Возвращение времени. От античной космогонии к космологии будущего

Смолин Ли

Основная гипотеза космологического естественного отбора состоит в том, что Вселенные воспроизводятся путем рождения новых Вселенных внутри черных дыр. Родившаяся в одной из черных дыр наша Вселенная, таким образом, является потомком другой Вселенной, и каждая черная дыра в нашей Вселенной есть зародыш Вселенной. В рамках этого сценария мы можем применить принципы естественного отбора.

Механизм естественного отбора основан на методах популяционной биологии. Они объясняют, как некоторые параметры системы могут отбираться так, чтобы сделать ее сложнее, чем она могла бы быть.

Для применения естественного отбора к системе необходимо следующее:

Пространство параметров, которые варьируют в популяции. В биологии такими параметрами являются гены. В физике они представляют собой константы стандартной модели (СМ), в том числе массы элементарных частиц и константы связи для фундаментальных взаимодействий. Эти параметры образуют конфигурационное пространство для законов природы – ландшафт теорий (в популяционной биологии пространство взаимодействия генов и его влияние на приспособленность называется адаптивным ландшафтом).

Механизм воспроизводства. Я позаимствовал эту идею у Брайса С. Девитта. Она заключается в том, что черные дыры являются зародышами

новых Вселенных. Это следствие гипотезы о том, как в теории квантовой гравитации избавляются от сингулярностей, где начинается и заканчивается время. У этой гипотезы хорошее теоретическое обоснование. В нашей Вселенной очень много черных дыр (не менее миллиарда миллиардов), а это предполагает очень большое число дочерних Вселенных. Можно предположить, что наша Вселенная – сама часть истории, уходящей далеко в прошлое.

Изменчивость. Естественный отбор работает отчасти потому, что гены случайно мутируют или рекомбинируют, так что геном потомства отличается от генома любого из родителей. Можно предположить, что во время рождения всякой Вселенной параметры законов случайно изменяются. Таким образом, можно поставить в ландшафте теорий отметку, соответствующую значениям параметров для данной Вселенной. Получится огромный, постоянно растущий набор точек на ландшафте теорий, представляющих вариации в параметрах законов в мультивселенной.

Приспособленность. В популяционной биологии приспособленность особи, мера ее репродуктивного успеха измеряется числом потомков, которые, в свою очередь, живут достаточно долго, чтобы иметь собственных потомков. Приспособленность Вселенной оценивается тем, сколько в ней “гнездится” черных дыр. Этот показатель зависит от значений параметров. Поскольку породить черную дыру не так-то просто, многие наборы параметров приводят к появлению “бесплодных” Вселенных (вовсе без черных дыр). Другие наборы, напротив, одаривают Вселенные многочисленным потомством. Такие занимают совсем небольшую область в пространстве параметров. Предполагается, что “оазисы” в пространстве параметров окружены гораздо менее “плодородными” областями.

Типичность. Мы предполагаем, что наша Вселенная является типичным представителем семейства Вселенных, аналогично группе потомков после многих поколений. Таким образом, можно предсказать, что наша Вселенная обладает общими для большинства Вселенных свойствами [83] .

83

В биологической эволюции два ландшафта: генов и фенотипов. При применении естественного отбора в физике также имеется два уровня описания. Вероятность воспроизведения Вселенной зависит от значений параметров стандартной модели (СМ) – это аналог фенотипов. Но в фундаментальной теории, такой как теория струн, СМ – это приближенное описание, ее основу составляет выбор более глубоких теорий – это аналог генотипов. В биологии отношения между генотипом и фенотипом могут быть сложны, то же самое верно в физике. Поэтому необходимо различать ландшафт фундаментальной теории, такой как теория струн, и ландшафт параметров СМ.

Мощь естественного отбора такова, что на основе этих предположений можно сделать далеко идущие предположения. Основное следствие таково: много поколений спустя большинство Вселенных приобретет набор параметров в очень плодородных областях. И если мы изменим параметры типичной Вселенной, то результатом, скорее всего, явится Вселенная, в которой образуется заметно меньше черных дыр. Поскольку наша Вселенная типична, это должно быть справедливо и в ее отношении.

Это предсказание можно косвенно проверить. Многие возможности изменения параметров СМ приводят к появлению Вселенных без долгоживущих звезд, необходимых для производства углерода и кислорода. А углерод и кислород необходимы для охлаждения газовых облаков, в которых формируются массивные звезды, в свою очередь приводящие к возникновению черных дыр. В результате других изменений параметров ослабляются сверхновые, которые не только ведут к образованию черных дыр, но и выбрасывают энергию в межзвездное пространство. Эта энергия играет важную роль в коллапсе газовых облаков и, следовательно, в образовании черных дыр. Известно по крайней мере восемь способов изменения параметров СМ, ведущих к образованию Вселенных с меньшим количеством черных дыр [84] .

84

Другие: 1) изменение знака в разнице масс протона и нейтрона; 2) увеличение или уменьшение постоянной Ферми, достаточно большое, чтобы повлиять на энергию и количество материи, выделяющиеся при взрыве сверхновых; 3) увеличение разницы масс нейтрона и протона, массы электрона, массы электрона/нейтрино, постоянной тонкой структуры или достаточно большое уменьшение постоянной сильного взаимодействия с тем, чтобы дестабилизировать углерод (или любое другое изменение, имеющее тот же эффект); 4) увеличение массы странного кварка.

Таким образом, космологический естественный отбор правдоподобно объясняет, почему параметры СМ подстроены под Вселенную, наполненную долгоживущими звездами, которые с течением времени обогатили ее углеродом, кислородом и другими элементами. Параметры, от значений которых в большей или меньшей степени зависит сценарий развития Вселенной, включают массы протона, нейтрона, электрона и электронного нейтрино, а также константы связи четырех фундаментальных взаимодействий. Такое объяснение предполагает максимизацию производства черных дыр, а следствием оказываются пригодные для жизни условия.

Кроме того, гипотеза космологического естественного отбора позволяет сделать несколько прогнозов, которые могут быть подтверждены или опровергнуты с помощью наблюдений, доступных в настоящее время. Так, наиболее массивные нейтронные звезды не могут быть тяжелее определенного предела. Дело в том, что после взрыва сверхновой сохраняется ее ядро, которое коллапсирует либо в нейтронную звезду, либо в черную дыру. Какой из двух сценариев реализуется, всецело зависит от массы ядра. Нейтронные звезды могут существовать, лишь если их масса ниже критического значения. Если гипотеза космологического естественного отбора верна, критическое значение должно быть самым низким из возможных: чем оно ниже, тем больше образуется черных дыр.

Есть несколько возможностей образования нейтронных звезд. Один из вариантов – нейтронная звезда, состоящая просто из нейтронов, и в этом случае значение критической массы будет достаточно высоким (2,5–2,9 массы Солнца). Другая возможность – в ядре нейтронной звезды содержатся экзотические частицы каоны (К– мезоны). Это позволило бы снизить критическую массу по сравнению с чисто нейтронной моделью. Хотя степень этого снижения зависит от деталей теоретического моделирования, различные модели дают критическую массу 1,6–2 массы Солнца.

Если гипотеза космологического естественного отбора верна,

мы могли бы ожидать, что природа воспользовалась возможностью поместить каоны в центр нейтронных звезд и так снизить их критическую массу. Оказывается, это могло быть достигнуто в случае, если масса каонов достаточно мала. Это, в свою очередь, достигается снижением массы странного кварка (s– кварка), что не повлияло бы на вероятность образования звезд. Когда был впервые предложен космологический естественный отбор, самая тяжелая из известных нейтронных звезд была тяжелее Солнца менее чем в 1,5 раза. Но недавно обнаружена нейтронная звезда, имеющая массу, равную немногим больше двух солнечных масс. Это могло бы опровергнуть выводы космологического естественного отбора, но теорию удалось спасти. В настоящий момент верхняя теоретическая оценка массы нейтронной звезды в два раза превышает массу Солнца. Однако есть менее точно измеренные нейтронные звезды, масса которых оценивается в 2,5 массы Солнца [85] . Если эти наблюдения подтвердятся, гипотеза космологического естественного отбора будет опровергнута [86] .

85

Lattimer, James M., M. Prakash What a Two Solar Mass Neutron Star Really Means // arXiv:1012.3208v1 [astro-ph.SR] (2010).

86

В статье о космологическом естественном отборе и “Жизни космоса” я использовал нижнюю оценку критической массы – 1,6 массы Солнца. Когда я узнал о наблюдении нейтронной звезды, масса которой двукратно превышала массу Солнца, я взялся было писать статью о том, что гипотеза космологического естественного отбора опровергнута. Однако посмотрел еще раз на теоретические оценки критической массы и обнаружил, что эксперты по-прежнему позволяют нейтронной звезде с каонами обладать массой в две солнечные массы.

Еще одно предсказание происходит из рассуждений об удивительной особенности ранней Вселенной, структура которой была крайне равномерна. Распределение материи в ранней Вселенной известно из наблюдений за МФИ. Оно изменялось очень незначительно. Почему Вселенная в самом начале не имела больших флуктуаций плотности? Если бы вариации плотности были достаточно велики, раннюю Вселенную заполнили бы первичные черные дыры, что впоследствии привело бы к наличию во Вселенной гораздо большего числа черных дыр, чем есть сейчас. Это, кажется, опровергает гипотезу космологического естественного отбора, которая заключается в том, что никакие незначительные изменения в параметрах законов физики не приведут к состоянию Вселенной с существенно большим количеством черных дыр, чем в нашем мире.

Космологи описывают колебания плотности материи с помощью параметра, называемого масштабом флуктуации плотности. Он не является параметром стандартной модели физики элементарных частиц, однако существуют модели ранней Вселенной с настраиваемыми параметрами, что позволяет увеличить масштаб флуктуаций плотности. Совместимо ли это с гипотезой космологического естественного отбора? В большинстве версий инфляционной модели Вселенной имеется параметр, который можно увеличить, чтобы увеличить масштаб флуктуаций плотности и, следовательно, наводнить Вселенную первичными черными дырами. Но в некоторых простейших инфляционных моделях увеличение этого параметра резко ограничивает время, в течение которого Вселенная может расширяться. В результате получаются Вселенные гораздо меньшего объема. Хотя они и наполнены первичными черными дырами, их меньше, чем в нашем мире [87] . Это означает, что космологический естественный отбор совместим лишь с простой теорией инфляции и не оправдывает перепроизводство первичных черных дыр. В случае обнаружения доказательств более сложной теории инфляции гипотеза космологического естественного отбора потеряет силу [88] . Но пока их нет.

87

См.: Linde, A. D. Particle Physics and Inflationary Cosmology. Chur, Switzerland: Harwood, 1990. Pp. 162–168, esp. eq. 8.3.17. (См. также: arXiv: hep-th/0503203v1.) Параметр, который может повысить флуктуации плотности – это сила, с которой взаимодействуют частицы, ответственные за расширение Вселенной. Линде показывает на примере простой модели, что увеличение этого параметра приводит к уменьшению размеров Вселенной пропорционально экспоненте от обратного квадратного корня от величины этого параметра взаимодействия. Спасибо Полу Стейнхардту за прояснение этого вопроса.

88

Подробнее о космологическом естественном отборе я рассказываю в книге “Жизнь космоса” и других своих работах: The Fate of Black Hole Singularities and the Parameters of the Standard Models of Particle Physics and Cosmology // arXiv: gr-qc/9404011v1 (1994); Using Neutrons Stars and Primordial Black Holes to Test Theories of Quantum Gravity // arXiv: astro-ph/9712189v2 (1998); Cosmological Natural Selection as the Explanation for the Complexity of the Universe // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications 340:4, 705–713 (2004); Scientific Alternatives to the Anthropic Principle // arXiv: hep-th/0407213v3 (2004); The Status of Cosmological Natural Selection // arXiv: hep-th/0612185v1 (2006); A Perspective on the Landscape Problem // DOI: 10.1007/s10701-012-9652-x arXiv:1202.3373.

Конечно, истинная теория ранней Вселенной может отличаться от инфляционной модели. Но пример показывает, что космологический естественный отбор легко опровергнуть, если обнаружится механизм рождения множества первичных черных дыр на ранней стадии образования Вселенной [89] . Космологической естественный отбор немыслим вне контекста, в котором время реально. Одна из причин этого такова: у нашей Вселенной лишь относительно небольшое адаптивное преимущество перед другими, отличающимися небольшими изменениями параметров. Это очень слабое условие. Мы не должны считать, что параметры нашей Вселенной являются самыми оптимальными. Возможны и другие варианты параметров, ведущих к более плодородным Вселенным. Все сценарии предсказывают, что они не могут быть достигнуты путем внесения небольших изменений в нынешние значения параметров.

89

Роджер Пенроуз возразил мне, что геометрия сингулярности черных дыр сильно отличается от начальной космологической сингулярности, поэтому маловероятно, чтобы черные дыры могли быть источником нашей или любой другой Вселенной. Это, очевидно, повод для беспокойства, но проблема может быть решена, если квантовые эффекты играют большую роль в ликвидации сингулярности.