(продолжение. Начало в №4/2017 и сл.)
Большой фейерверк
Теория инфляции повела ученых дальше, чем это можно было представить после появления первых работ. Оказалось, что инфляция продолжается не 10^-35 секунды, как это предполагалось в первых статьях — однажды начавшись, она не может прекратиться и продолжается вечно, рождая новые вселенные. Вместо Большого взрыва получается Большой, немыслимый, бесконечный Фейерверк вселенных.
Антропный принцип
Среди простых вопросов, ставивших космологов в тупик до появления теории инфляции, перечисленных в главе 9, был один который мы до сих пор не рассматривали. Повторим его:
Есть много физических постоянных, значения которых вроде бы ни откуда не следуют. Но если мы попытаемся представить мир, где какая-нибудь из этих констант немного изменена, жизнь в таком мире оказывается невозможной: не образуются атомные ядра, не горят звезды и т.п. Что так подогнало значения констант, чтобы мы могли существовать?
Что это за константы, и чем их изменение фатально для нас. Самой капризной вещью во Вселенной оказываются звезды, без которых мы не можем существовать. Повторим широко известные факты на этот счет:
— Ядро тяжелого водорода, дейтрон, оказывается довольно слабо связанным, что играет большую роль в процессе горения водорода (в основном протон-протонном цикле) в звездах. Если чуть-чуть увеличить ядерную силу притяжения между протоном и нейтроном, то вероятность одной ступени протон протонного цикла — соединение протона с дейтерием в ядро гелия-3 упадет, и звезды будут еле тлеть. Если силу притяжения ослабить, дейтрон исчезнет и протонный цикл оборвется
— В главе 6, посвященной Фреду Хойлу, упоминалась тройная гелиевая реакция, как его главное достижение и как единственный мостик от легких к тяжелым элементам в звездном нуклеосинтезе. Эта реакция идет благодаря резонансу ядра углерода при удачной энергии. Стоит немного изменить константу ядерных взаимодействий, реакция блокируется, и Вселенная остается без тяжелых элементов.
— Звезды горят потому, что во Вселенной осталось много водорода, и образовалось только 20% процентов «негорючего» гелия. Если бы чуть усилить сильные взаимодействия относительно электромагнитных, появилось бы новое стабильное ядро — дипротон. И тогда все вещество Вселенной в первые минуты перешло в форму гелия. Звезды бы не зажглись.
Еще более страшная возможность — облегчить нейтрон на одну тысячную, тогда бы он стал стабильным, и не было бы ни электронов, ни атомов — одни нейтроны.
Есть и другие способы разрушить наше комфортное мироздание, слегка чего-нибудь изменив в нем. О некоторых мы скажем ниже, а пока достаточно, чтобы убедиться, что объем в пространстве значений физических констант, допускающий существование жизни, ничтожно мал. Будто физические константы специально подогнаны таким образом, чтобы мы могли существовать.
Теперь давайте взглянем на Землю: на ней тоже все как будто специально подогнано для нашего существования: температура, атмосфера, вода, стабильная орбита, хороший наклон оси вращения, слабая бомбардировка благодаря Юпитеру, очистившему пространство от космического мусора. Но ведь мы точно знаем о существовании других планет и множества других планетных систем, где условия совсем другие. Так там никто и не живет. Мы могли появиться лишь в одном из относительно немногих миров — том, который, благодаря стечению обстоятельств, как будто специально подогнан под существование жизни.
То же самое и со Вселенной, если:
— вселенных очень много, возможно бесконечно много,
— все они разные, возможно с разными законами физики, разными константами взаимодействий, разными наборами частиц, причем конкретная реализация случайна.
Вот мы и появились там, где могли, где нейтрон тяжелей пары протон + электрон, где углерод имеет ядерный резонанс с нужной энергией и так далее. Возможно, в пространстве параметров существуют и другие благоприятные острова, где возможна какая-то другая жизнь, совсем не похожая на нашу. И там, разумные обитатели будут удивляться удачной подстройке физических величин. А в большинстве вселенных, где не произошло благоприятной случайности, некому посетовать на неудачные значения физических констант.
Это и есть суть антропного принципа.
Он снимает некоторые вопросы, перекладывая ответственность за какие-то факты на случайность. Почему именно таковы массы кварков? Они определяются константами взаимодействия кварков с полем Хиггса, величина которых ниоткуда не следует. Но если их изменить — все «поедет» — энергия резонанса ядра углерода, стабильность и энергия связи ядер, и мир изменится так, что мы не сможем жить. Антропный принцип намекает, что эти константы — результат случайности в биографии нашей Вселенной, и вместо объяснения этих конкретных значений, заставляет искать механизм, дающий случайные реализации физических констант. Это делает поиск более осмысленным. В данном конкретном случае мы пока не знаем точного ответа, но имеем ряд правдоподобных гипотез. Например, фазовый переход вакуума в самой ранней Вселенной (см. главу ?). Есть и другой механизм случайной реализации, о нем будет сказано ниже.
Антропный принцип предполагает существование огромного множества вселенных. Предположение о множественности вселенных становится естественным сразу, как только Вселенная признана физическим объектом. Но хотелось бы еще знать каков конкретный механизм производства этого огромного множества. Оказывается, космологическая инфляция делает и это, что первым понял Андрей Линде.
Вечная инфляция
Оказывается, инфляция, раз начавшись, не может закончиться! Напомним, мотором инфляции является скалярное поле (инфлатон), скорость инфляции пропорциональна квадратному корню из плотности его энергии. Для определенности предположим, что плотность энергии растет с величиной поля (это не обязательное, но удобное предположение, имеющее место во многих моделях). Если пренебречь квантовыми эффектами, то величина поля постепенно снижается, плотность энергии — тоже. Причем, чем ниже падает плотность энергии, тем быстрей падает поле — все заканчивается его диссипацией в частицы и переходом на фридмановскую стадию расширения.
Существует некий люфт в терминологии, требующий уточнять понятия по мере углубления в предмет обсуждения. Что такое Большой взрыв? Многие понимают под Большим взрывом некое самое-самое начало расширения пространства. Можно было бы назвать Большим взрывом некий старт инфляции. Однако, исходя из сказанного ниже, этот «старт инфляции» теряет всякую определенность. Но в истории Вселенной есть совершенно четкий момент: окончание инфляции, связанное с ним «выгорание» поля-инфлатона и переход к горячей Вселенной, расширяющейся по закону Фридмана. Будем называть «Большим взрывом» именно этот момент — как только он произошел (а он происходит за очень короткое время), вселенная с ее огромной энтропией и большим будущим — состоялась. Именно это и есть общепринятое определение Большого взрыва в среде профессиональных космологов. Однако, оно не общепринято среди популяризаторов науки, примером чего служит рисунок, обошедший недавно мировые средства массовой информации, иллюстрирующий историю Вселенной, где Большой взрыв изображен неким ярким сферическим ореолом, предваряющим стадию инфляции. Но вернемся к процессу инфляции.
Если пренебречь квантовыми эффектами, то инфляция идет везде одинаково и везде одинаково заканчивается: Большой взрыв произойдет одновременно во всем пространстве (будем считать его замкнутым). Возникнет одна гигантская однородная вселенная.
Теперь вспомним про квантовые эффекты. В главе ?? мы писали про то, что при расширении пространства вакуумные квантовые колебания инфлатона переходят в реальные неоднородности — флуктуации плотности. У этих неоднородностей есть типичный размер (в принятых выше предположениях 10-27 см) и характерное время формирования, типа 10-37 с. Их амплитуда, скорее всего, относительно невелика, но и поле меняется медленно. Может оказаться так, что флуктуация по амплитуде больше, чем изменение поля за время ее появления — это выполняется легко. Если это флуктуация со знаком плюс, тогда она может увеличить значение поля, если со знаком минус — поле уменьшается быстрей, чем обычно.
Фокус заключается в том, что положительные флуктуации получают преимущество.
Действительно, если поле возросло, увеличилась и плотность его энергии, а значит и темп расширения пространства в данной области. В результате, положительная флуктуация растянулась вместе с пространством на больший объем, чем отрицательная. Потом на эту положительную флуктуацию садятся новые, в том числе и новые положительные — там объем растет еще быстрее, и так далее. Получается, поле за счет квантовых флуктуаций местами лезет вверх вместо того, чтобы падать.
Все происходит очень быстро: если бы не флуктуации, инфляция закончилась через 10-35 – 10-34 секунды после начала. Так и происходит где-то в раздувающемся пространстве: поле падает, диссипирует в частицы, происходит большой взрыв, знаменующий рождение новой вселенной. Но в других областях поле держится и через 10-34 секунды, становясь даже выше — инфляция продолжается. Пространство, увеличиваясь вдвое каждые 10-37 секунды, продолжает раздуваться. Условно говоря, каждые 10-35 – 10-34 секунды происходит новое поколение больших взрывов, дающих начало новым вселенным — в каждом поколении их число экспоненциально увеличивается. И так миллиарды лет — инфляция никогда не может закончиться, поскольку всегда где-то есть область сильного поля, раздувающегося быстрее других.
Это все имеет четкое математическое описание, которое, конечно зависит от конкретной модели инфлатона. Придумать такую модель, в которой нет вечной инфляции, в которой квантовые флуктуации не способны поднимать величину поля и плотность энергии, можно, но для этого надо напрягаться — такие модели есть, но они менее естественны, чем те, что дают вечную инфляцию.
Куда помещаются все эти мириады рождающихся вселенных, вместе с продолжающимся раздуваться пространством? Напомним, что раздувание идет со скоростью, превышающей скорость света: уже две точки, отстоящие друг от друга на 10-26 сантиметра, удаляются друг от друга быстрее света и теряют друг с другом причинную связь. Напомним, что это не противоречит теории относительности, коль скоро эти точки находятся в причинно не связанных областях. Простым сложением имеем скорость удаления точек, отстоящих друг от друга на сантиметр — 1026 скоростей света, и так далее. Еще раз: подобная скорость нефизична, но данное число вполне способно проиллюстрировать, куда это все помещается.
Конечно, весь этот бесконечный фейерверк больших взрывов никто не может увидеть: нет такой точки, откуда бы открывалась панорама на грандиозный апофеоз творения. Любой наблюдатель ограничен собственным горизонтом, радиус которого исчезающе мал в сравнении с масштабом картины. Мы можем воспроизвести вечную инфляцию только силой воображения, опираясь на математику.
В роли внешнего сверхъестественного наблюдателя
Пожертвуем одним из пространственных измерений и вспомним модель вселенной в виде надуваемого шарика. Двумерное пространство вселенной — поверхность шарика. Себя представим находящимися в дополнительном измерении, взирающими на это со стороны благодаря сверхъестественным способностям, без всяких ограничений в скорости сигнала. Мы видим уже не шарик, но по сути — бесконечную плоскость до которой этот шарик раздулся. Пусть плоскость будет цветной: цвет будет обозначать величину инфлатона. Самое сильное поле пусть будет представлено фиолетовым, менее сильное — синим, и так далее, по спектру. Плоскость продолжает растягиваться. Затормозим время в 1038 раз, чтобы успеть что-нибудь рассмотреть. Тогда расстояние между любыми двумя точками будет удваиваться за 10 секунд. Мы увидим желтые и красные пятна всевозможных размеров и форм на синем фоне, которые постепенно образуются здесь и там. Желтые пятна растут медленнее, чем разлетаются друг от друга. Синие и фиолетовые промежутки между ними растут быстрее, но на синем появляются новые желтые пятна.
Что происходит с пятнами теплых оттенков? Поле в них продолжает с какого-то момента необратимо падать (есть критическое значение поля, ниже которого оно уже не может расти из-за квантовых флуктуаций) — все быстрее, пока не выгорает, передав свою энергию частицам. Изобразим области с выгоревшим полем белым цветом. Появление белого пятна — очередной большой взрыв — рождение вселенной. Несмотря на слово «взрыв», рост каждого белого пятна начинает сильно отставать от общего расширения — переходит на степенной режим.
Мы определенным образом преобразовали время, но не указали пространственный масштаб. Его можно и не указывать — картинка будет той же самой и на микронах и на парсеках, она близка к фрактальной — не в математическом (дробная размерность), а в «обывательском» смысле: самоподобие в широком диапазоне масштабов (чтобы получить фрактал в строгом математическом смысле, можно нарисовать, например, линии уровня инфлатона). Свойство фрактальности имеет то же происхождение, что и плоский спектр первичных космологических неоднородностей: скорость растяжения пространства много больше скорости изменения инфлатона. На масштабах квантовых флуктуаций (10-27см) никакой фрактальности нет, там есть выделенный масштаб с которым рождается большинство неоднородностей. Но если мы видим картинку с разрешением один микрон и полем зрения метр или с разрешением метр и полем зрения тысяча километров — в первом случае мы видим неоднородности, начавшие раздуваться в среднем на 2 10-36 секунды позже (если характерное время удвоения 10-37 секунды), только и всего. Даже за время обычной инфляции никаких глобальных изменений за такое время не произойдет, не говоря о вечной.
До сих пор мы для простоты рассматривали картину вечной инфляции, как подвижную расцвеченную плоскость (напомним, плоскость отображает трехмерное пространство, одной координатой которого мы пожертвовали для наглядности). При более внимательном рассмотрении, эта картина становится неадекватной и нам придется усложнить ее, чтобы сделать шаг к большей достоверности.
Представим себе фиолетовое пятно очень сильного поля, окруженное синим фоном более слабого. Фиолетовое растягивается быстрей, чем синее, поэтому диаметр пятна должен расти быстрее, чем его окружность. Это означает, что пространство в масштабе фиолетового пятна искривляется.
Представить себе кривизну трехмерного пространства мы не можем, но с двумерным проще, поскольку Природа дала нам объемное воображение. Мы можем представить кривизну, изгибая его в третьем измерении, которое недоступно для двумерных наблюдателей, живущих в этом двумерном пространстве. Для математического описания и формулировок физических законов дополнительное измерение не нужно — только для нашего воображения.
Итак, воспользуемся третьим измерением и представим, что на синем фоне вверх выпячивается фиолетовый бугор. Разница в скорости расширения синего и фиолетового не так уж и велика, но если вспомнить, что эти скорости стоят в экспоненте — фиолетовый бугор начнет превращаться в гигантский пузырь, горловина которого будет тоже расти, но с отставанием. Далее, на поверхности этого пузыря возникнут новые выступы и пузыри, и вечная инфляция предстанет в виде безудержно пузырящейся пленки, с ускорением расширяющееся во все стороны уже трехмерного пространства. Картина при этом остается фрактальной уже и в трех измерениях. Напомним, третье измерение введено нами для наглядности, но тут уже и оно перестает помогать нашему воображению. Сразу представляется коллизия: пузыри не умещаются в трехмерии и наезжают друг на друга — на самом деле ничего подобного не происходит, этот лишь дефект нашего представления.
Кстати, очень интересная метаморфоза происходит с горловиной раздувающегося пузыря. Здесь замешаны достаточно сложные эффекты общей теории относительности. Этот тот случай, когда лучше просто сослаться на мнение эксперта. Адекватным экспертом в данном случае является Игорь Ткачев, поскольку еще в 80-х годах они с Виктором Березиным и Вадимом Кузьминым решили похожую задачу. Ответ таков: горловина превращается в так называемую кротовую нору, связывающую одно пространство с другим. Со стороны пространства, где инфляция закончилась и образовалась новая вселенная эта кротовая нора выглядит, как обыкновенная черная дыра. Масса этой черной дыры может быть любой — все зависит от конкретных обстоятельств выдувания пузыря. В том числе масса может составлять стони миллионов или миллиарды солнечных масс — как в центрах галактик. Правда, вероятность, что подобная кротовая нора есть в наблюдаемой части нашей Вселенной ничтожна — пока инфляция заканчивается и кротовая нора формируется все успевает разлететься на огромные расстояния и произвольный наблюдатель уносится далеко за пределы досягаемости. Вероятно все черные дыры в центрах галактик — продукт истории Вселенной после Большого взрыва и никакого отношения к реликтовым кротовым норам не имеют. Путешествовать по вселенным из одной в другую через кротовые норы невозможно, даже если повезет оказаться вблизи кротовой норы — попытка прыгнуть в нее приведет наблюдателя в горловину, где плотность скорее всего близка к планковской и никакие классические объекты существовать не могут. Правда теоретики изобретают разные варианты уравнения состояния материи с которыми плотность в горловине оказывается ниже, но все равно такие прыжки крайне не рекомендуются, тем более, заранее убедиться в правоте теоретиков едва ли возможно.
Таким образом, перед нами открывается картина вечной инфляции в виде растущих и множащихся пузырей разных размеров. На раздувающихся пузырях образуются пятна сильного поля, выдувающиеся в новые пузыри, которые расширяются быстрее. Каждый пузырь со временем превратится во вселенную, пройдя через стадию большого взрыва, но до этого от него ответвятся новые пузыри с сильным полем. Горловины превратятся в кротовые норы, связывающие вселенные. Некоторые из кротовых нор, у которых масса мала, испаряются в соответствии с механизмом Хоукинга, тогда связь между вселенными теряется. Образуется бесконечная сеть сложной топологии, которая растет по экспоненциальному закону.
И так навсегда.
Новые вселенные продолжают образовываться здесь и там. Они разносятся в стороны, рождаются новые и так далее. В широком поле зрения мы видим мириады вселенных — каков их размер и возраст? Возраст подавляющего большинства — порядка 10-34 секунды или меньше. Доля старых вселенных катастрофически мала: расстояние между вселенными типа нашей удвоилось 1054 раз и составляет 1010^18 (всe равно чего — сантиметров или парсек). Тем не менее, число старых вселенных тоже огромно — таков закон инфляции. Что касается размера, с которым рождаются вселенные — тут разброс может быть каким угодно: наша родилась с размером не менее сантиметра (на момент начала Большого взрыва), а верхний предел может быть любым.
Через миллиарды лет картина не изменится: все новорожденные вселенные, упомянутые выше, созреют и будут разнесены на гигантские расстояния — в каких-то из них возникнет жизнь. За это время число вселенных опять удвоится 1054 раз, и так далее.
Мы попытались решить очень сложную для нашего воображения задачу. Насколько это решение оказалось удачным сильно зависит от индивидуального восприятия читателя. Облегчающим обстоятельством является то, что задача, по крайней мере, на данном уровне рассмотрения (дальше будет хуже), описывается довольно простой математикой.
По-видимому, эта сильно упрощенная умозрительная модель вечной инфляции — крайний рубеж, на котором наше воображение на что-то способно. Скорее всего, реальная картина многократно сложней — в ходе тотального раздувания пространства меняется число измерений, могут возникать, так называемые, браны — миры меньшего числа измерений, вложенные в пространства большего числа измерений. Топологические курьезы, которые там могут возникать, представить невозможно. Однако, математика давно работает с понятиями, которые представить невозможно, поэтому наука не собирается отступать на этом рубеже.
В роли внутреннего наблюдателя
Итак, в роли внешнего наблюдателя, стоящего вне пространства и законов физики, мы видим грандиозный вечный акт творения экспоненциально растущего числа вселенных. Теперь лишим себя одной из сверхъестественных возможностей — видеть пространство все сразу «извне», и представим, что тем не менее можем телепортироваться внутрь разных мест пространства. Если мы телепортировались в область идущей инфляции, нам нужно уменьшиться до околопланковских размеров, иначе разорвет. Ничего интересного мы не увидим — горизонт будет составлять 10-27 сантиметра, все разлетается, все всюду одинаково с точностью до квантовых флуктуаций. Фактически мы лишены возможности передвигаться: к сверхъестественному свойству двигаться быстрее света не прибегаем, а свет в масштабе всей грандиозной картины движется очень медленно. Однако, если подождать, будет интересно. Рано или поздно, поле упадет, потом катастрофически быстро передаст свою энергию частицам. Причем, несмотря на то, что инфляция вечная, для каждого конкретного наблюдателя это произойдет обязательно, причем довольно скоро: вечность в инфляции для него закрыта. Как это объяснить?
В каждой точке пространства вероятность изменения поля-инфлатона вниз больше, чем вверх, поскольку есть общий плавный дрейф поля вниз и наложенные на него случайные квантовые флуктуации, равновероятные вниз и вверх. У тех флуктуаций, что подбросили поле вверх больше перспектива, но попасть в них трудней. Это легче представить на примере лабиринта.
Допустим, мы на входе в бесконечный ветвящийся лабиринт. В каждом ветвлении ход разделяется на шесть ходов, четыре из которых заканчиваются тупиком с ловушкой, из которой нет хода назад, а два ведут дальше к новому ветвлению. Лабиринт бесконечен и число открытых ходов растет по экспоненте. Но если путник при каждом ветвлении выбирает ход случайно (а в процессе инфляции судьбой наблюдателя в данной точке управляет именно случайность), он довольно скоро окажется в ловушке. Вероятность пройти до второго ветвления 1/3, до третьего 1/9 и так далее, вероятность пройти дальше экспоненциально убывает, несмотря на то, что число открытых ходов экспоненциально растет.
В случае с космологической инфляцией роль тупика с ловушкой играет большой взрыв. Наблюдатель увидит, как поле падает, и возникают частицы огромных энергий — он попал в новую горячую вселенную, расширяющуюся по закону Фридмана, уже с торможением, а не с ускорением. Горизонт станет расти, температура частиц падать. Если подождать еще, откроется большая однородная вселенная, но вероятность увидеть внутри горизонта какие-нибудь родовые дефекты, типа кротовой норы в пространство с другой биографией, исчезающе мала.
Телепортировавшись в произвольную зрелую вселенную, мы не знаем заранее, какой пейзаж встретим: будут ли там звезды и галактики — это может зависеть от ряда случайных факторов, которые обсуждаются ниже.
Наверняка нарисованная картина вечной инфляции в чем-то неверна и заведомо не полна. Отчасти это проблема воображения, отчасти — сложность всевозможных проистекающих явлений. Особенно сложные вещи будут происходить в тех местах, где поле залезло вверх до таких величин, что плотность его энергии стала порядка планковской. Об этом будет сказано ниже в несколько другом контексте.
Интересно, если вернуться к европианам — им будет легче или сложнее представить пространство за ледяным панцирем, чем нам вечную инфляцию? И да, и нет. С одной стороны проще — за панцирем то же самое евклидово трехмерное пространство, не требуется математических трюков и диких чисел для его описания. С другой стороны сложнее — они знают о нем гораздо меньше, чем мы о возможных механизмах космологической инфляции — им неоткуда знать, что такое звезды, у них нет зацепок, чтобы представить межзвездные расстояния и природу других планет. У них, выросших в полумраке с максимальной дальностью видимости в немногие сотни метров, и привыкших больше полагаться на звуковую локацию, оковы воображения должны быть куда теснее наших.
Дежурный по границе
В метановом куполе действовали весьма жесткие правила навигации. Никто не имел права отклоняться от фарватера, идущего вверх по сжимающейся спирали, обозначенного цепью акустических маяков. Ни одно судно не имело права пересекать границу вода-метан иначе, чем через иллюминированный «бублик». Пространство непосредственно под скважинами было самым запретным: под одной вертикально шли кабели, под другой время от времени самоходом отправлялся вниз лед и контейнеры с отходами. Эти запреты не относились только к дежурным по границе, ответственным за уборку льда и отходов.
Очередной дежурный дождался, когда наверху из тьмы проступило несколько голубых огней. Он застабилизировал буксир, вколол себе дозу прессонола, спустил давление в рубке и выплыл наружу. Это формально не было нарушением правил, но только потому, что их составители и в страшном сне не могли подумать, что кто-то из дежурных может выкинуть такой фортель. Кроме этого дежурного никто такого и не выкидывал. Вообще-то на дежурстве запрещалось даже вести посторонние разговоры по сотовой связи, не то, что покидать буксир.
Целью странного поступка дежурного было полюбоваться тем, что произойдет, когда связка глыб льда достигнет границы. Из рубки он насладиться зрелищем не мог.
Где-то далеко наверху в каждой из двух скважин проходчики высверлили отверстия, аккуратно подорвали очередной слой льда, так, что он раскололся на четыре сектора — как круглый торт, поделенный на четверых. Глыбы опустились на сетку. Из восходящей скважины их перетянули по горизонтальному штреку в нисходящую, где ждали еще четыре глыбы — все восемь сцепили в гирлянду к каждой прикрепили голубой светодиод, и отпустили свободно погружаться — сначала по скважине, потом в открытой толще метана до границы с водой. Дежурный сам был проходчиком, поэтому очень хорошо знал, как все это делается. Администрация предпочитала направлять рабочих на разные участки работы, чтобы каждый хорошо представлял себе всю цепочку — так было меньше нестыковок и накладок. Большинство не любило дежурить у границы, большинство, но не этот.
Гирлянда, собравшись в комок, пересекла границу, затормозилась и пошла вверх. Дежурный, закрыв глаза, чтобы лучше сосредоточиться, начал изо всех сил отрывисто свистеть. Он «видел», как вздымается огромная кольцевая волна между водой и метаном, поднимая мелкую ледяную шугу. Кольцевой холм начал медленно расходиться, а в центре, куда опустилась гирлянда, начал подниматься новый бугор — он тоже превратился в расходящееся кольцо — и так несколько раз. Волны отличались от земных кругов на воде огромными размерами и медлительностью — результат слабой гравитации и сравнительно небольшой разницы в плотности воды и углеводородов.
Никто из европиан никогда не видел волн! Вообще никто из них до сих пор не видел поверхности, по которой могут ходить волны. И наблюдать их было потрясающе — это стоило риска любых дисциплинарных взысканий. Почему эволюция одарила разумных существ тягой к невиданным явлениям, вместо того, чтобы снабдить рациональным страхом? Дежурный завороженно следил за кругами, пока поверхность чуть не успокоилась — надо было срочно выполнять основную обязанность.
Он вернулся на буксир, восстановил давление и направил судно к гирлянде. Зацепив кольцо с красным маячком, он не спеша потянул гирлянду, которая не успела смерзнуться в бесформенный комок (а бывало и такое) за пределы купола в ледовый отвал. Это тоже было зрелище! Глыбы льда, неся в себе космический холод, быстро покрывались новым намерзающим льдом, приобретая более округлые очертания. Светильники тоже оказались под толстым слоем льда, и теперь глыбы светились изнутри — Дежурный любовался гирляндой в зеркало заднего вида. Путь был неблизкий, и можно было вволю пофантазировать.
Всем проходчикам было торжественно обещано, что они смогут своими глазами увидеть внешнее пространство. Возможно, это был опрометчиво: почти все теперь не могли отделаться от фантазий, что они там увидят. Каждый представлял это по-своему — Дежурный не мог отделаться от образа плавающих в пространстве ледяных миров, подсвеченных изнутри: буксировка десятков гирлянд сделала свое дело — воображение переклинило. Как только он пытался представить, что увидит, поднявшись в барокамере из последнего шлюза на телескопической стреле — перед глазами вставал хоровод миров — ледяных шаров, светящихся внутренним светом. Дежурный знал, что миры освещаются снаружи, знал что лед, покрывающий целый мир не может выглядеть прозрачным, но знание не помогало — он тряс головой, но воображаемые миры оставались полупрозрачными, светящимися сами по себе. Но это был еще не худший случай. Бригадир, начитавшись одного известного фантаста, не мог представить себе внешнее пространство без огромных прозрачных тварей, испускавших синеватое свечение. А самое сложное заключалось в другом.
Все становились в тупик от осознания, что там, за ледяным панцирем, средством восприятия далекого становятся не слух, а зрение. Никто никогда не видел глазами ничего дальше четверти свиста. А тут требовалось вообразить что-то за сотни тысяч и миллионы свистов, воспринимаемое через глаза. Зрительное воображение бастовало и не могло предложить ничего кроме подсвеченных ледяных глыб, крупных тварей с биолюминисценцией и прочих атрибутов глубоководного мира. Далекие миры появлялись скорей в звуковом воображении, хотя все понимали, что во внешнем пространстве нет и не может быть никаких звуков. Вообразить космос жителям океанских глубин не проще, чем нам представить кривое и тем более замкнутое трехмерное пространство.
Буксир с гирляндой покинул Купол — впереди замаячил свет отвала. Аккумуляторы светодиодов, вмерзших в лед, были рассчитаны на тридцать смен — гирлянды в отвале смерзались между собой, образовав сияющий монолит. Проходка скважин уже наградила участников неожиданными красотами, кажется, предвещавшими совершенно феерическое зрелище в конце. Но до конца было еще далеко — треть проходки, монтаж четырех аварийных шлюзов, основных шлюзов, и самые сложные последние пласты льда. А сейчас еще предстояло прочесать границу на предмет обломков льда и мусора такого, что тонул в метане, но всплывал в воде.
Буксир вернулся в Купол и выпустил трал: сеть, грузила, легкие поплавки, пограничные стабилизирующие поплавки. Чистить границу — занятие простое, но долгое и монотонное. Зато можно чуть расслабиться и подумать — о внешнем пространстве или о доме, куда он попадет через десять смен или помечтать о теплых базальтовых полях, куда он отправится в отпуск. Собственно и сама проходка скважин состояла из простых однообразных действий, разве что капсула аппарата была тесней рубки буксира, да рычажков и кнопок управления в ней куда больше. Прижать фиксаторы к стене, включить их обогрев, выключить, дождаться сигнала примораживания, проверить, прочно ли примерзли, выставить дрель по лучу лазера, включить дрель, расслабиться и подумать или помечтать, вынуть бур, вставить заряд, переместить дрель на новую позицию. После нескольких отверстий включить обогрев фиксаторов, когда отмерзнут — переместить аппарат на новую позицию, приморозить фиксаторы, выставить дрель, и так далее… Потом — долгожданное разнообразие: все в своих аппаратах убираются в соседнюю скважину через штрек, остается включить сирену, подорвать заряд, дождаться эха от внешней поверхности, попытаться снова «рассмотреть» ее рельеф, несмотря на искажения, возникающие от того, что сидишь в проклятой капсуле. В эхе просматривалась прямая ровная гряда, проходящая неподалеку от места, куда выйдет скважина. Бригадир уверял, что она двойная:
— Ну как ты не слышишь?! Она разделена на две одинаковых параллельных гряды — посередине желоб — так и идут они ровнехонько, насколько хватает эха!
— Ну не знаю, может мне жмор дрынем слух отшиб, но нет, по-моему, там никакого желоба посередине. Тебе мерещится.
— Постучи по затылку, потряси головой в следующий раз…
И так далее. Этот спор происходил едва ли не после каждого подрыва.
Буксир отправился за пределы Купола с полным тралом. Дежурный подумал: «Как, по сути, просто все это делается. Говорят — величайший проект цивилизации. Внизу нас считают чуть ли не героями. А тут — одна рутина. Сделал то, сделал се, сделал третье — как ракушки лузгать, а если что забыл, напомнит автоматика. Кругом защита от дурака, и не зря — от такой работы впору действительно стать круглым идиотом…»
Теперь действительно все шло как по маслу. Дежурный подзабыл, как он сам учился управлять аппаратом, как переживал нервные срывы от тесноты капсулы, как однажды он так запутал аппарат в силовом кабеле, что пока его распутывали, едва не кончилось жизнеобеспечение. Трудно было представить, что не так давно ни одна душа не имела представления о том, как работать в среде, где любого ждет гарантированная смерть сразу от двух причин: низкого давления и мгновенного замораживания. Уже не вспоминалась война двух школ разработчиков: автономщиков и пилотажников. Первые хотели создать полностью автоматический гигантский буровой механизм (нет проблем с жизнеобеспечением проходчиков), вторые — легкие пилотируемые аппараты с разнообразными манипуляторами, управляемыми из капсулы, где поддерживаются комфортная температура и давление. Как видно из вышесказанного, победили вторые, хотя первый вариант поначалу казался проще. Проект автоматического бура споткнулся о проблему температурного контроля всех движущихся частей, чреватую безнадежным вмораживанием гигантского механизма в лед. К счастью вмерзли лишь уменьшенные прототипы в пробных скважинах. Зато три один за другим. Так что было все — и драмы и героизм и тяжелые ошибки и жертвы были. Поначалу казалось, что отладить процесс проходки скважин, так, чтобы не было регулярных аварий и переделок не удастся никогда. Но два глаза боятся, а восемь рук делают, и теперь — все идет как по маслу, за исключением мелких дрязг и неурядиц.
Гряда на поверхности Европы, ставшая предметом спора Дежурного и Бригадира. Снимок сделан космической станцией Галилео, НАСА . Размер поля снимка 14 Х 12 километров. Высота гряды 350 м.
Снова показалось зарево отвала. Дежурный пытался представить гряду на внешней поверхности — то ли простую (по его впечатлению) то ли двойную (на чем настаивал Бригадир). Он ведь ее увидит своими глазами, когда придет тот самый момент — не слухом, а глазами. Как это — увидеть глазами такую огромную гряду? Так же четко, как он видит свою руку, но размеров во много свистов, что в родном Мире не только не увидишь, но и не отсвистишь! Как это представить? А если бы вдруг Мир внезапно стал таким же прозрачным, как внешнее пространство? По крайней мере, если верить ученым, которые утверждают, что внешне пространство абсолютно прозрачно для зрения. Что он увидит, если Мир полностью просветлеет для глаз и заполнится светом? Сразу все горы, города, ледяное небо! Это будет красиво или устрашающе? А если увидеть это сверху, отсюда! Ландшафт с крохотными городами далеко внизу, как на карте, закругляющийся и исчезающий за выпуклостью мира. И серо-голубое волнистое небо, тоже закругляющееся и уходящее за выпуклость… Он вдруг понял, что мог бы внезапно умереть — то ли от страха, то ли от восторга, если бы действительно случилось такое.
Дежурный осознал, что мысли завели его слишком далеко, и лучше вернуться к чему то попроще и поприятней, например, к теплым базальтовым полям…
Где Бог играет в кости?
Мы попытались описать, как в ходе вечной инфляции рождаются мириады вселенных. Насколько они разные? Антропный принцип предполагает, что они должны существенно различаться, иначе как среди них появится хоть одна с тонко подобранными физическими константами, благоприятствующими жизни? Где может иметь место случайность, определяющая законы и судьбу вселенной?
Выше шла речь о фазовых переходах в ранней Вселенной, при которых менялась физика — массы частиц и характер их взаимодействия. Не могла ли случайность реализоваться именно здесь: не приводят ли в разных вселенных те же самые фазовые переходы к разной физике? Мы же видим, как лед на поверхности воды в ведре на легком морозе образует случайный узор!
По сути дела мы хорошо понимаем лишь один фундаментальный фазовый переход, связанный с электрослабым объединением. В этом случае ответ известен, и он отрицательный. Там нет никакого параметра, который влиял бы на результат перехода (параметра порядка) — он подобен фазовому переходу вода — пар, где нет никакого произвола. И вода и пар не имеют структуры.
Но могли быть и другие фазовые переходы, более ранние, при температурах до которых не способна добраться экспериментальная физика высоких энергий. Напомним: из экстраполяции данных, полученных при доступных энергиях, угадывается еще одно объединение, где к электрослабым взаимодействиям добавляется сильное — великое объединение, уже упоминавшееся выше.
Электрослабый фазовый переход связан с полем Хиггса: пространство заполнилось однородным скалярным полем, и физика частиц изменилась — электромагнитные и слабые взаимодействия стали разными. А если существует великое объединение, то был и другой фазовый переход, когда сильные взаимодействия отщепились от электрослабых. И тот фазовый переход тоже связан с появлением однородного скалярного поля. Разница в том, что при великом объединении могло быть несколько скалярных полей и пространство оказалось заполнено их некоторой комбинацией. Какой именно комбинацией, с какими именно коэффициентами вошли в нее составляющие скалярные поля — это может быть делом случая. И от этого случая будут зависеть массы частиц и их взаимодействия.
Может ли подобный фазовый переход дать необходимое разнообразие вселенных, чтобы некоторые из них оказались пригодны для жизни? Мы не можем точно реконструировать модель великого объединения, в частности, среди физиков существует и такая точка зрения, что его вообще не существует. Но есть проблема, общая для любых мыслимых моделей.
Обитаемость вселенной зависит от многих констант: массы разных частиц, константы разных взаимодействий. И в этом многомерном пространстве констант есть небольшой «обитаемый» островок. Может быть, такой островок не один, но несомненно эти островки занимают ничтожный объем в пространстве. И нам надо выбросить кости так, чтобы они указали координаты одного из островков. А если измерений много, а костей мало? Тогда может оказаться так, что, сколько ни кидай кости, ни на один островок не попадешь.
Допустим, есть трехмерное пространство констант (на самом деле число «измерений» больше) и в нем — островки-пузырьки, где значения параметров пригодны для жизни. Допустим, есть один случайный параметр, указывающий точку в этом пространстве по какой-то формуле. Если бесконечное число раз выбирать этот параметр случайным образом, указанные им точки дадут одномерное множество — линию. И какова вероятность, что эта линия попадет на один из маленьких островов-пузырьков, затерянных в пространстве констант? Если пространство параметров конечно, то что-нибудь типа (v/V)2/3 N где v — типичный объем «обитаемого» островка, N — число островков а V — объем всего пространства констант. Если островков, благоприятных для обитания не так много, то эта вероятность будет мала. Таким образом, когда число степеней свободы («костей») при случайном выборе существенно меньше размерности пространства параметров, то обитаемая вселенная скорее всего вообще не появится: линия исходов «бросания костей» пройдет мимо всех островков. Именно этот случай имеет место при фазовом переходе, типа того, что мог произойти в связи с великим объединением. Источник случайности должен быть более богатым, более многомерным, и его надо искать где-то еще.
Место, где его ищут — теория струн. С самого начала автор книги решительно намеревался избежать серьезного экскурса в эту теорию. Чтобы понимать суть теории струн, надо хотя бы иметь представление о математике, которая лежит в ее основе. Ознакомление с этой математикой находится за пределами житейских возможностей автора данной книги. А без понимания основ лучше не писать вообще. Пусть теория струн остается героем повествования, который маячит за кулисами, не выходя на сцену, но неявно влияет на ход событий. Об этой теории должны быть написаны другие книги другими людьми.
Однако, сейчас, чтобы разобраться с антропным принципом, совсем обойти молчанием теорию струн невозможно. В таких случаях полезно прибегать к цитированию людей, которые разбираются в предмете лучше тебя. Одним из таких является научный редактор данной книги. В качестве подходящей цитаты можно использовать интервью, взятое автором у Валерия Рубакова в связи с первым присуждением премии Мильнера, среди лауреатов которой были классики теории струн. Оно опубликовано в «Троицком варианте» в августе 2012 годи и цитируется в слегка адаптированном виде.
БШ — Что касается струн, то там уже никаким экспериментом ничего не докажешь, но они тоже, видимо, имеют огромное мировоззренческое значение.
ВР — Не только. Еще огромное значение для математики. Суперструны наплодили большое количество интересных математических объектов, до которых сами математики не додумались. Да и просто для развития мозгов имеют немалое значение.
Суперструны вначале вводятся аналогично частицам в релятивистской квантовой механике — уравнение вроде Клейна — Гордона для свободных частиц, только объекты имеют вид струн — открытых или замкнутых, где есть квантовые уровни разных мод колебаний. Эти возбуждения можно ассоциировать с частицами. Далее, сразу применяется теория возмущений, есть аналог диаграмм Фейнмана, только вместо линий там трубы, которые могут сливаться подобно штанинам брюк, ну и дополнительные интегралы надо брать.
Когда появились струны?
Эдвард Виттен (Edward Witten), Институт перспективных исследований, Принстон, CША
— В первом варианте еще в 60-х–начале 70-х в попытке описать взаимодействия адронов. Поначалу теория давала неприятный артефакт — тахионы, двигающиеся быстрее света и нарушающие причинность. Потом появились суперструны, избавившие теорию от тахионов. Потом самосогласованные теории суперструн без всяких внутренних противоречий вообще. Причем они возможны только в пространстве большего числа измерений, минимум 10. Я очень хорошо помню, как в Москву приезжал Виттен, кажется в 1985 году. Выступая на семинаре в ФИАНе, он заявил, типа: друзья, всё, теория сформулирована! Есть две и только две самосогласованные модели — они должны описать всё. Остались технические трудности, но, осилив их, мы выжмем всё, мы сможем из первых принципов получить такие вещи, как заряд и массу электрона.
— Получается, не осилили — где основная засада?
— С тех пор выяснилось, что всего самосогласованных моделей пять, сделан действительно огромный вклад в математику, а настоящего, окончательного аппарата всё еще нет. А основная засада, полня сарсынь, как выражаются твои европиане, появилась в неожиданном месте: оказалось, что в теории суперструн есть примерно 10500 разных вакуумов, причем все они практически стабильны. И мы не знаем, в котором из этих вакуумов живем…
— Видимо, такое чудовищное число может взяться только из комбинаторики. Что именно комбинируется?
— Конечно. Есть гигантское число способов, которыми можно редуцировать изначальное 10- или 11-мерное пространство в наш четырехмерный мир. Можно свернуть лишние измерения так, можно сяк, вакуумная топология одного поля может быть такой, другого — сякой. Ну и так далее. Понятно, что исследовать 10500возможностей нереально. А то, как будет работать теория суперструн, что она будет предсказывать, зависит от конкретного вакуума, в котором мы находимся. А определить это невозможно ни теоретически, ни экспериментально. Люди пытались действовать следующим образом: возьмем такой-то подкласс суперструнных вакуумов, где их всего миллион — с этим числом уже можно работать. Посмотрим, нет ли в этом миллионе вариантов, где появляется нечто похожее на стандартную модель. Потребуем, чтобы при данном вакууме был легкий электрон, — 99 % вариантов отсеивается. Потребуем, чтобы там были три поколения кварков, — остается всего 200 из миллиона. Потребуем еще, чтобы заряды были правильными, — не выживает ни один вариант. И что делать дальше с оставшимися 10500 за минусом миллиона?
Похоже, это и мог бы быть ответ. Десять в пятисотой разных вакуумов означает десять в пятисотой разных комплектов физических констант в разных вселенных. Конечно, такое число «точек» должно плотно заполнить любое пространство физических констант. И это один из аргументов в пользу теории струн: она обеспечивает простор для антропного принципа.
Суперструны, между прочим, «живут» на планковском масштабе. И опять, возвращаясь к метафоре Бога, мы снова вынуждены поселить его именно там, на сей раз, для игры в кости. В планковский масштаб упирается гравитационный коллапс, из него берет начало космологическая инфляция и там же, похоже, случайно генерируется физика вселенных.
Но как при этом быть с вечной инфляцией, ведь она — классическое явление, мы ее понимаем лишь постольку, поскольку плотность вакуума стала ниже планковской. Тут возможен следующий сценарий.
Допустим, инфляция идет в некоем конкретном суперструнном вакууме, сформировавшемся на самом ее старте на планковском масштабе. Но вспомним, что при инфляции плотность энергии вакуума местами «лезет» вверх за счет квантовых флуктуаций. И где-то она приближается к планковским значениям, при этом вакуум может перестроиться, все измениться вплоть до числа измерений. То есть и при вечной инфляции «игра в кости» продолжается.
Где кончается рациональность и начинается капитуляция?
Мы писали о применении антропного принципа для объяснения значений констант, единственная специфика которых заключается в их благоприятности для жизни (например, энергия резонанса ядра углерода). Здесь данный принцип выглядит естественным и не вызывает отторжения. А следует ли его применять для объяснения каких либо выделенных значений? Например, если какой-то параметр строго равен единице (две величины в точности равны друг другу). Или какой-то другой параметр неотличим от нуля. Если близость одного параметра к единице, а другого — к нулю являются условием нашего существования, следует ли нам объяснять эту близость антропным принципом?
Например, как отмечено выше, в 70-х годах было не понятно, почему так идеально подогнаны начальные условия большого взрыва, в частности, почему плотность так близка к критической (W~1), что предполагало равенство с точностью до 10-60 в начале большого взрыва на околопланковских масштабах. А ведь если бы они не были подогнаны так точно, то и нас бы не было: вселенная бы уже сколлапсировала или расширялась бы так быстро, что не успели бы образоваться галактики и звезды. Не возникает ли соблазн привлечь для объяснения факта антропный принцип? Если знать основное содержание этой книги — соблазна не возникает. Но в 70-х годах никто этого не знал, и время от времени такая идея наверняка всплывала: ну требуется попадание с вероятностью 10-60, но кто мешает предположить, что «попыток сотворения» вселенных было куда больше, чем 1060? Владимир Лукаш ответил в своем интервью, что упование на антропный принцип считалось в школе Зельдовича моветоном. И это правильно: если величина близка к выделенному значению — надо искать рациональное объяснение, а привлекать антропный принцип лишь в самую последнюю очередь, когда все исчерпано. И в том случае правило сработало: вскоре была сформулирована концепция космологической инфляции, давшая рациональное объяснение близости к единице.
Но осталась другая фундаментальная загадка — близость плотности энергии вакуума к нулю. Сейчас мы знаем, что есть темная энергия с плотностью около 10-8 эрг/см3 или, если выражать в единицах массы, 10-29 г/см3. Возможно, это и есть плотность энергии вакуума. И мы не имеем рационального объяснения, почему она столь мала. Опять антропный принцип? Мы уже упоминали выше именно эту точку зрения.
Если считать, что плотность энергии ваккума равновероятна от планковской до минус планковской, то вероятность получить столь малую величину — 10-123, гораздо меньше, чем случайно получить вселенную с современной плотностью материи, столь близкой к критической. Впрочем, где 1060 вселенных, там и 10123найдется, чтобы в одной из них вакуум оказался столь слабо тяготеющим, чтобы там смогли возникнуть мы. И есть люди, которые вполне серьезно именно это и утверждают. Но есть и те, кто считает такой подход моветоном и готовы бросить навсегда занятие наукой, если антропный принцип в данном случае окажется единственным возможным объяснением. Автор на стороне вторых, но есть одно обстоятельство, которое вроде бы поддерживает точку зрения первых.
Механизм космологической инфляции, ответственный за близость плотности к критической, сделал свое дело гораздо точнее, чем необходимо с точки зрения антропного принципа. Мы бы могли появиться при современном значении параметра W ~ 0.1 или W = 2. Если бы этот параметр выпадал случайно, мы бы, скорее всего, обнаружили его где-то в этих пределах, заметно отличающимся от 1. Но измерения показывают, что W отличается от 1 не более, чем на 0.01. И мы понимаем — это потому, что есть механизм, обеспечивающий равенство W = 1 с огромной точностью. Скорее всего, отличие W от единицы на много порядков меньше.
А в случае с плотностью энергии вакуума? Антропный принц требует, чтобы она по абсолютной величине была не больше 10-28 г/см3 (число дано весьма приблизительно), иначе из-за ускоренного расширения не смогли бы образоваться галактики и звезды поколения Солнца. А на самом деле, если трактовать темную энергию, как плотность энергии вакуума, то она составляет ~ 10-29 г/см3 . От механизма, обеспечивающего малую плотность вакуума, мы были бы вправе ждать гораздо меньшей величины. А тут подозрительно близко к тому, что требуется для обитаемости вселенной. Достаточно малая величина, чтобы мы смогли появиться, но не более того: всего порядок разницы. Наводит на мысль, что это действительно может быть результатом случая. И некоторые серьезные ученые принимают этот аргумент. Соблазн при этом довольно велик: отпадает необходимость искать причину малой плотности вакуума: это просто случай, выпавший с вероятностью 10-123в бесконечном числе вселенных. И над странным энергетическим масштабом темной энергии, никак не связанным с известными масштабами взаимодействий не надо ломать голову: случай!
Насколько этот подход рационален?
Он был бы более-менее рационален, если наблюдаемое значение плотности энергии вакуума было бы произвольным с точки зрения законов физики и истории Вселенной. Так ли это?
Нет никаких гарантий того, что темная энергия — вакуум с ненулевой плотностью. Под вакуумом, напомним, мы понимаем состояние с постоянной и однородной плотностью энергии, с уравнением состояния p = — e. Однако вполне возможно, что плотность настоящего вакуума равна нулю, а темная энергия — скалярное поле, переменное во времени, например, находящееся в режиме медленного скатывания к нулевой плотности. Это заведомо не вакуум, и уравнение состояния здесь другое, напомним: p = —w e, где w <1, что соответствует квинтэссенции. Здесь есть варианты теории, когда нынешнее значение плотности темной энергии, близкое к плотности материи получается естественным образом. То есть существуют возможные объяснения наблюдаемой плотности темной энергии без привлечения антропного принципа. И что важно, они могут быть подтверждены или опровергнуты. В частности, квинтэссенцию можно отличить от вакуума, измерив величинуw, что вполне реально.
Подведем итог. Антропный принцип — метод понимания окружающего мира, который говорит нам важные вещи: вселенных много, они разнообразны, в формировании их физической картины участвует случайность. Это следует из значений физических констант, характерных единственно тем, что они благоприятны для появления жизни. Но есть условия другого типа, тоже необходимые для жизни: что-то с высокой точностью равно чему-то, а что-то удивительно мало. Автор, как и многие исследователи, придерживается точки зрения, что привлекать в данном случае антропный принцип — нечто сродни капитуляции, которая оправдана лишь в случае полной безнадежности найти прямое объяснение. Пока загадка малой энергии вакуума остается одной из тяжелейших, но до полной безнадежности еще далеко.
(окончание следует)
Оригинал: http://7i.7iskusstv.com/2017-nomer12-bshtern/
