Вселенная из ничего

Краусс Лоуренс

Но открытие, что пустое пространство имеет энергию, внесло корректировку во взгляды многих физиков на то, что в природе обязательно, а что может быть случайно.

Катализатор этого нового видения возникает из аргумента, который я привел в последней главе: темная энергия поддается изучению сегодня, потому что «сейчас» — единственное время в истории Вселенной, когда энергия в пустом пространстве сравнима с плотностью энергии в материи.

Почему мы должны жить в такое «особое» время в истории Вселенной? Действительно, это бросает вызов всему, что характеризовало науку со времен Коперника. Мы узнали, что Земля — не центр Солнечной системы, и что Солнце — это звезда на унылом внешнем краю галактики, которая является всего лишь одной из 400 млрд галактик в наблюдаемой Вселенной. Мы пришли к признанию «принципа Коперника», что нет ничего особенного в нашем месте и времени во Вселенной.

Но

принимая во внимание энергию пустого пространства, какая она есть, мы, похоже, живем в особое время. Это лучше всего показано на следующей иллюстрации «Краткой истории времени».

Две кривые представляют плотность энергии всей материи во Вселенной и плотность энергии пустого пространства (предполагая, что это космологическая постоянная) как функцию времени. Как вы можете видеть, плотность вещества падает по мере расширения Вселенной (поскольку расстояния между галактиками становятся все больше, и материя поэтому «разрежается»), как вы и ожидали. Тем не менее, плотность энергии в пустом пространстве остается постоянной, потому что, можно утверждать, в пустом пространстве нет ничего, что можно было бы разбавить! (Или, как я уже несколько менее остроумно отмечал, Вселенная, расширяясь, действительно оказывает влияние на пустое пространство.) Две кривые пересекаются довольно близко к настоящему времени, что является источником странного совпадения, на которое я указывал.

Теперь рассмотрим, что произошло бы, если бы энергия в пустом пространстве была бы, скажем, в 50 раз больше, чем ее значение, рассчитанное нами сегодня. Тогда обе кривые пересекались бы в другое, более раннее время, как показано на рисунке ниже.

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.