Космический ландшафт - Леонард Сасскинд

Для визуализации расширяющейся Вселенной мы использовали аналогию с надуваемым воздушным шаром. Но есть одно важное отличие расширяющегося пространства де Ситтера от надуваемого воздушного шара. При надувании шара резина, из которой он сделан, становится все более тонкой. В конечном итоге, когда она достигает предела своей прочности, шар лопается. Но ткань пространства де Ситтера никогда не меняется, как если бы молекулы резины постоянно размножались – клонировались по мере надувания шара, сохраняя толщину резиновой оболочки постоянной.

Разумеется, реальные молекулы резины так себя не ведут, а вот пространство, напротив, постоянно порождает новое пространство, чтобы заполнить освобождающееся при расширении место. Можно сказать, что пространство постоянно клонирует само себя – каждый крохотный объём пространства рождает новые дочерние объёмы пространства, и этот процесс развивается экспоненциально.

Представим себе, что некий наблюдатель находится в пространстве де Ситтера и движется вместе с пространством в процессе его расширения. Что он видит вокруг себя? Казалось бы, ничего особенного, кроме того что вселенная вокруг него будет изменяться со временем – становиться всё больше и больше. Удивительно, но это не так. Оглянувшись, наблюдатель увидит, что пространство расширяется по закону Хаббла: близкие предметы удаляются медленно, далёкие – быстро. На некотором расстоянии от наблюдателя пространство будет удаляться от него уже со скоростью света. А на ещё большем расстоянии пространство будет удаляться с ещё большей скоростью! Пространство в этих областях будет мчаться прочь так быстро, что световые сигналы из этих областей уже никогда не достигнут наблюдателя, потому что сигнал не может распространяться со сверхсветовой скоростью. В результате какой-либо контакт с этими отдалёнными областями будет невозможен. Множество наиболее удалённых точек пространства, которые ещё можно наблюдать, то есть точек, удаляющихся от наблюдателя со скоростью света, принято называть горизонтом, или более строго: горизонтом событий.

Концепция космического горизонта событий – непреодолимого барьера для наших наблюдений или точки, откуда нет возврата, – это одно из самых увлекательных последствий ускоренного расширения Вселенной. Как и земной горизонт, это – далеко не конец пространства. Это просто конец того, что мы можем увидеть. Когда объект пересекает горизонт, он прощается с нами навсегда. Некоторые объекты могут изначально находиться за горизонтом. Наблюдатель никогда не сможет получить о них никакой информации. Но если такие объекты постоянно находятся за пределами наших возможностей каким-либо образом их обнаружить, существуют ли они вообще? Есть ли основания для включения в научную теорию областей, находящихся за горизонтом? Некоторые философы утверждают, что такие области являются метафизическими конструкциями, имеющими для научной теории не больше смысла, чем концепция ада, чистилища и рая. Их существование является признаком того, что теория содержит непроверяемые и поэтому ненаучные элементы, – ну, или по крайней мере так утверждают философы.

Любопытно, что во Вселенной, ускоренно расширяющейся под влиянием космологической постоянной, расстояние до горизонта событий никогда не меняется. Оно определяется значением космологической постоянной – чем больше космологическая постоянная, тем меньше расстояние до горизонта. Наблюдатель живёт в неизменном мире конечного радиуса, окружённом горизонтом событий, но подобно тому, как земной горизонт ускользает от тех, кто пытается подойти к нему, так и горизонт пространства де Ситтера недостижим для его обитателей. Он всегда находится от них на одном и том же конечном расстоянии, но когда кто-то пытается к нему приблизиться, он обнаруживает, что там ничего нет! Однако если бы мы, оказавшись за пределами пространства де Ситтера, посмотрели на него, так сказать, со стороны, то увидели бы, что всё пространство экспоненциально расширяется со временем.

Метастабильное пространство де Ситтера

Я хотел бы вернуться к разговору о метастабильных субстанциях, но в несколько ином ракурсе. Предположим, что рассматриваемая нами субстанция надувается. Чтобы представить себе расширяющуюся метастабильную субстанцию, вообразите бесконечное мелкое озеро переохлаждённой воды. Для имитации клонирования пространства расположим вдоль всего дна озера трубы, через которые постоянно подаются всё новые порции переохлаждённой воды. Для того чтобы освободить место для новой жидкости, вода постоянно растекается в горизонтальном направлении – любые две молекулы воды постоянно удаляются друг от друга, а на освобождающееся между ними место поступают новые молекулы из проложенных вдоль всего дна труб. Если на поверхности озера окажутся две лодки, то они также будут постоянно удаляться одна от другой, пока совершенно не потеряют контакт. Озеро надувается в точности как пространство де Ситтера.

В этой инфлюирующей переохлаждённой жидкости будет происходить постоянная спонтанная пузырьковая нуклеация. Если образующийся пузырёк, – или в данном случае ядро кристаллизации – окажется достаточно большим, то оно начнёт расти, превращаясь в расширяющийся ледяной остров. Но из-за того, что ядра конденсации переносятся вместе с растекающейся во все стороны жидкостью, они будут удаляться одно от другого так быстро, что никогда не встретятся друг с другом. Водная гладь между образующимися ледяными островами расширяется, предотвращая превращение всего озера в ледяной монолит. Вода между островами вечно прибывает, оставаясь жидкой, несмотря на то что сами ледяные острова тоже растут бесконечно. Тем не менее любой наблюдатель, плывущий вместе с потоком воды, в конечном итоге окажется окружён льдом: по прошествии достаточного количества времени крошечные ледяные кристаллы, постоянно возникающие в окрестностях наблюдателя, в конце концов приведут к образованию льда, который поглотит наблюдателя. Это несколько парадоксально, но это так: в нашем озере всегда будет присутствовать бесконечное количество воды, однако любой произвольно выбранный объём этой воды рано или поздно превратится в лёд.

То, что я только что описал, является точной аналогией явления, называемого вечной инфляцией: растущие острова альтернативного вакуума в море вечно инфлюирующего пространства. И эта идея отнюдь не нова. Мой коллега из Стэнфорда Андрей Линде – один из величайших мыслителей – является автором многих современных космологических идей. С тех пор как я с ним познакомился, а знаком я с ним с тех пор, как он переехал из России в США, то есть около 15 лет, он не уставал проповедовать доктрину вечно инфлюирующей Вселенной, постоянно порождающей вакуумные пузырьки самых разнообразных видов.[93] Другой русско-американский учёный, Александр Виленкин также известен своими непрекращающимися попытками двинуть космологию в сторону суперинфлюирующего Мегаверсума, порождающего огромное разнообразие вселенных. Но большая часть физиков до самого последнего времени игнорировала эти идеи. Но что больше всего потрясает, так это то, что последние модификации теории струн – наши надежды на построение теории всего – очень близко соприкасаются с этими высказанными ранее космологическими идеями.

Если взять общую теорию относительности, добавить к ней квантовую механику и применить их к начальному сверхплотному состоянию Вселенной, приправив ландшафтом теории струн, в итоге неизбежно получится вечно раздувающаяся метастабильная Вселенная.

Вечная инфляция

Если вы купили эту книгу в надежде найти в ней окончательный ответ на вопрос о происхождении Вселенной, боюсь, вы будете разочарованы. Такого ответа не знаю ни я, ни кто другой. Некоторые думают, что Вселенная началась с сингулярности – бесконечно малого объёма с бесконечной плотностью энергии. Другие, и в особенности Стивен Хокинг и его последователи, верят в квантовое туннелирование из ничего. Мы знаем только одно: Вселенная когда-то началась. И в какой-то момент времени в прошлом она находилась в состоянии с очень большой плотностью энергии и, возможно, претерпела инфляционное расширение. Почти все космологи «верят» в то, что гипотеза об инфляционной стадии расширения Вселенной очень хорошо объясняет многие космологические загадки. В главе 4 я уже рассказывал о наблюдательных фактах, лежащих в основе этой веры.

Мы все уверены, что наблюдаемая история нашей Вселенной началась примерно 14 миллиардов лет назад в точке Ландшафта, где плотность энергии оказалась достаточной для того, чтобы обеспечить инфляционное расширение пространства как минимум в 1020 раз. Причём эта величина, вполне возможно, недооценена. Плотность энергии в эту эпоху была невероятно огромна – мы не можем сказать, насколько огромна, но уж точно несоизмеримо больше, чем плотность энергии, достижимая в самых мощных ускорителях элементарных частиц. По-видимому, в то время Вселенная ещё не была поймана в ловушку одной из долин Ландшафта, а покоилась на относительно гладком и пологом плато. В процессе инфляции наш карман пространства (наша наблюдаемая Вселенная) медленно двигался по этому плато, имевшему небольшой уклон, к крутому обрыву в его конце. При падении с обрыва потенциальная энергия нашей Вселенной преобразовалась в тепло и элементарные частицы, породив материю, из которой впоследствии образовались звёзды и галактики. Это событие, при котором Вселенная заполнилась веществом, носит название повторный разогрев. После этого она скатилась на дно нашей долины с тонко настроенной под удобное для нашего существования значение космологической постоянной. Вся наша космология относится именно к этому короткому периоду падения Вселенной от одного значения энергии вакуума к другому. Именно в этот период произошли все самые интересные события в истории наблюдаемой Вселенной.