Мир многих миров. Физики в поисках иных вселенных.
Шрифт:
Инфляция в конце туннеля
Вернемся в 1982 год, когда инфляция еще оставалась совсем свежей темой, полной неисследованных идей и требующих напряженной работы задач, — в общем, золотой жилой для молодого честолюбивого космолога. Самым интригующим и, пожалуй, наименее связанным с современным состоянием Вселенной был вопрос о том, как инфляция могла начаться. Инфляционная вселенная быстро "забывает" свои начальные условия, и состояние, с которого она стартовала, слабо влияет на то, что происходит потом. Так что, если вы хотите проверить инфляцию наблюдениями, не стоит тратить время на вопрос о ее начале. Но загадка начала все равно остается,
На первый взгляд проблема кажется довольно простой. Мы знаем, что небольшой области пространства, заполненной ложным вакуумом, достаточно, чтобы запустить инфляцию. Поэтому все, что нужно придумать, — это как такая область могла появиться из некоего предшествующего состояния Вселенной.
В те годы доминировало представление, основанное на фридмановской модели, в которой Вселенная расширялась из сингулярного состояния с бесконечной кривизной и бесконечной плотностью материи. Если предположить, что Вселенная заполнена высокоэнергичным ложным вакуумом, любое вещество, которое в ней изначально присутствовало, становится разреженным, что приводит к доминированию энергии вакуума. С этого момента его отталкивающая гравитация берет верх, и начинается инфляция.
Все это хорошо, но с чего бы Вселенной начинать расширяться? Одним из достижений теории инфляции было объяснение расширения Вселенной. Однако, похоже, нам нужно получить расширение еще до того, как начнется инфляция. Притягивающая гравитация вещества первоначально намного сильнее гравитационного отталкивания вакуума, так что, если не постулировать мощную первоначальную вспышку расширения, Вселенная просто сколлапсировала бы, и инфляция никогда бы не началась.
Я некоторое время размышлял над этими аргументами, но логика была очень простой, и никакого выхода не просматривалось. И тогда я неожиданно понял, что вместо коллапса Вселенная может совершить нечто намного более интересное и драматичное...
Рассмотрим замкнутую сферическую вселенную, заполненную ложным вакуумом и содержащую некоторое количество обычной материи. Предположим также, что в некоторый момент она находится в покое, не расширяясь и не сжимаясь. Если ее радиус мал, вещество сжато до высокой плотности, и вселенная сколлапсирует в точку. Если радиус велик, доминирует энергия вакуума, и начнется инфляция. Малые и большие радиусы разделяет барьер, который нельзя пересечь, не придав вселенной высокой скорости расширения.
И вот неожиданно до меня дошло, что коллапс маленькой вселенной был неизбежным только в классической физике. В квантовой теории вселенная может туннелироватьпод энергетическим барьером и появиться по другую сторону — как это происходит с ядерными частицами в гамовской теории радиоактивного распада.
Это выглядело изящным решением проблемы. Вселенная возникает чрезвычайно маленькой и с очень высокой вероятностью вновь коллапсирует в сингулярность. Но есть крошечный шанс, что вместо этого она туннелирует сквозь барьер, приобретет больший радиус и начнет инфляционно расширяться (рис. 17.1). Таким образом, в этой грандиозной картине мира будет масса вселенных-неудачниц, живущих лишь неуловимое мгновение, но будут и те, что сумеют сделаться большими.
Рис. 17.1. Слева: пространственно-временная диаграмма замкнутой фридмановской вселенной, расширяющейся от сингулярности, достигающей максимального радиуса и вновь коллапсирующей. Время
Почувствовав, что достиг прогресса, я стал торопиться. Существуют ли для размера первичной вселенной какие-то ограничения снизу? Что случится, если мы позволим ей становиться все меньше и меньше? К моему удивлению, выяснилось, что даже при начальных размерах, стремящихся к нулю, шансы на туннелирование не исчезают. Я также заметил, что вычисления значительно упрощаются, если позволить начальному радиусу вселенной обратиться в нуль. Это была по-настоящему безумная идея: я получил математическое описание вселенной, туннелирующей из нулевого размера — из ничего! — в состояние с конечным радиусом и начинающей инфляционно расширяться. Похоже, никакого исходного состояния вселенной вовсе не требовалось!
Туннелирование из ничего
Идея вселенной, материализующейся из ничего, повергает в недоумение. Что в точности означает "ничто"? Если это "ничто" способно туннелировать в нечто, что может вызвать первичный акт туннелирования? И что происходит с законом сохранения энергии? Но чем дольше я думал над этим, тем более важной казалась мне эта идея.
Начальное состояние, предшествующее туннелированию, — это вселенная с нулевым радиусом, то есть попросту отсутствие вселенной. В этом очень странном состоянии нет материи, нет пространства. Нет также и времени. Время имеет смысл, только если во вселенной что-то происходит. Мы измеряем время, используя периодические процессы, такие как вращение Земли вокруг своей оси или вокруг Солнца. Невозможно определить время в отсутствие пространства и материи.
И вместе с тем состояние "ничто" нельзя определить как абсолютноенебытие. Туннелирование описывается законами квантовой механики, а значит, "ничто" должно подчиняться этим законам. Законы физики должны существовать, несмотря на отсутствие вселенной. Я коснусь этого вопроса подробнее в главе 19.
В результате акта туннелирования из ниоткуда рождается вселенная конечных размеров и немедленно начинает инфляционно расширяться. Радиус новорожденной вселенной определяется плотностью энергии вакуума: чем выше плотность, тем меньше радиус. Для вакуума Великого объединения это одна стотриллионная сантиметра. Вследствие инфляции эта крошечная вселенная растет с ошеломительной скоростью и за малую долю секунды намного превосходит размер наблюдаемой сегодня области.
Если до возникновения вселенной ничего не было, тогда что же вызвало туннелирование? Как это ни удивительно, ответ состоит в том, что никакой причины для этого не требовалось. В классической физике причинность диктует, что случится в каждый следующий момент времени, однако в квантовой механике поведение физического объекта по сути непредсказуемо, и некоторые квантовые процессы совершенно беспричинны. Возьмем, к примеру, радиоактивный атом. У него есть некоторая вероятность распада, остающаяся неизменной от минуты к минуте. В конце концов он распадется, но нет никакой причины, которая заставила бы его распасться в какой-то определенный момент. Зарождение вселенной также является квантовым процессом и не требует причины.