В 1997 году шведские и американские астрономы, изучая туманность Бумеранг с помощью крупного телескопа, установленного в Чили, обнаружили, что окраины этой туманности - самое холодное место во Вселенной. Температура газа составляет здесь менее 3 К, то есть ниже –270 °C. В земных лабораториях получены и более низкие температуры, но в природе большего холода не найдено. Туманность Бумеранг представляет собой облако газа и пыли, выбрасываемое умирающей звездой со скоростью более 150 км/с. Это облако охлаждается по тому же принципу, что и камера компрессионного холодильника - в результате быстрого расширения газа.
Начинается все с маленького участка ложного вакуума. Далее появляются первые островки истинного вакуума. Это - классические вселенные; самые "старые" классические области в пределах данного рассмотрения. По мере того как границы этих вселенных раздвигаются в море инфляции, они быстро увеличиваются в размерах. Однако беспрерывно инфлирующая область ложного вакуума расширяется еще быстрее, так что пространство между классическими вселенными становится все больше, а во вновь образованных областях возникают новые и новые классические вселенные. Математики называют такую структуру фрактальной - похоже на капусту романеско: старые классические миры окружаются подобными им меньшими, вокруг которых располагаются еще меньшие, и так далее. И в отличие от капусты, этому нет и никогда не будет конца.
Нашествие наших собственных "клонов"
Если бы каким-то образом нам удалось извне наблюдать бесконечную инфляцию Вселенной, что бы мы увидели? Множество вселенных, разбросанных по безбрежному морю ложного вакуума. Это похоже на Землю, как ее видят космонавты. Колоссальный шар с континентами и архипелагами, окруженными океаном (правда, трехмерный), расширяющийся с невообразимой скоростью. Континенты-вселенные, тоже увеличивающиеся, а между ними постоянно появляются очень-очень маленькие новые острова - и немедленно начинают расти. Количество вселенных быстро умножается и стремится к бесконечности в бесконечном будущем.
Но обитатели этих "карманных", как назвал их однажды Алан Гут, вселенных, подобно нам, видят совершенно иную картину. Их вселенная не воспринимается ими как конечного размера остров. Изнутри это бесконечная вселенная, единственная, уникальная, все, что есть. Граница между этой вселенной и инфляционной частью пространства-времени - это Большой взрыв, случившийся для ее обитателей в определенный момент в прошлом. Мы не можем добраться до инфляционного моря просто потому, что невозможно переместиться в прошлое. Дело просто в том, что понятие времени в "островных" вселенных отличается от "глобального" времени, которое надо использовать для описания пространства-времени в целом (иначе не получается!).
Идем дальше. Поскольку каждая островная вселенная бесконечна с точки зрения ее обитателей, она может быть разделена на бесконечное число областей. Для определенности положим, что каждая из этих областей такого же размера, как наблюдаемая часть нашей вселенной. Выходит бесконечное пространство, разделенное на куски размером по 80 млрд световых лет каждый.
Как и в любой конечной системе, количество различных состояний (или конфигураций материи) в каждой из таких областей ограничено. Можно, конечно, надеяться вносить в систему все более и более мелкие изменения, чтобы породить бесконечное количество вариантов. Но это не получится, поскольку изменения, мало различающиеся по величине, будут неразличимы даже теоретически из-за квантово-механической неопределенности. В классической ньютоновской механике состояние физической системы можно описать, указав положения и скорости всех составляющих ее частиц. В квантовом мире частицы по самой своей природе очень странные. Они как бы размытые, как на фото без резкости, и не могут быть локализованы точно. В таком случае четко определенными (и отличимыми от других) могут быть только те состояния системы, которые собраны из достаточно крупных "зерен". Это как фото, снятое в не слишком большом разрешении: если мы будем просматривать картинку, увеличивая и увеличивая разрешение, будет все менее и менее понятно, что же на ней изображено. В конце концов, оно превратится в бесформенное размытое пятно.
Теперь, если историей называть цепочку состояний в последовательные моменты времени, тогда то же самое можно сказать о различных историях выделенной области вселенной.
В квантовом мире будущее не определяется однозначно прошлым. Одни и те же начальные условия могут вести ко множеству разных исходов, и мы можем подсчитывать лишь вероятности. В результате диапазон возможностей значительно расширяется. Но квантовая неопределенность вновь не позволяет нам различить истории, которые слишком похожи одна на другую. История состоит из конечного количества шагов, и любая ограниченная во времени история должна состоять из конечного количества моментов. В каждый момент система может находиться лишь в конечном числе состояний, а значит, и число различных историй системы должно быть конечным.
Количество возможных историй такой области от Большого взрыва до наших дней, как и следовало ожидать, огромно, порядка 10. Это фантастически огромное число. Только для того, чтобы его записать, не хватило бы не то что страниц этой книжки, но и всего тиража, и, вероятно, всех тиражей издательства "Клуб семейного досуга" за всю его историю! Впрочем, само количество не так уж важно. Важно, что оно конечно.
Что же выходит? Если, согласно естественным следствиям из теории инфляции, "вложенные" вселенные бесконечны с внутренней точки зрения и если, с другой стороны, согласно квантовой теории, для конечного региона не может быть реализовано бесконечное количество историй, тогда каждая конкретная история должна повторяться в каком-то из других подобных регионов. Повторяться бесконечное число раз!
Среди этих бесконечно повторяемых сценариев должны быть весьма странные истории. Например, планета, такая же, как наша Земля, может вдруг сколлапсировать в черную дыру. Или она может совершить скачок на другую орбиту, значительно ближе к центральной звезде. Такие происшествия чрезвычайно маловероятны, но это лишь означает, что придется перебрать очень много областей, прежде чем найдется такая, в которой это случилось.
Также должны существовать области, где истории довольно похожи на нашу, но все же имеют небольшие по космическим меркам и существенные для нас вариации. Скажем, должны существовать планеты, в точности такие же, как Земля, под таким же небом, со всеми океанами и материками, горами и равнинами, деревьями и животными. Эти земли вращаются вокруг точных копий звезды по имени Солнце, и каждое Солнце находится на окраине огромной спиральной галактики - точной копии Млечного Пути. Но в 1991 году Советский Союз здесь не развалился, потому что генеральный секретарь ЦК компартии, председатель Президиума Верховного совета СССР, товарищ Леонид Ильич Брежнев все еще жив и продолжает систематически произносить свои речи! Он уже семижды герой, а мы продолжаем ходить на демонстрации, ездить на картошку, гордиться нашими ракетами и балетом и наслаждаться лучшей в мире колбасой по 2 рубля 20 копеек.
Однако, наверное, самым волнующим следствием этой картины является существование бесконечного количества миров, полностью идентичных нашему. Да, дорогой читатель, множество ваших абсолютных двойников держат сейчас в руках эту книгу.
Как далеко находятся все эти земли, населенные нашими двойниками? Мы знаем, что материя, содержащаяся в видимой области нашей вселенной, может находиться в 10 в степени 10 различных состояний. Тогда объем, содержащий, скажем, гуголплекс (10 в степени 10) подобных областей, должен исчерпать все возможности. Такой объем будет иметь поперечник порядка гуголплекса световых лет. На больших расстояниях области, включая нашу, будут повторяться.
Все это, конечно, при банальном уточнении, что в этой картине должны существовать миры, которые очень сильно отличаются от нашего, и таких миров будет в огромное количество раз больше, чем точных и неточных повторений…
Какая-то чепуха! Почему мы должны всему этому верить?!! Ибо это выглядит не безобидно-фантастически, а весьма драматично. В самом деле, как же быть с нашей идентичностью, с нашей личной неповторимостью и ценностью, с нашей бессмертной душой? И согласились бы мы, чтобы так выглядело то, что называется бессмертием?
Но давайте придержим эмоции. Мы видели, что картина, которая была описана выше, возникает как следствие теории инфляции, согласно которой локальные вселенные бесконечны внутри и каждая из них содержит бесконечное множество конечных областей заданного размера. Она также опирается на квантовую механику, говорящую, что существует лишь конечное количество историй любой конечной области, а также что все сколько-нибудь вероятные истории обязательно реализуются в пределе бесконечного времени. Объединяя эти утверждения, мы с неизбежностью приходим к выводу, что каждая конкретная история должна повторяться бесконечное число раз.
Что этому может помешать? Прежде всего, есть вероятность, что теория инфляции неверна. Идея инфляции очень убедительна и подтверждается наблюдениями, но, конечно, далеко не в той мере, как, например, теория относительности Эйнштейна.
Далее, можно допустить, что даже если наша Вселенная является продуктом инфляции, сама инфляция не вечна. Это сразу же потребует довольно серьезных натяжек в теории. Чтобы избежать вечной инфляции, "энергетический ландшафт" соответствующего ложного вакуума должен быть специальным образом подогнан под наши требования.
Большая цена! Теория инфляции - это самое лучшее из имеющихся у нас объяснений Большого взрыва. Если мы не станем ее калечить, добавляя совершенно произвольные свойства, у нас не будет иного выбора, кроме как признать инфляцию вечной, со всеми вытекающими из этого последствиями, нравятся они нам или нет.
Ладно. Но не является ли банальностью, что в бесконечной Вселенной должно случиться абсолютно все? Нет, не является! Бесконечность пространства сама по себе не гарантирует, что реализуются все возможности. Например, по всему пространству могла бы бесконечно повторяться одна и та же галактика.
Существование наших копий в нашей вселенной, таким образом, не самоочевидно, а опирается на предположение о пространственной бесконечности и о квантовой обязательности осуществления всех мало-мальски возможных событий во Вселенной. Важно, что в случае бесконечной инфляции эти свойства не нужно вводить как дополнительные предположения. Из самой теории вытекает, что локальные вселенные бесконечны и что начальные условия в момент Большого взрыва задаются случайными квантовыми процессами во время инфляции. Существование клонов, таким образом, является неизбежным следствием физической теории.
Для оценки межзвездных расстояний применяют две единицы измерения: световой год и парсек. Световой год равен расстоянию, которое проходит свет за год, то есть приблизительно 9460 млрд км. Парсек определяется как такое расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в одну секунду дуги. Это очень маленький угол: под таким углом монета в одну копейку видна с расстояния в 3 км. Один парсек (пк) составляет около 3,26 светового года, то есть приблизительно 30 трлн км.
Пустота имеет вес
Теория инфляции объясняет, как видимая область нашей вселенной может получиться плоской (то есть пространство должно иметь всем нам хорошо знакомую из средней школы эвклидову геометрию). Если вы летите над Землей на очень большой высоте, вы видите, что Земля - шар. Но когда вы стоите на поверхности Земли, она представляется вам плоской, насколько глаз хватает, вплоть до горизонта, ведь Земля очень большая, и ее шарообразности с высоты человеческого роста не заметишь.
Теоретически "эвклидовость" пространства равнозначна тому, что плотность массы или энергии во вселенной с очень высокой точностью равняется некоторому критическому значению.
Из чего же складывается этот необходимый критический уровень энергии? Обычное вещество дает только несколько процентов! Есть, конечно, так называемая "темная материя". Название довольно зловещее, но оно никак не связано с "темными силами", "нечистым" и тому подобным "злом". Просто эту материю нельзя наблюдать непосредственно - она проявляется в гравитационном воздействии на наблюдаемые объекты: звездные скопления, галактики и т. д. Согласно современным данным, "темной материи" во вселенной примерно в 10 раз больше, чем обычного вещества. Однако если сложить плотность массы или энергии того и другого, получится всего лишь порядка 30 % нашего критического значения. 70 % не хватает!
В 1998 году две независимые исследовательские группы, измерявшие яркость взрывов сверхновых в далеких галактиках и с помощью этих данных уточнявшие темп космологического расширения, объявили о поразительном открытии. Оказалось, что вместо замедления под действием гравитации (звезды и галактики ведь притягиваются друг к другу!) скорость расширения в действительности возрастает. Это открытие говорило о том, что Вселенная заполнена некой гравитационно отталкивающей субстанцией. Проще всего было предположить, что истинный вакуум, в котором мы обитаем, имеет ненулевую плотность массы. (Как нам сообщил Эйнштейн, вакуум является гравитационно отталкивающим, и если плотность превышает половину плотности массы вещества, суммарным результатом будет отталкивание.)
Плотность массы истинного вакуума - это то, что Эйнштейн называл космологической постоянной, идея, которую он сам (мы помним) признал величайшей ошибкой своей жизни. Подчеркнем, речь идет об истинном, именно об истинном вакууме. Физика высокоэнергетичного ложного вакуума - дело сейчас довольно понятное, но совсем другое. А то, что абсолютная пустота обладает ненулевой энергией, было полным удивлением для научного сообщества. Но не для теории инфляции. Для инфляционной теории это был настоящий триумф! Ведь, согласно данным наблюдений, плотность массы пустого пространства оказалась в точности такой, какая необходима, чтобы оправдать недостающие 70 % критической плотности и тем самым объяснить предсказанную плоскую геометрию видимой области нашей вселенной. Конечно, вряд ли это могло быть простым совпадением.
Однако проблема была гораздо более серьезной. Дело в том, что вся теоретическая физика элементарных частиц базировалась на том условии, что энергия пустоты скомпенсирована некоторыми противоположными влияниями, так что в сумме строго должна равняться нулю. Из теории следовало, что на микроскопическом уровне флуктуации (то есть случайные всплески энергии) квантовых полей дают мощный вклад в энергию вакуума, но таким образом, что в сумме точно уравновешивают друг друга. Данные о ненулевом значении космологической постоянной рушили все здание физики элементарных частиц (а оно было очень недурно построено)! Более десяти лет напряженных поисков выхода ни к чему не привели. То обстоятельство, что эти же данные являются подтверждением какого-то там инфляционного сценария в космологии, никак не могло служить компенсацией. Дело доходило до того, что физики (причем физики "первого дивизиона") просто отказывались верить им и даже заключали пари с коллегами о том, что энергия вакуума - сплошное недоразумение и это очень скоро выяснится. Но время шло, пари проигрывались, и все мало-помалу понимали, что "ошибка" Эйнштейна превратилась в проблему. Ее назвали "проблема космологической постоянной". Однако мало кто ожидал, что космологическая постоянная очень скоро станет триумфом Эйнштейна!
Космическое радиоизлучение было открыто в декабре 1931 года американским физиком Карлом Янским, который изучал природу шумов, мешающих радиосвязи, а также причины помех в дальних телефонных линиях. С помощью 30-метровой антенны он неожиданно обнаружил радиоизлучение на волне 14,7 м, исходящее из обширной области в центре Млечного Пути. Астроном-любитель и радиолюбитель Грот Ребер, узнав о работах Янского, сконструировал параболическую антенну диаметром 9 м и открыл источники радиоизлучения в созвездиях Стрельца, Лебедя, Кассиопеи, Малого Пса, Кормы и Персея. Он же установил, что Солнце также является источником радиоволн. Так родилась радиоастрономия, позволившая открыть радиогалактики, пульсары, межзвездный газ и реликтовое излучение.
Из данных новых наблюдений выходило, что энергия вакуума, в котором мы живем, или космологическая постоянная не просто не равняется в точности нулю, но что она сравнима с плотностью вещества во Вселенной. А это выглядело очень странным! Всякому даже без физики понятно, что пустота - это одно, а материя - это совсем другое. И действительно, в процессе расширения Вселенной плотность энергии вакуума не должна изменяться, тогда как плотность вещества, конечно, падает (объем-то Вселенной растет). Причем диапазон изменения плотности материи оказывается ну очень большим. Приблизительные оценки говорят, что если сегодня две обсуждаемые плотности примерно равны, то через секунду после Большого взрыва плотность материи была в 1045 раз выше! С другой стороны, через триллион лет она будет в 1050 раз меньше. Сорок пять или пятьдесят нулей после десятки… Одна из величин постоянна, другая изменяется в таких "сумасшедших" пределах. Но мы наблюдаем Вселенную как раз в тот самый момент, когда эти величины одинаковы. Можно просто "не заметить" этого обстоятельства. Но для настоящего ученого это "точка остановки". Здесь нужно остановиться и думать, ибо таких совпадений не бывает! Здесь, скорее всего, зашифровано нечто важное и глубокое.
Фундаментальные постоянные, или Слава тебе, Господи!
Есть переменные величины, есть постоянные. Но существует особый класс величин, которые называют фундаментальными постоянными. Почему наука их выделяет? Потому что эти несколько чисел определяют, так сказать, "общую схему" всех возможных в природе явлений. К числу этих постоянных относятся массы некоторых элементарных частиц и параметры, характеризующие четыре фундаментальных взаимодействия - сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Соотношение масс протона и электрона равно 1/1836 - ни больше, ни меньше. Нейтрон тяжелее протона на 0,14 %. Если мы возьмем два протона, то их взаимная гравитация будет в 1040 раз слабее их электрического отталкивания.
Можно ли считать список фундаментальных констант исчерпывающим? Нет, вряд ли. Значения некоторых неизвестны, хотя ясно, что они есть. Не исключено, что список изменится, если будут открыты новые элементарные частицы.
Однако гораздо более важным и волнующим является другое. Исследования в различных областях физики обнаружили, что многие существенные особенности нашей Вселенной чувствительны к точному значению некоторых чисел. Предположим, например, что нейтрон стал весить немного меньше протона. Тогда протоны окажутся нестабильными и станут распадаться на электроны и позитроны. Электроны на орбитах держать будет нечем, и атомы тоже распадутся. Свободные электроны начнут активно соединяться с позитронами и взаимоуничтожаться, испуская фейерверк фотонов. В итоге мы останемся в так называемом "нейтронном мире", состоящем из изолированных нейтронных ядер и излучения. В этом мире не будет химии, не будет сложных структур, не будет жизни.