Космический ландшафт - Леонард Сасскинд

Уверен, вы уже догадались, что по мере движения по плато Вселенная расширяется, поскольку энергия вакуума велика и положительна. Если плато достаточно плоское и Вселенная катится по нему медленно, она удвоит свои размеры много раз, прежде чем скатится вниз в долину. Это и есть эпоха инфляционного расширения, только в более современной форме, чем впервые описанная Старобинским и Гутом. Если Вселенная удвоит свои размеры сто или более раз на протяжении этой стадии, то она вырастет до таких неимоверных масштабов, что будет всюду гладкой и однородной, как того и требуют данные наблюдений реликтового излучения.

В конце концов скольжение по плато приведёт Вселенную на его край, откуда она скатится в долину, где и останется вплоть до настоящего времени. Если высота низшей точки долины не совсем нулевая, то в течение последующего длительного времени Вселенная будет иметь небольшую космологическую постоянную. Если по счастливому стечению обстоятельств космологическая постоянная в долине окажется достаточно мала и прочие фундаментальные константы тоже подобраны аккуратно, то в этом кармане сформируются галактики, звёзды и планеты и, возможно, возникнет жизнь. Если нет, то карман останется стерильным. Во всех известных мне космологических моделях присутствует этот процесс скатывания Вселенной из области с большой космологической постоянной в область с малой. Может ли кто-нибудь серьёзно сомневаться в том, что в истории и географии Вселенной есть что-то ещё, кроме этого краткого эпизода и этого крошечного кармана?

Но погодите! Кое-что неправильно в этой картинке. Если Вселенная на инфляционной стадии расширяется настолько сильно, то следует ожидать, что она будет невероятно однородной. Морщины расправятся настолько сильно, что не останется вообще никаких неоднородностей фона реликтового излучения. Но мы уже знаем, что без небольших неоднородностей не смогли бы сформироваться галактики и Вселенная осталась бы гладкой на неопределённый срок. Мы, похоже, переложили гомогенизатора в нашу овсяную кашу.

Решение этой головоломки содержит столь радикальную и удивительную идею, что поначалу возникает соблазн отбросить её как «журавля в небе». Но она выдержала испытание временем и в настоящее время представляет собой один из краеугольных камней современной космологии. И опять честь первооткрывателя принадлежала молодому советскому космологу Вячеславу Муханову, изучавшему работы Старобинского. История повторяется: теория Муханова оставалась неизвестной за пределами СССР, пока её независимо не переоткрыли несколько групп, работавших в США.

Квантовая механика и её волнующие открытия обычно рассматриваются как нечто, описывающее явления микромира, но никак не мира галактик и явлений космического масштаба. И вот теперь выясняется, что если не все, то некоторые из галактик и других крупномасштабных структур являются остатками первичных квантовых флуктуаций, которые растянуты до космических масштабов неудержимо расширяющейся на инфляционной стадии Вселенной и усилены безжалостной гравитацией.

Представление Вселенной в виде точки на космическом Ландшафте слишком упрощённо. Как и все прочие квантовые поля, поле Хиггса тоже подвержено квантовой дрожи. Квантовая механика утверждает, что все поля флуктуируют в пространстве от точки к точке. Никакая инфляция не способна полностью сгладить квантовые флуктуации, которые присущи любому полю. Это верно и для нашего сегодняшнего вакуума, и было верно в эпоху быстрого экспоненциального расширения. Но быстрая инфляция делает с этими колебаниями нечто, что никогда не происходит (в заметной степени) в нашей сегодняшней медленно расширяющейся Вселенной, – она разглаживает старые морщины, но на их месте тут же возникают новые. Новые морщины возникают поверх старых и в свою очередь тоже растягиваются в течение всего времени расширения Вселенной. К моменту завершения инфляционной фазы, когда Вселенная начинает падать в долину, накопленные квантовые морщины формируют узор из вариаций плотности, из которого в конечном итоге образуются галактики.

Эти замороженные квантовые морщины отпечатываются на поверхности последнего рассеяния, приводя к наблюдаемым небольшим изменениям фона реликтового излучения. Обнаружение связи между квантовой теорией, описывающей микромир, и крупномасштабными астрономическими структурами макромира является одним из величайших достижений космологии.

Заканчивая эту главу, я хочу сформулировать два наиболее важных вывода, которые вытекают из космологических наблюдений в течение последнего десятилетия. Во-первых, мы узнали шокирующую новость: космологическая постоянная действительно существует. Её первые 119 десятичных знаков равны нулю, но в 120-м разряде появляются значащие цифры!

Во-вторых, выяснилось, что инфляционная теория имеет наблюдательное подтверждение в виде изменений космического микроволнового фонового излучения. Очевидно, что Вселенная в течение некоторого периода времени расширялась экспоненциально, а это, в свою очередь, означает, что вся Вселенная на много, много порядков больше, чем наблюдаемая нами её часть.

Эти два великих открытия выглядят весьма тревожными. Если мы запустим руку в мешок, наполненный случайными числами, и вытащим оттуда пригоршню фундаментальных физических констант, то среди них с почти стопроцентной вероятностью не окажется ни малой космологической постоянной, ни подходящего времени инфляционной фазы. Оба числа требуют невероятно точной настройки. Как мы уже видели ранее, Вселенная выглядит так, будто была специально спроектирована для нас.

Но об этом в следующей главе.

Глава 6. О мороженой и варёной рыбе

Очевидно, что при рассказе о физике аудитории, состоящей из не-физиков, всевозможные аналогии и метафоры часто оказываются поистине бесценными. Но для меня они также являются мощными мыслительными инструментами – моими собственными идиосинкратическими инструментами. Часто, чтобы убедить самого себя в справедливости какой-нибудь очень сложной точки зрения, я изобретаю аналогии, которые позволяют легко увидеть решение проблемы с неожиданного ракурса.

Антропный принцип создал больше путаницы и философских заблуждений, чем что-либо ещё, порождённое наукой в течение последнего времени. До сих пор идут непрекращающиеся споры о том, в чём состоит смысл этого принципа, как он должен применяться, когда его применение является оправданным, а когда нет, в каких случаях апелляция к антропному принципу разумна, а в каких бессмысленна. Для меня испытанный путь – найти знакомую аналогию, в которой можно извлечь здравый смысл из воздуха. Более десяти лет тому назад я придумал притчу, для того чтобы убедить самого себя в том, что антропный принцип может иметь хоть какой-нибудь смысл.

Подарок для Тини

У известных физиков существует старая традиция организовывать на своё шестидесятилетие большую вечеринку, только эти вечеринки обычно продолжаются несколько дней и состоят из непрерывной череды физических семинаров – и проходят без музыки. На одной такой вечеринке моего старого друга Мартинуса Велтмана я должен был прочитать лекцию. Голландец Тини, волосатый и бородатый, как сказочный людоед, напоминает гибрид Орсона Уэллса в роли Макбета и Саддама Хусейна. Недавно Тини вместе с Герардом ‘т Хоофтом получил Нобелевскую премию за прояснение квантовой структуры электрослабых взаимодействий.

Тини был одним из первых, кто признал существование проблемы энергии вакуума, и я собирался назвать свою лекцию: «Тини и космологическая постоянная». Мне хотелось поговорить об антропном принципе, о расчёте формирования галактик, выполненном Стивом Вайнбергом. Но помимо этого я хотел объяснить, каким способом можно придать антропному принципу научный смысл. А для этого, как всегда, я использовал аналогию.

Вместо того чтобы задаваться вопросом, почему космологическая постоянная так тонко настроена, я сформулировал аналогичный вопрос: почему так тонко настроена температура земной поверхности, на которой может существовать жидкая вода? Оба этих вопроса по сути об одном и том же: как так случилось, что мы живём в среде, свойства которой находятся в очень узком диапазоне, идеально приспособленном для нашего существования. Чтобы ответить на них, я предложил следующую притчу о мудрой рыбе.[58]

История рыбы

Давным-давно на планете, полностью покрытой водой, обитала раса очень умных рыб. Эти рыбы могли жить только на определённой глубине, и никто из них никогда не видел поверхности моря или его дна. Но они были очень умными, а кроме того, очень любопытными. Время от времени рыбы задавались очень сложными вопросами о природе воды и о других не менее интересных вещах. Самые талантливые среди них именовались фишиками. Фишики были настолько умными, что за нескольких поколений пришли к пониманию многих явлений природы из области гидродинамики, химии, атомной физики и даже физики атомного ядра.