Далее можно применить антропный принцип для определения вероятности нашего существования в том или ином типе вакуума, в том или ином пузырьке. Итак, мы начинали с Universe - единственной и уникальной фридмановской Вселенной. Затем теория вечной инфляции, прямо-таки сообразно своему названию, молниеносно раздвинула пределы мира и превратила Universe в Multiverse - множество вселенных в море инфляции. Теория струн как теория самого малого в содружестве с инфляционной космологией породила совершенно невиданный объект, который, с легкой руки Леонарда Сасскинда, мы могли бы называть Megaverse. "Я готов держать пари, - пишет Леонард Сасскинд, - что к началу XXII века физики будут с ностальгией оглядываться на наше настоящее, вспоминая золотой век, когда узкая и ограниченная концепция Вселенной XX века уступила место гораздо более широкому и масштабному Мегаверсу, населяющему ландшафт ошеломительных размеров".
Каждые сутки на Землю падает порядка 200 тыс. метеоритов. Ежегодно тонны межпланетной пыли достигают Земли. Поэтому за последние 500 лет масса Земли увеличилась на миллиард тонн.
У Вселенной должно быть начало
Что же было перед этим?
Согласно классической модели Большого взрыва, вся материя вокруг нас появилась из раскаленного огненного шара около 14 млрд лет назад. Откуда же взялся сам огненный шар? Теория инфляции показала, что он мог возникнуть из крошечного кусочка ложного вакуума после его инфляционного раздувания. Но вопрос все равно остается: откуда взялся этот первоначальный кусочек вакуума? В большинстве своем космологи недолюбливают подобные вопросы. И действительно, каков бы ни был ответ, всегда можно спросить: "А что было перед этим?" Эта логическая ситуация называется бесконечной регрессией: мы задаем и задаем вопрос о начале и не можем остановиться.
История космологии знает так называемую циклическую, или пульсирующую модель. Это отзвук классической космологии 40-50-х годов прошлого века. Правда, существуют и современные "усовершенствованные" версии. Но как бы эти версии ни были усовершенствованы, по сути своей пульсирующая модель страдает тем же недостатком, что и стандартная космологическая модель. В пульсирующей модели период расширения Вселенной сменяется периодом сжатия - это составляет полный цикл. Каждый новый цикл начинается с плотного горячего огненного шара имени Георгия Гамова. Далее все повторяется: стартует новое расширение. Но вопрос о начале опять остается, он только становится более тягостным, поскольку отодвигается и отодвигается в прошлое: должно же быть начало начал, начальный цикл, "первоцикл"? И откуда взялся огненный шар, с которого он начался?
Можно, конечно, считать Вселенную вечной. Нам известно уже, что глобальная Вселенная вечной инфляции постоянно воспроизводит себя. Она состоит из расширяющейся огромной области ложного вакуума, в которой постоянно зарождаются локальные вселенные, такие же, как наша. Инфляция никогда не прекращается. В нашей вселенной она закончилась 14 млрд лет назад, и теперь продолжается эволюция, которая хорошо описывается уравнениями ОТО. Но в масштабе глобальной Вселенной как целого инфляция будет неограниченно продолжаться в других отдаленных от нас областях.
Но тогда нелогично предполагать некоторое начало Вселенной в прошлом, поскольку она не имеет конца в будущем. Это было бы произвольным, специально введенным условием: в самом деле, зачем и на каком основании Вселенной иметь начало, если для продолжения ее существования теория не дает никаких ограничений? Так мы получаем вечную Вселенную и автоматически избавляемся от необходимости задавать вопросы о ее происхождении. Что ж, очень удобно. По принципиальному сходству это несколько напоминает модель стационарной вселенной, вроде обсуждавшейся модели Хойла с коллегами.
Очень удобно, но не очень правдоподобно! Дело в том, что есть существенные ограничения на продолжительность процесса инфляции. И эти ограничения делает сама ОТО. В будущем - нет. А вот в прошлом - как раз да! Иначе говоря, инфляция не может быть вечной в двух направлениях. Это не так давно показали рыцарь инфляционной теории и антропного образа рассуждения Алекс Виленкин и его коллеги - Эрвинд Борд и Алан Гут (тот самый, который первым предложил саму идею инфляции в космологии).
Теория относительности (и специальная, и общая: в некотором смысле их можно считать частями одной теории относительности) - это великое дело! Во-первых, потому, что она очень многообразно и надежно подтверждена экспериментами, во-вторых, потому, что она очень красиво работает в математическом отношении. Эта красота убеждает сильнее красноречия и экспериментов! Ею пользовались Хокинг и Пенроуз, чтобы доказать свою знаменитую теорему о сингулярностях. Ею воспользовалась и группа Виленкина.
Идея доказательства проста и изящна. Есть Вселенная и есть наблюдатели, которые сидят в своих галактиках. Наблюдатели равномерно рассеяны по Вселенной. Есть также космический турист, который свободно и равномерно, без толчков, рывков и ускорений движется мимо этих наблюдателей. Вселенная расширяется. Понятно, что в таком случае наблюдатели будут отдаляться друг от друга, как точки на поверхности раздувающегося воздушного шара. Далее вследствие того же расширения всякий встречный наблюдатель будет приближаться к туристу, а всякий уже пройденный наблюдатель будет от него отдаляться. Таким образом, скорость туриста относительно каждого встречного будет меньше, чем относительно каждого пройденного, то есть будет все меньше и меньше с точки зрения наблюдателей. Если же рассмотреть историю этого путешествия вспять, от будущего к прошлому, то скорость нашего туриста с точки зрения наблюдателей будет, наоборот, все больше и больше. Просто и логично, не подкопаешься. А вот теперь вступает в дело теория относительности! По мере того, как скорость туриста будет приближаться к скорости света (а быстрее он двигаться не может принципиально!), наблюдатели будут видеть, как его часы замедляются и как его время в конце концов застывает и превращается в мгновение, растянутое в вечность. Получается, что время этого путешествия, продленного в бесконечное прошлое, оказывается конечным. А это очень плохой симптом для вечной в прошлом вселенной: это значит, что некоторые истории в перспективе бесконечного прошлого не могут быть окончены. Они обрываются. А это означает, что вечная в прошлом Вселенная неполна - некоторые части историй не имеют продолжения, исчезают!
Вечная инфляция здесь никак не может помочь. Вечной инфляции, не имеющей начала в прошлом, не может быть! У Вселенной может не быть конца, но у Вселенной должно быть начало.
У Вселенной обязательно должно быть начало - это очень важный результат. Вечная инфляция, Мультиверс, Мегаверс и вся эта грандиозная картина - это будет потом! Сначала Вселенная, вся безграничная Вселенная должна начаться. Но - начаться с чего-то. Или с кого-то. Итак, Он снова выходит на сцену? Призванный теперь и результатами физико-математической науки? Неужели нам нельзя обойтись без творения? И без Творца?
В классической космологической модели начало Вселенной ассоциировалось с Большим взрывом. Правда, из такой космологии никто не мог понять, что же такое Большой взрыв. Помните, даже слова "Большой взрыв" впервые прозвучали в ироническом, а не в научном ключе, во время радиошоу. Точное понятие того, что представляет собой Большой взрыв, удалось дать только в рамках инфляционного сценария. Исходя из него, этот момент можно ассоциировать с самим молниеносным расширением (раздуванием) крошечного кусочка ложного вакуума. Можно понимать под Большим взрывом только распад ложного вакуума после инфляции, когда его громадная энергия отливается в раскаленный шар из первичных частиц и полей. Это как кому нравится. Важно, что Большой взрыв становится делом вполне понятным (и, как мы видели, вообще говоря, вовсе не уникальным, не особенным, даже заурядным). Но это никак не относится к проблеме начала Вселенной.
7 февраля 2001 года с помощью орбитальной обсерватории SOHO было подробно отслежено падение одной из комет на Солнце.
Странное обаяние квантового мира
У Вселенной должно быть начало. На этот результат есть указание уже в классической космологии в виде наличия космологической сингулярности. Здесь важно иметь в виду: сингулярностей в природе не бывает! Не бывает бесконечных энергий. Не бывает нулевых, точечных размеров. Сингулярность - это теоретическая ситуация, это просто честный отказ теории, в которой она появляется, описать действительное положение дел. Любые классические физические представления тут просто не работают. Но классическая космология базируется на ОТО - очень хорошо работающей и очень хорошо подтвержденной теории. Поэтому сингулярность - не просто ошибка, недоразумение, здесь скрывается что-то очень важное: природа как бы хочет нам что-то сообщить, но не на нашем, а на своем языке.
В сингулярности классической космологии в момент начала Вселенной плотность энергии становится бесконечной. А это значит, что реальная Вселенная обладала тогда очень большой плотностью энергии. Еще размер Вселенной здесь стягивается в точку. Это значит, что действительная Вселенная была тогда очень-очень маленькой. А все это вместе означает, что классическая теория должна уступить место неклассической - квантовой теории. Именно она только и может работать в мире очень-очень больших энергий и очень-очень малых размеров. Квантовая теория - другая великая, фундаментальная теория. Вместе с теорией относительности они представляют собой базис современной физической науки. Квантовая теория незримо присутствовала во всем нашем предыдущем повествовании. Элементарные частицы, поля, вакуум, ложный и истинный, но также звезды, черные дыры, даже гравитация - все это ее объекты. Теперь она добралась и до Вселенной в целом - теория самого малого стала незаменимым средством для понимания самого большого.
Естественные науки иногда называют точными. Они действительно точны. Почему? Потому что все величины, характеризующие физическое состояние чего бы то ни было, можно измерить со сколь угодно высокой точностью. Дело только в том, чтобы иметь все более и более точные приборы. Так считает классическая наука - на уверенности в этом она держится. Еще бы! Ведь из этого следует, что состояние любой физической системы, любого объекта в какой угодно момент в будущем можно однозначно определить, зная состояние системы в прошлом. Это называется абсолютным детерминизмом. О том, что принцип детерминизма в науке действует неукоснительно, мы знаем даже из повседневного опыта. Так обстоит дело в любой классической теории. Даже в ОТО, поскольку это тоже классическая теория.
Но в квантовой теории все по-другому. Здесь невозможно одновременно измерить некоторые важнейшие характеристики объектов и систем со сколь угодно высокой точностью. Если точно знаешь одно, то абсолютно ничего не можешь сказать о другом. Это так называемый принцип неопределенности Вернера Гейзенберга. Согласно принципу неопределенности, сумма неточностей, неизбежных при одновременном определении положения и количества движения объекта, имеет некое постоянное значение - она равна постоянной Планка. Это величина квантового масштаба: 1,054 × 10−34 Дж·с. Другая пара "совместно неопределенных" величин, очень важная для космологии, - энергия физической системы и время, где система этой энергией может располагать.
Интересно, что соотношение неопределенностей не является недостатком теории. Это сама реальность, в самой сердцевине своей не дает себя определить абсолютно однозначно и точно. Она всегда имеет тайные пути, чтобы уйти из-под любого точного описания. В квантовом мире много диковин. Населяющие его вещи дурачат нас как хотят. Они нарушают законы сохранения, позволяют себе иметь взаимоисключающие свойства, проявляя то одно, то другое, когда им выгодно. Они могут вдруг возникнуть в совершенной пустоте, показывая, что пустоты-то на самом деле и не бывает. Здесь происходят коллизии, запрещенные физикой. Здесь будущее не определяется однозначно прошлым. Здесь нет ни капли здравого смысла.
Вот шарик, катается в ямке взад-вперед. Представим для определенности, что трения нет, никакие силы на него не действуют, он движется совершенно свободно и никогда не останавливается. За высоким холмом - другая ямка. Шарик никак не может попасть в нее - у него слишком мало энергии, чтобы перепрыгнуть холм-барьер. С точки зрения обычной физики это невозможно. Но в масштабах порядка планковской постоянной шарик может оказаться за барьером. Как это примерно происходит? Барьер почти всегда бывает энергетический - это непреодолимый уровень энергии. Но в квантовом мире действует соотношение неопределенностей! Поэтому шарик, катавшийся в ямке, вдруг может как бы размазаться по всему пространству (конечно, это будет уже не "шарик") и "просочиться" или, как говорят физики, тунеллировать через барьер. Он вновь явится шариком на другой стороне холма. Несколько утрированное, но в целом вполне адекватное описание ситуации, так сказать, "в квантовом свете".
Капли дождя - не совсем капли. Они не "каплевидны": во время падения каждая представляет собой практически идеальную сферу.
Когда Вселенной еще не было
Если Вселенная в пору своего рождения очень мала (а это вполне естественно), то здесь вступают в свои полные права законы квантового мира. Возникновение Вселенной, во всяком случае, должно быть квантовым процессом. Это дает надежду наконец прояснить, что же скрывается за космологической сингулярностью, что она означает. Сингулярность ведь, собственно, и появляется как своеобразная реакция природы на то, что мы хотим описать эволюцию Вселенной от начала и до конца классическим, то есть однозначным и полностью детерминированным образом.
Первая квантово-космологическая "безумная идея" пришла в голову Эдварду Трайону из Хантеровского колледжа при Университете Нью-Йорка. Это было в далеком 1970 году на одном из физических семинаров. Рассказывают, что это было что-то вроде озарения. Доклад был посвящен совершенно другой теме, и во время какой-то паузы Трайон вдруг выкрикнул: "Может быть, Вселенная - это вакуумная флуктуация?!" По сути Трайон был прав. Он понимал (благодаря квантовой теории), что вакуум не пуст и никогда не может быть неподвижным и пустым! Все потому, что действует соотношение неопределенностей. Поскольку в квантовых масштабах всегда есть взаимная неточность в энергии и во времени, в совершенно пустом пространстве (напрочь лишенном какого бы то ни было присутствия вещества) могут на короткое время вдруг появляться элементарные частицы. Это особые частицы. Они есть своего рода "привидения" квантового мира. Но они - не абсолютное "ничто". Они наделены существованием, только каким-то странным: их энергия, их время как бы взяты взаймы у тотальной квантовой неопределенности природы. Вся их жизнь - мимолетная вспышка энергии в результате неустранимой неопределенности в ее значениях. Физики называют эти частицы "виртуальными", а событие их появления - квантовой флуктуацией. А что, если Вселенная рождается, как виртуальная частица, из вакуума? Что, если наша Вселенная - просто квантовая флуктуация?
Коллеги сочли заявление Трайона шуткой. Но он не шутил. Его предположение основывалось на том, что энергия замкнутой вселенной всегда равна нулю. Это хорошо известный математический факт. Энергия материи положительна, гравитационная энергия - отрицательна, и оказывается, что в замкнутой вселенной их вклады в точности сокращаются. Таким образом, если вселенная с суммарной энергией, равной нулю, рождается как квантовая флуктуация, то для ее рождения ничего не потребуется, ничего "брать взаймы" не нужно. Тогда время жизни подобной флуктуации может быть сколь угодно большим.
У трайоновской теории возникновения мира была одна, так сказать, "логическая" проблема. Дело в том, что эта теория по существу не объясняет, откуда произошла Вселенная. В принципе, объединив средства квантовой теории поля и ОТО, можно последовательно описать, как крошечная замкнутая вселенная отделяется от уже существующей области пространства. Это сделал в 1973 году харьковский физик Петр Фомин (в статье Трайона того же года этого сделано не было). Возможно, и сама идея возникла впервые именно у Фомина - он назвал это гравитационной неустойчивостью. Статья Трайона была опубликована в престижнейшем физическом журнале "Nature". А Петр Фомин не имел возможности попасть в это издание и опубликовал свою работу в УССР.
Но независимо от того, кто был первым, идея такого начала Вселенной страдает все той же "болезнью" регрессии. Действительно, Вселенная возникает как квантовая флуктуация вакуума, пустого пространства. Но откуда взялось само пространство? Мы ведь ведем речь о начале всей Вселенной!
Кроме того, непонятно, как родившаяся вселенная может быть такой большой. Ведь новорожденная вселенная должна быть планковских размеров - примерно 10–33 см. При таком размере вселенная сразу же после появления моментально сожмется обратно, в сингулярность - сколлапсирует! Никакой большой вселенной, таким образом, не получится. В принципе, поскольку полная энергия замкнутой вселенной равна точно нулю, она может родиться сразу большой. Но вероятность этого события примерно такая же, как у того, что стая галдящих под вашим окном воробьев вдруг прочирикает от начала до конца пятую симфонию Бетховена.