Рис. 5.8. Инфляция может порождать бесконечные вселенные внутри того, что со стороны выглядит как объем субатомного размера. Наблюдатель внутри увидит, что а одновременно с б, а в – с г. Бесконечная U-образная поверхность, где заканчивается инфляция, – для него момент нуль, а бесконечная U-образная поверхность, где формируются атомы, – момент 400 тыс. лет, и т. д. Для простоты здесь проигнорировано расширение пространства, а также два из его трех измерений.
А вот и суть фокуса: согласно общей теории относительности, наблюдатель, живущий в одной из галактик, будет воспринимать пространство и время иначе, нежели я определил их с помощью осей координат на своем рисунке. Наше физическое пространство не содержит встроенных сантиметровых отметок, которые есть на линейках. Нет у Вселенной и заранее установленных часов. Вместо этого любой наблюдатель может определить свои собственные мерные стержни и часы, которые, в свою очередь, определяют его представления о пространстве и времени. Эта идея восходит к одной из догадок Эйнштейна: наблюдатели могут воспринимать пространство и время по-разному. Например, относительной может быть одновременность.
Представьте, что вы отправляете электронное письмо подруге-астронавту на Марс: «Привет! Как у тебя дела?» Через десять минут она получает ваше сообщение, переданное ей со скоростью света посредством радиоволн. Пока вы ждете, приходит письмо из Нигерии с предложением задешево купить «Ролекс». Еще через десять минут вы получаете ответ с Марса: «Все хорошо, но тоскую по Земле».
Теперь вопрос: что произошло раньше – вы получили спам или ваша подруга-астронавт отправила вам сообщение? Поразительно, но, как догадался Эйнштейн, на этот простой вопрос нет простого ответа. Оказывается, правильный ответ зависит от скорости того, кто на него отвечает! Например, если я, пролетая мимо Земли к Марсу на космическом корабле, перехватываю эти три сообщения и анализирую ситуацию, то по моим бортовым часам ваша подруга на Марсе отправила сообщение раньше, чем вы получили спам. Если же я лечу в обратную сторону, то, по-моему, спам вы получили раньше. Вы сбиты с толку? То же самое было с большинством коллег Эйнштейна, когда он представлял свою теорию относительности, однако бесчисленные эксперименты с тех пор подтвердили, что время устроено именно так. Единственный случай, когда мы можем твердо сказать, что событие на Марсе произошло раньше, чем событие на Земле, это когда сообщение с Марса, отправленное после марсианского события, приходит на Землю раньше земного события.
Теперь применим все это к ситуации на рис. 5.8. Наблюдателю вне данной области может показаться разумным определить пространство как горизонтальное направление, а время как вертикальное (см. рисунок), так что четыре события, обведенных кружками, произошли в следующем порядке: a, б, в, г. Более того, событие б определенно случилось раньше г, поскольку можно представить себе отправку сообщения от б к г. Аналогично событие а определенно произошло прежде в. Но можно ли быть вполне уверенным, что а случилось раньше б, притом что два эти события произошли слишком далеко друг от друга, чтобы свет успел дойти от одного до другого? Ответ Эйнштейна – нет. Для наблюдателя, живущего в одной из этих галактик, разумнее принять, что инфляция закончилась в определенный зафиксированный момент времени, поскольку конец инфляции соответствует его Большому взрыву, так что для него события а и б одновременны. Как видите, поверхность «конца инфляции» не горизонтальна. Она бесконечна, поскольку изгибается наподобие буквы U у левого и правого краев рисунка, где, как мы договорились, инфляция никогда не заканчивается. Это значит, что с точки зрения данного наблюдателя его Большой взрыв произошел в один момент в истинно бесконечном пространстве! Откуда эта бесконечность? Она проникла через бесконечность доступного будущего времени, поскольку пространственное измерение данного наблюдателя все сильнее загибается вверх.
Аналогичным образом наблюдатель придет к выводу, что его пространство бесконечно и в последующие времена. Например, если он поставит эксперимент по изучению космического микроволнового фона, чтобы получить «детские фотографии» своей 400-тысячелетней вселенной, плазменная поверхность, изображение которой он получит, будет соответствовать поверхности на рисунке, где протоны и электроны объединяются в прозрачные (невидимые) атомы водорода. Поскольку, как вы видите, это также бесконечная U-образная поверхность, наблюдатель сочтет свою 400-тысячелетнюю вселенную бесконечной. Он также будет считать события в и г одновременными, так как они лежат на U-образной поверхности, где формируются первые галактики, и т. д. Поскольку вложить друг в друга можно бесконечное число U-образных кривых, наблюдатель будет считать, что его вселенная бесконечна и в пространстве, и во времени, хотя для внешнего наблюдателя вся она вписывается в исходную область субатомного размера. Пространство расширяется внутрь, не требуя увеличения места, которое оно занимает при наблюдении извне: Эйнштейн позволил пространству растягиваться и порождать дополнительный объем из ничего. На практике эта бесконечная вселенная может выглядеть извне как черная дыра субатомного размера. Надо сказать, что Алан Гут и его коллеги изучили спорную возможность проделать этот фокус, получив в лаборатории нечто, выглядящее снаружи как маленькая черная дыра, а изнутри как бесконечная вселенная. Вопрос, действительно ли такое возможно, пока открыт. Если желаете стать демиургом, рекомендую инструкции Брайана Грина для «амбициозных творцов вселенных» из его книги «Скрытая реальность».
Выше мы взялись за инфляцию из-за неудовлетворительных ответов, которые фридмановская теория Большого взрыва дает на фундаментальные вопросы. Поэтому закончим ответами, которые дает теория инфляции:
– Что стало причиной нашего Большого взрыва?
– Многократное удвоение в размерах взрывчатой субатомной капли инфлирующей материи.
– Произошел ли наш Большой взрыв в одной точке?
Почти: он начался в области пространства размером много меньше атома.
– Где именно в пространстве произошел наш Большой взрыв?
– В указанной крошечной области. Инфляция, однако, растянула ее примерно до размеров грейпфрута, растущего столь быстро, что последующее расширение сделало его больше всего пространства, которое мы наблюдаем сейчас.
– Как бесконечное пространство может быть порождено за конечное время?
– Инфляция порождает бесконечное число галактик и продолжается вечно. Согласно общей теории относительности, наблюдатель в одной из галактик будет видеть пространство и время по-своему, воспринимая пространство как имеющее бесконечные размеры уже в момент окончания инфляции.
Подведем итоги. Теория инфляции радикально трансформировала представления о нашем космическом происхождении, заменив неуклюжие ответы, которые давала фридмановская модель Большого взрыва, простым механизмом, порождающим наш Большой взрыв почти из ничего. Теория инфляции дала нам много больше, чем мы надеялись: пространство, которое не просто огромно, а действительно бесконечно – в нем бесконечное число галактик, звезд и планет. И это лишь верхушка айсберга.
Резюме
• Фридмановская модель испытывает серьезные трудности с объяснением самых ранних стадий Большого взрыва…
• …а теория инфляции разрешает их все и объясняет механизм возникновения Большого взрыва.
• Инфляция объясняет, почему пространство плоское (это подтверждено наблюдениями с погрешностью около 1 %),
• и почему отдаленные области нашей Вселенной выглядят в среднем одинаково во всех направлениях (с флуктуациями от места к месту величиной всего 0,002 %).
• Теория инфляция объясняет происхождение этих флуктуаций квантовыми флуктуациями, которые были сначала растянуты инфляцией от микроскопических до макроскопических масштабов, а затем усилены гравитацией, благодаря чему образовались современные галактики и крупномасштабная структура Вселенной.
• Теория инфляция объясняет даже космическое ускорение (отмечено Нобелевской премией 2011 года) – как перезапуск инфляции в рапиде с удвоением размеров Вселенной не за долю секунды, а за 8 млрд лет.
• Теория инфляции предполагает, что наша Вселенная росла во многом подобно ребенку: за фазой ускоренного роста, когда размеры удваивались с фиксированными интервалами во времени, последовала фаза замедления роста.
• То, что мы называем Большим взрывом, было не началом, а скорее концом – концом инфляции в нашей области пространства. В других областях инфляция обычно продолжается вечно.
• В общем случае теория инфляции предсказывает, что наше пространство не просто огромно, а бесконечно и заполнено бесконечным числом галактик, звезд и планет, начальные условия для которых сформированы случайными квантовыми флуктуациями.
Глава 6. Добро пожаловать в мультиверс
Готовы ли вы к спорным темам? Наука, с которой мы до сих пор знакомились в этой книге, сегодня в основном не вызывает разногласий. Но теперь мы вступаем в дискуссионную область: многие мои коллеги-физики будут горячо агитировать «за» или «против» идей, о которых сейчас пойдет речь.
Мультиверс I уровня
Существует ли точная ваша копия, читающая мою книгу и решившая отложить ее, не закончив это предложение? Человек, живущий на планете Земля с туманными горами, плодородными полями и растущими городами, – планете, находящейся в Солнечной системе вместе с другими 7 планетами? Жизнь этого человека была идентична вашей вплоть до настоящего момента, когда, решив продолжить чтение, вы породили расхождение между своими жизнями.
Вероятно, вы сочтете идею странной, и, должен признаться, у меня была такая же инстинктивная реакция. И все же нам, по-видимому, придется с ней смириться, поскольку простейшая и наиболее популярная сейчас космологическая модель предсказывает, что такой человек действительно существует в галактике на расстоянии около 101029м. Для этого утверждения даже не требуется спекулятивных допущений современной физики – достаточно того, что пространство бесконечно и более или менее однородно заполнено материей. Ваш двойник – это просто предсказание теории вечной инфляции, которая согласуется со всеми современными наблюдательными данными и служит основой большинства расчетов и моделей, представляемых на космологических конференциях.
Что такое Вселенная?
Прежде чем говорить о других вселенных, важно пояснить, что мы подразумеваем под собственной. Вот терминология, которой я буду пользоваться:
Физическая реальность – это все, что существует.
Наша Вселенная – это часть физической реальности, которую мы в принципе можем наблюдать.
Если пренебречь квантовыми осложнениями, которыми мы займемся в гл. 7, следующее определение Вселенной эквивалентно приведенному.
Наша Вселенная – это сферическая область пространства, в которой свету хватит времени, чтобы дойти до нас за 14 млрд лет, прошедших с момента нашего Большого взрыва.
В предыдущей главе мы назвали эту область наблюдаемой Вселенной. Более наукообразный синоним, популярный у астрономов, – объем внутри космологического горизонта[19]. Астрономы любят говорить и о нашем хаббловском объеме, размер которого примерно таков же и определяется как область, внутри которой галактики удаляются медленнее, чем свет.
Имея в виду, что могут существовать другие вселенные, я считаю излишне высокомерным называть нашу собственную – этой Вселенной, так что я постараюсь вовсе избегать данного термина. Но это, конечно, дело вкуса, например, ньюйоркцы называют свой город просто «Городом», а американцы и канадцы говорят о своем бейсбольном чемпионате как о «Мировой серии».
Хотя эти определения могут показаться разумными, имейте в виду, что некоторые авторы применяют эти термины иначе. Кое-кто использует выражение «эта Вселенная» (которого я избегаю) для обозначения всего, что существует, и в таком случае по определению не может быть никаких параллельных вселенных.
Теперь, когда мы дали определение нашей Вселенной, хорошо бы узнать, насколько она велика. Вселенная – это сферическая область с центром на планете Земля. Материя у края Вселенной, от которой свет едва успел дойти до нас за 14 млрд лет, находится сейчас на расстоянии 5 × 1026 м[20]. Насколько сегодня известно, Вселенная содержит около 1011 галактик, 1023 звезд, 1080 протонов и 1089 фотонов.
Это, конечно, огромное количество материи, но может ли ее в дальнем космосе быть еще больше? Теория инфляции предсказывает, что так и есть. Вселенная вашего двойника, если она существует, – сфера такого же размера, центр которой где-то очень далеко от нас. Мы не можем ее увидеть и не можем ни с чем в ней взаимодействовать, поскольку ни свет, ни какая-либо другая информация из нее еще не успели до нас дойти. Это простейший пример параллельных вселенных. Я предпочитаю называть эту разновидность – отдаленную область пространства размером с нашу Вселенную – параллельной вселенной I уровня. Все параллельные вселенные I уровня образуют мультиверс I уровня. В табл. 6.1 даны определения всех разновидностей мультиверсов, о которых говорится в книге, и поясняется, как они взаимосвязаны.
Само наше определение Вселенной будто подразумевает, что понятие наблюдаемой Вселенной относится к небольшой части огромного мультиверса, который навсегда останется в ведении метафизики. Эпистемологическая граница между физикой и метафизикой определяется исходя из возможности экспериментальной проверки теории, а не из того, насколько странной теория кажется и ссылается ли она на ненаблюдаемые сущности. Экспериментальные прорывы, ставшие возможными благодаря развитию технологий, расширяют горизонты физики, которые охватывают все более абстрактные (и в момент их появления контринтуитивные) представления, например: сферическая вращающаяся Земля, электромагнитное поле, замедление времени на высоких скоростях, квантовые суперпозиции, искривленное пространство и черные дыры. Становится все яснее, что теории, основанные на современной физике, в действительности могут быть предсказательными, эмпирически проверяемыми и фальсифицируемыми, несмотря на то, что они включают в себя понятие мультиверса. В оставшейся части этой книги мы будем исследовать целых четыре уровня параллельных вселенных, и лично для меня самый интересный вопрос состоит не в том, существует ли мультиверс (поскольку существование его I уровня не вызывает сомнений), а в том, сколько внутри него уровней.
На что похожи параллельные вселенные I уровня?
Допустим, инфляция действительно имела место и сделала наше пространство бесконечным. В таком случае существует бесконечное число параллельных вселенных I уровня. Более того, как показано на рис. 5.8, бесконечное пространство в момент его образования было заполнено материей, которая, как и в нашей Вселенной, постепенно образовывала атомы, галактики, звезды и планеты. Это значит, что большинство параллельных вселенных I уровня имеет в общих чертах такую же космологическую историю, как и наша Вселенная. Однако большинство их отличается от нашей Вселенной в деталях, поскольку их начальные состояния немного различались. Причины этого, как я говорил в предыдущей главе, в том, что первичные флуктуации, ответственные за появление всех космических структур, были порождены квантовыми флуктуациями, которые во всех отношениях совершенно случайны.
Физическое описание нашего мира традиционно делится на две части: с чего все началось и как все изменяется. Иными словами, мы имеем начальные условия и законы физики, указывающие, как начальные условия меняются с течением времени. Наблюдатели в параллельных вселенных I уровня открывают точно такие же законы физики, как и мы, однако с иными начальными условиями. Так, частицы начинают движение из немного иных мест и двигаются со слегка отличными скоростями. Именно небольшие различия определяют, что в конце концов случится в соответствующих вселенных: какие области пространства превратятся в галактики, а какие станут межгалактическими пустотами, у каких звезд будут планеты, на каких из них появятся динозавры и на каких они погибнут из-за столкновения с астероидом, и т. д. Иначе говоря, вызванные квантовыми явлениями различия между параллельными вселенными, со временем усиливаясь, порождают совершенно разные истории. Короче, студенты в параллельных вселенных I уровня будут изучать одни и те же законы на занятиях по физике, но разные факты на занятиях по истории.