и не проверяемые в настоящее время, или "гипотезы-стратегии". Объекты инфляционной космологии таковы, что в ряде случаев трудно судить, к какому из двух названных типов они относятся.
Квантовая гравитация, сингулярность и реальность. Нельзя не упомянуть еще об одном способе устранения сингулярности из космологии, которое предложено никем иным, как Хокингом, доказавшим, вместе с Пенроузом, ее неизбежность в рамках ОТО. Для описания сверхранней Вселенной, по словам Хокинга, необходимо использовать квантовую теорию гравитации, которой пока нет. Согласно Хокингу, мы можем быть совершенно уверены, что в ней квантовая теория будет формулироваться на основе сумм по траекториям, т. е. историям частиц. Это предполагает, что она следует каждым из возможных путей в пространстве-времени. Истории каждой частицы описываются парой чисел, одно из которых характеризует размеры волны, второе - ее фазу. Частица может миновать некоторые особые точки типа сингулярности. Но рассмотрение истории частиц, в виду практических трудностей, надо вести "не в реальном времени, привычном для нас, а в мнимом". При этом "различие между пространством и временем совершенно стирается".
Квантовая теория тяготения, по Хокингу, предлагает совершенно новую возможность избежать сценария, в котором классическое пространство-время возникает в сингулярности. Пространство-время может быть конечным, но не иметь ни "сингулярностей, в которых нарушаются законы физики, ни края пространства-времени, который заставил бы нас апеллировать к Богу или выводить новый закон граничных условий пространства-времени. Скажем так: граничные условия для Вселенной состоят в отсутствии у нее границ. Вселенная должна быть абсолютно замкнутой и независимой от чего-либо лежащего вне ее. Ее нельзя ни создать, ни уничтожить. Она должна просто существовать". Хокинг подчеркивает, что это всего лишь научная гипотеза, которая "могла быть изначально подсказана эстетическими или метафизическими соображениями…". Но подтвердить или опровергнуть ее могут лишь наблюдения.
По Хокингу, "Только описание Вселенной на основе мнимого времени избавит нас от сингулярностей". Но подобное описание противостоит описанию истории Вселенной в "реальном времени", при использовании которого ее расширение происходит согласно инфляционной теории и "что-то вроде сингулярности в начале и в конце неизбежно". Хокинг продолжает: "Возможно, это предполагает, что именно так называемое мнимое время является основным, а то, что мы называем реальным временем, есть лишь плод нашего ума", так сказать "не более чем идея, придуманная нами для описания своих представлений о Вселенной". Бессмысленно спрашивать, "что подлинно - реальное или мнимое время. Суть лишь в том, какое из них удобнее использовать для описания". Эта позиция Хокинга вызывает сильные споры среди космологов. Многие относятся к понятию "мнимого времени" неприязненно, считая его введенным неконструктивно. Конечно, утверждение, что "мнимое время" является чем-то более реальным, чем время реальное - звучит слишком парадоксально. Суть дела в том, что считать реальностью в физике и космологии. Если реальность - не более, чем теоретический конструкт, то придираться можно только к терминологии, т. е. языку науки. Но ведь что и каким термином обозначать, во многом зависит от конвенции. Цитированная формулировка выглядит типично позитивистской, но все философские размышления Хокинга направлены на поиск свойств реального мира, так что термин "мнимое время" не должен гипнотизировать. Смысл этого термина нуждается в дальнейшем эпистемологическом анализе, и он изменится, если нас заботит отношение теории к исследуемым аспектам объективной реальности.