Время, когда обе кривые пересекаются при более высоком значении энергии пустого пространства — это время, когда галактики впервые сформировались, примерно через миллиард лет после Большого Взрыва. Но напомню, что энергия пустого пространства является гравитационно отталкивающей. Если бы она стала доминирующей энергией Вселенной до времени формирования галактик, сила отталкивания, вызванная этой энергией, перевесила бы (в буквальном смысле) нормальную притягивающую гравитационную силу, которая заставляет материю собираться вместе. И галактики никогда бы не сформировались!
Но если бы не сформировались галактики, то не сформировались бы и звезды. А если бы не сформировались звезды, не сформировались бы и планеты. А если бы не было планет, то не было бы и астрономов!
Так, во Вселенной с энергией пустого пространства лишь в 50 раз больше, чем та, что мы наблюдаем, по-видимому, сейчас не было бы никого, кто попытался бы измерить эту энергию.
О чем это нам может говорить? Вскоре после открытия нашей ускоряющейся Вселенной физик Стивен Вайнберг предположил, основываясь на аргументах, которые он разработал больше десяти лет назад — до открытия темной энергии — что «проблема совпадений» может быть решена, если, возможно, значение космологической постоянной, которую мы измеряем сегодня, было почему-то выбрано «антропно». То есть, если каким-то образом было много вселенных, и в каждой вселенной энергия пустого пространства имела случайно выбранное значение, основанное на некотором распределении вероятностей среди всех возможных энергий, то только в тех вселенных, в которых значение не сильно отличается от того, что измеряем мы, могла бы развиться жизнь, какую мы знаем. Поэтому, возможно, мы оказались во вселенной с крошечной энергией пустого пространства, потому что мы не могли бы находиться во вселенной с гораздо большим ее значением. Иными словами, не слишком удивительно, что мы живем во вселенной, в которой мы можем жить!
Этот аргумент, однако, имеет математический смысл только тогда, когда есть вероятность, что возникло много различных вселенных. Разговоры о множестве различных вселенных могут звучать как оксюморон. В конце концов, традиционное понятие Вселенной стало синонимом «всего, что существует».
Однако в последнее время Вселенная приобрела более простое и, пожалуй, более разумное значение. Сейчас принято представлять себе «нашу» вселенную, как состоящую просто из совокупности всего, что теперь мы можем видеть, и всего, что мы могли бы увидеть когда-либо. Следовательно, физически наша Вселенная состоит из всего, что когда-то могло оказать влияние на нас, или когда-то окажет.
Как только мы выбираем это определение Вселенной, другие «вселенные» — области, которые всегда были и всегда будут причинно несвязанны с нашей, как острова, отделенные от всякой коммуникации друг с другом океаном пространства — становятся возможными, по крайней мере, в принципе.
Наша Вселенная настолько огромна, что, как я уже подчеркивал, то, что не является невозможным, практически гарантированно случается где-то внутри нее. Редкие события происходят все время. Вы можете спросить, применяется ли тот же принцип к возможности существования множества вселенных, или мультивселенной., как эту идею теперь называют. Оказывается, что эта теоретическая ситуация на самом деле сильнее, чем просто возможность. Ряд основных идей, которые движут большей частью работ в теории частиц сегодня, похоже, требуют мультивселенной.
Я хочу это подчеркнуть, потому что в дискуссиях с теми, кто чувствует необходимость существования творца, мультивселенная рассматривается как отговорка, задуманная физиками, у которых кончились ответы, а может быть и вопросы. Возможно, в конечном итоге это будет верным, но сейчас это не так. Почти все логические возможности, которые можно себе представить, рассматривая расширяющиеся законы физики, как мы их знаем на малых масштабах, в более полной теории предполагают, что в больших масштабах наша Вселенная не является уникальной.
Явление инфляции дает, пожалуй, первое, и, возможно, лучшее разумное объяснение. В инфляционной картине, на этапе, когда огромная энергия временно доминирует в некоторой области Вселенной, эта область начинает расширяться в геометрической прогрессии. В какой-то момент небольшая область в этом «ложном вакууме» может завершить инфляцию, когда в этой области происходит фазовый переход, и поле в ней ослабевает до истинного, более низкого значения энергии; расширение в этой области перестает быть экспоненциальным. Но пространство между такими областями будет продолжать расширяться в геометрической прогрессии. В любой момент времени, пока фазовый переход не завершится во всем пространстве, почти все пространство находиться в области инфляции. И область инфляции отделит те области, которые первыми закончили расширяться, почти непостижимыми расстояниями. Это подобно лаве, выплескивающейся из вулкана. Некоторые породы будут остывать и затвердевать, но их разнесет далеко друг от друга, поскольку они плавают в море жидкой магмы.
Ситуация может быть еще более драматичной. В 1986 году Андрей Линде, который вместе с Аланом Гутом был одним из главных архитекторов современной инфляционной теории, выдвинул и исследовал, возможно, еще более широкий сценарий. Его в некотором смысле предвосхитил другой изобретательный российский космолог в Соединенных Штатах, Алекс Виленкин. И Линде, и Виленкин обладали внутренней уверенностью, которую можно найти в великих русских физиках, но их история совершенно разная. Линде преуспевал в старой советской физике, заложенной до иммиграции в США после падения Советского Союза. Дерзкий, блестящий и смешной, он продолжал оказывать влияние на большую часть теоретической космологии частиц в этот период. Виленкин эмигрировал гораздо раньше, прежде чем он стал физиком, и работал в США в различных местах, в том числе ночным сторожем, пока учился. И, несмотря на то, что он всегда интересовался космологией, он случайно подал заявление по дипломной работе не на тот факультет и, в конечном итоге, защитил диссертацию в области физики плотных сред — физике материалов. Затем он получил место старшего научного сотрудника в Западном резервном университете Кейза, где я впоследствии стал профессором. В течение этого периода он попросил своего руководителя, Филипа Тейлора, дать ему возможность проводить несколько дней в неделю, работая в области космологии, в дополнение к его назначенным проектам. Филипп сказал мне позже, что даже при этой частичной занятости Алекс был наиболее продуктивным постдоком, который у него когда-либо был.
Так или иначе, Линде признал, что, хотя квантовые флуктуации во время инфляции могут часто поддерживать поле, что ведет инфляцию к низкоэнергетическому состоянию и поэтому обеспечивает ее постепенное прекращение, всегда есть возможность того, что в некоторых областях квантовые флуктуации будут вести поле к еще более высоким энергиям, и, следовательно, уводить от значений, где инфляция прекратится, так что инфляция будет продолжаться прежними темпами. Поскольку такие области будут расширяться в течение более длительных периодов времени, будет гораздо больше пространства, которое расширяется, чем того, которое не расширяется. В этих областях квантовые флуктуации снова будут вынуждать некоторые подобласти прекратить инфляцию и тем самым прекратить экспоненциальное расширение, но снова же, будут области, где квантовые флуктуации приведут к тому, что инфляция сохранится еще дольше. И так далее.
Эта картина, которую Линде назвал «хаотической инфляцией», на самом деле больше напоминает знакомые хаотические системы на Земле. Возьмите, например, кипящую овсянку. В любой момент на ее поверхности может лопнуть пузырек газа, отображая области, где жидкость при высокой температуре завершает фазовый переход в форму пара. Но между пузырьками овсянка перемешивается и течет. В больших масштабах существует закономерность — всегда где-то появляются пузырьки. Но локально все обстоит иначе, в зависимости от того, куда посмотреть. Так же было бы в хаотически раздувающейся Вселенной. Если кто-то окажется внутри «пузыря» основного состояния, который прекратил раздуваться, то его Вселенная может показаться совершенно отличной от подавляющего объема пространства вокруг нее и будет по-прежнему раздуваться.
В этой картине инфляция вечна. В некоторых областях, на самом деле в большей части пространства, будет всегда продолжаться инфляция. Те области, в которых инфляция прекратилась, станут отдельными, причинно несвязанными вселенными. Я хочу подчеркнуть, что мультивселенная неизбежна, если инфляция вечна, а вечная инфляция на сегодняшний день является, безусловно, наиболее вероятным вариантом большинства, если не всех, инфляционных сценариев. Как выразился Линде в своей статье 1986 года:
Старый вопрос, почему наша Вселенная является единственно возможной, в настоящее время заменяется вопросом, в котором теории существования мини-вселенных нашего типа [являются] возможными. Этот вопрос по-прежнему очень сложен, но он намного легче, чем предыдущий. По нашему мнению, изменение точки зрения на глобальную структуру Вселенной и на наше место в этом мире является одним из важнейших следствий развития сценария расширяющейся Вселенной.
Как подчеркнул Линде, и как с тех пор стало ясно, эта картина также обеспечивает еще одну новую возможность для физики. Вполне может быть, что в природе существует множество возможных квантовых низкоэнергетических состояний Вселенной, на которые расширяющаяся Вселенная в конечном итоге может распадаться. Поскольку конфигурация квантовых состояний этих полей будет отличаться в каждой таком области, характер фундаментальных законов физики в каждой области / вселенной может отличаться.
Здесь возникает первый «ландшафт», в котором антропный аргумент, приведенный ранее, мог бы утратить свою силу. Если есть много различных состояний, в которых наша Вселенная может оказаться после инфляции, возможно, то, в котором мы живем, то, в котором есть ненулевая энергия вакуума, достаточно маленькая, чтобы сформировались галактики — это лишь одно из потенциально бесконечного семейства состояний, которое выбрано для любознательных ученых, поскольку поддерживает галактики, звезды, планеты, и жизнь.
Термин «ландшафт», однако, не впервые появляется в этом контексте. Этому способствовало гораздо более эффективная маркетинговая машина, связанная с сильной командой, которая двигала теорию частиц на протяжении большей части последней четверти века — теория струн. Теория струн утверждает, что элементарные частицы состоят из более фундаментальных составляющих, и не частиц, а объектов, которые ведут себя как колеблющиеся струны. Так же, как колебания струн на скрипке могут издавать различные ноты, так же в этой теории различные виды колебаний создают объекты, которые могли бы, в принципе, вести себя как все различные элементарные частицы, которые мы находим в природе. Загвоздка, однако, в том, что теория математически не сообразна, если задана только в четырех измерениях, а требует, похоже, гораздо больше, чтобы иметь смысл. Что происходит с другими измерениями — не очень понятно, равно как и вопрос о том, какие другие объекты, кроме струн, могут быть важны для определения теории — и это лишь некоторые из многих нерешенных проблем, которые предстают перед учеными и несколько притупляют начальный энтузиазм по отношению к этой идее.
Здесь не место тщательно рассматривать теорию струн, и, в сущности, тщательный анализ, вероятно, невозможен, так как если и стало что-то ясно в последние двадцать пять лет, так это то, что теория, раньше называемая теорией струн, явно представляет собой нечто гораздо более замысловатое и сложное, чья фундаментальная природа и строение до сих пор остается загадкой.
Мы по-прежнему не знаем, имеет ли эта замечательная теоретическая конструкция фактически хоть что-то общее с реальным миром. Тем не менее, пожалуй, ни одна теоретическая картина никогда так успешно не проникала в сознание физиков, не демонстрируя свою способность успешно решить хоть одну экспериментальную тайну природы.
Многие люди воспримут последнюю фразу как критику теории струн, но хотя я был заклеймен в прошлом как клеветник, на самом деле у меня здесь нет такого намерения, равно как и не было в многочисленных лекциях и благонамеренных публичных дебатах по этому вопросу, которые я вел с моим другом Брайаном Грином, одним из главных сторонников теории струн. Скорее, я думаю, важно просто преодолеть шумиху для проверки реальности. Теория струн содержит увлекательные идеи и математику, которые могли бы пролить свет на одно из самых фундаментальных противоречий в теоретической физике — нашу неспособность представить общую теорию относительности Эйнштейна в форме, которая может быть совместимой с законами квантовой механики, что привело бы к разумным предсказаниям о том, как Вселенная ведет себя на самых малых масштабах.
Я написал целую книгу о том, как теория струн попыталась обойти эту проблему, но для наших целей здесь необходим только очень краткий обзор. Основной план легко изложить, даже если трудно реализовать. На очень малых масштабах, соответствующих масштабам, где впервые могут обнаружиться проблемы между гравитацией и квантовой механикой, элементарные струны могут сворачиваться в замкнутые петли. Среди множества возбужденных состояний таких замкнутых петель всегда существует одно такое состояние, которое обладает свойствами частицы, передающей, в квантовой теории, гравитацию — гравитона. Таким образом, квантовая теория таких струн обеспечивает, в принципе, игровое поле, на котором может быть построена истинная квантовая теория гравитации.
И действительно, было обнаружено, что такая теория может избежать досадных бесконечностей в предсказаниях стандартных квантовых подходов к гравитации. Однако была одна загвоздка. В простейшей версии теории такие бесконечности в прогнозах могут быть устранены, только если струны, образующие элементарные частицы, вибрируют, и не просто в трех пространственных измерениях и одном временном, с которыми мы все знакомы, а в двадцати шести измерениях!
Можно было бы ожидать, что такого скачка сложности (и, возможно, веры) будет достаточно, чтобы отвернуть большинство физиков от теории, но в середине 1980-х некоторые красивые математические работы целого ряда ученых, в первую очередь Эдварда Виттена из Института перспективных исследований, показали, что теория в принципе может сделать гораздо больше, чем просто создать квантовую теорию гравитации. Внеся новые математические симметрии, особенно удивительно мощную математическую структуру, называемую «суперсимметрией», стало возможным уменьшить число измерений, необходимых для состоятельности теории, с двадцати шести до всего лишь десяти.
Более важным, однако, казалось, что в контексте теории струн можно объединить гравитацию с другими силами в природе в единую теорию, и, кроме того, можно объяснить существование каждой отдельной элементарной частицы, известной в природе! Наконец, казалось, что может быть одна единственная теория в десяти измерениях, которая воспроизводила бы все, что мы видим в нашем четырехмерном мире.
Начали выдвигаться заявки на разработку «теории всего», и не только в научной, но и в популярной литературе. В результате, возможно, больше людей знакомы с «суперструнами», чем со «сверхпроводимостью» — последнее представляет собой замечательный факт, что, когда некоторые материалы охлаждаются до экстремально низких температур, они могут проводить электричество без всякого сопротивления вообще. Это не только одно из самых замечательных свойств материи, которое когда-либо наблюдали, но оно даже изменило наше понимание квантового строения веществ.
Увы, прошедшие двадцать пять лет не были успешными для теории струн. Несмотря на то, что лучшие теоретические умы в мире начали сосредотачивать на ней свое внимание, выдавая массу новых результатов и по ходу множество новой математики (Виттен, например, завоевал высшую награду в области математики), стало понятно, что «струны» в теории струн, вероятно, не фундаментальные объекты вообще. Поведение этой теории, вероятно, контролируют другие, более сложные структуры, «браны», названные в честь мембран в клетках, которые существуют в более высоких измерениях.
Что еще хуже, стала исчезать уникальность теории. В конце концов, мы ощущаем себя не в десятимерном мире, а в четырехмерном. Что-то должно произойти с остальными шестью пространственными измерениями, и каноническое объяснение их невидимости — это то, что они каким-то образом «компактифицированы», то есть, свернуты на таких малых масштабах, что мы не можем объяснить их на наших масштабах или даже на крошечных масштабах, исследуемых сегодня на наших ускорителях самых высокоэнергетических частиц.
Есть разница между этими предлагаемыми скрытыми областями и сферами духовности и религии, даже если они могут не показаться такими разными на первый взгляд. Во-первых, они доступны в принципе, если можно будет построить достаточно энергичный ускоритель — возможно, за пределами реальности, но не за пределами возможности. Во-вторых, можно было бы надеяться, как и для виртуальных частиц, найти некоторые косвенные свидетельства их существования через объекты, которые мы можем изучать в нашей четырехмерной Вселенной. Короче говоря, поскольку эти измерения были предложены в рамках теории, разработанной, чтобы реально попытаться объяснить Вселенную, а не обосновать ее, они могли бы, в конечном итоге, быть доступными для эмпирической проверки, даже если вероятность этого мала.