2.8. За пределами нашей Вселенной

Как мы увидели в предыдущем параграфе, наша Вселенная – довольно странное место. Действительно, ее крупномасштабные характеристики выглядят произвольными – почему, например, в ней именно столько темной материи и темной энергии, почему барионное вещество – это лишь небольшая «примесь» к другим ее составляющим, почему она столь велика или, в зависимости от вкуса, столь мала? Подобных вопросов можно задавать много. Кажется естественным, что рано или поздно мы должны узнать ответы, например, построив некую фундаментальную теорию, в которой все особенности Вселенной будут объяснены, так сказать, «из первых принципов». Однако уже сейчас существует подход, называемый антропным принципом, позволяющий ответить на подобные вопросы. С выводами, следующими из антропного принципа, можно не соглашаться, однако они, несомненно, очень интересны.

Давайте представим себе, что мы находимся в далеком прошлом, когда не было известно о существовании других звезд и планет. Проницательный исследователь, размышляя об окружающем его мире, мог бы обратить внимание на то, что этот мир удивительно комфортен для человека [31] .

Эти удобства можно перечислять долго – например, на Земле тепло, полно пищи, легко найти естественные укрытия от непогоды и от разнообразных опасностей, реки и моря дают возможности для далеких путешествий. Если не считать, что все это кем-то создано специально для человека, то можно сделать вывод, что существует огромное количество других миров с самыми разнообразными температурными режимами и условиями для жизни, а мы живем в том мире, где условия для нас подходят.

Возможно, отчасти подобная логика привела ряд античных философов к выводу о множественности других, в том числе обитаемых, миров. Например, в III в. н. э. Ипполит так описывает взгляды философа-атомиста Демокрита: «Миры бесконечны по числу и отличаются друг от друга по величине. В одних из них нет ни солнца, ни луны, в других – солнце и луна большие, чем у нас, в третьих – их не по одному, а несколько. Расстояния между мирами не одинаковые; кроме того, в одном месте миров больше, в другом – меньше… В одном месте миры возникают, в другом – идут на убыль… Некоторые из миров лишены животных, растений и какой бы то ни было влаги».

В неподходящих условиях жизнь просто не появилась бы, и не было бы наблюдателей, рассуждающих о комфортности окружения. Создание гелиоцентрической системы, превратившее Землю в рядовую планету, а также открытие в последние годы огромного числа планет у других звезд, – все это подтвердило приведенные выше рассуждения.

Теперь вместо Земли рассмотрим Вселенную – насколько она уютна для нашего существования? Оказывается, очень! Самые разнообразные ее характеристики замечательным образом «подогнаны» для того, чтобы могла существовать жизнь, подобная земной. Например, все знают, что в нашем мире 3 пространственных измерения. Это не случайно. Как показал еще в начале XX века Пауль Эренфест, только в трехмерном мире возможно существование устойчивых планетных орбит и устойчивых атомов. Маленькое изменение массы электрона или разности масс протона и нейтрона привело бы к тому, что атом водорода стал бы нестабилен и основным веществом во Вселенной стали бы атомы гелия. Эволюция звезд радикально изменилась бы, и возникновение жизни стало бы невозможно. В физике еще много других эффектных примеров зависимости нашего мира от «шевеления» фундаментальных констант. Например, сильное увеличение скорости света приведет к тому, что при фиксированной энергии фотона, задаваемой разностью энергий атомных уровней, его импульс уменьшится, длина волны увеличится, изменится сечение рассеяния фотонов электронами. В итоге фотоны практически перестали бы взаимодействовать с веществом и, как пишет российский физик Л. Б. Окунь, «не было бы ни Солнца, ни электрической лампочки, чтобы светить, ни глаза, чтобы видеть».

Итогом подобного анализа является заключение, что наш мир имеет относительно небольшой запас прочности по отношению к изменению фундаментальных констант. Размышляя, подобно нашему древнему мыслителю, о «комфортности» Вселенной, можно сделать простой вывод – возможно, существует очень большая последовательность вселенных, в которых реализуются самые разнообразные наборы физических констант, и мы живем в той из них, в которой условия благоприятны для появления жизни земного типа. Это утверждение, по сути, почти тривиальное, и есть антропный принцип. На самом деле существуют десятки вариантов формулировки принципа, но в дальнейшем я буду иметь в виду лишь эту.

Антропный принцип обычно связывают с именем английского астрофизика Брэндона Картера. В 1974 году он предложил это название для утверждения, что то, что мы ожидаем получить из наблюдений, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя. Скажем, мы не можем ожидать, что получим из наблюдений, что нейтрон в два раза легче протона, поскольку это противоречит существованию атомов и молекул и, следовательно, жизни нашего типа. Картеру принадлежит удачное название, однако он не был первооткрывателем самого принципа. В разном обличье эти соображения высказывались и использовались задолго до него. Например, Эдгар По использовал сходные рассуждения для обоснования большого размера и возраста Вселенной (см. предыдущую главу). Дух антропного принципа можно усмотреть и в построениях Людвига Больцмана, описавшего огромную Вселенную, в которой то тут, то там возникают гигантские статистические флуктуации, условия в которых очень сильно отличаются от средних. Если в какой-либо флуктуации существуют мыслящие существа, то они обнаружат, что их существование связано с крайне маловероятными условиями, сложившимися в пределах флуктуации и сильно отличающимися от окружающих областей Вселенной. В 1960-е годы четкие формулировки антропного принципа высказали советский космолог А. Л. Зельманов и американец Роберт Дикке.

Что нам дает антропный принцип? Как ни странно, у столь общего утверждения, есть вполне конкретные достижения. Например, я уже упоминал, что Стивен Вайнберг задолго до результатов групп Перлмуттера и Шмидта использовал его для обоснования большого значения космологической постоянной. Замечательным применением антропного принципа (по крайней мере так об этом пишут во многих учебниках по космологии) считают и предсказание Фредом Хойл ом в 1953 году существования энергетического уровня ядра углерода с энергией возбуждения 7.65 МэВ. Без этого уровня углерод образовывался бы в звездах гораздо менее эффективно, и наша Вселенная была бы столь им бедна, что возникновение жизни на основе углерода стало бы невозможным. Примерно через неделю после этого предсказания уровень возбуждения 7.65 МэВ был действительно открыт в эксперименте! Еще одним предсказанием антропного принципа может считаться и существование Мультивселенной [32] – совокупности огромного количества вселенных, в каждой из которых реализуется свой набор значений физических констант.

Мультивселенная – концепция довольно старая. Например, что-то подобное можно найти у Эдгара По в «Эврике»: «существует некая беспредельная последовательность Вселенных, более или менее подобных той, о которой мы имеем осведомленность…», «не имея доли в нашем происхождении, они не имеют доли в наших законах. Ни они не притягивают нас, ни мы их… Между ними и нами… нет влияний взаимных…». Своего рода Мультивселенной является и упоминавшийся выше мир Больцмана, состоящий из огромного числа отдельных «вселенных-флуктуаций».

Мультивселенная – благодатное поле деятельности и для писателей-фантастов, герои произведений которых часто скачут из вселенной во вселенную на суперзвездолетах (иногда, правда, авторы путают галактики и вселенные). Кстати, одно из первых художественных описаний своеобразной Мультивселенной было дано знаменитым польским писателем Станиславом Лемом в «Новой космогонии» (1971 год). «Новая космогония» – это речь вымышленного лауреата Нобелевской премии Альфреда Тесты, в которой он описывает Вселенную, разбитую на отдельные «ячейки». Внутри ячеек существуют «различные разновидности физики» и «цивилизации могли возникнуть лишь в немногих очагах, значительно удаленных друг от друга». Собственно фантастика начинается дальше, когда Теста описывает эволюцию такой Вселенной как своего рода состязание или игру сверхцивилизаций, возникших в некоторых из ячеек, по переделке законов физики внутри своих ареалов обитания и во Вселенной в целом.

Все написанное выше можно отнести к общим рассуждениям. Есть ли какие-нибудь физические основания в поддержку существования Мультивселенной? Первые свидетельства такой возможности появились в теории инфляции. Эта теория возникла на рубеже 1970–1980-х годов усилиями ряда российских и зарубежных физиков-теоретиков (Алексей Старобинский, Андрей Линде, Алан Гут и др.). К этому времени в космологии накопился ряд проблем, неразрешимых в рамках стандартной фридмановской космологии. Например, каким образом во Вселенной установилось однородное и изотропное распределение материи на больших масштабах, почему разные, очень далеко разнесенные и причинно не связанные области Вселенной имеют одинаковые свойства, почему глобальная геометрия нашего мира близка к евклидовой? Теория инфляции успешно разрешила эти и другие проблемы фридмановской космологии, но, естественно, породила новые.

Основой теории инфляции является представление о существовании так называемого скалярного поля – особого вида материи, обладающего огромной плотностью и отрицательным давлением. Отрицательное давление означает, что эта среда порождает мощные силы гравитационного отталкивания. Скалярное поле испытывает квантовые флуктуации и в нем возникают области с большими значениями поля, которое начинает вести себя как космологическая постоянная и которое приводит к возникновению быстро расширяющихся областей.

В самом начале эволюции нашей Вселенной, еще до стадии Большого взрыва, был период такого сверхбыстрого ускоренного расширения (или раздувания) – инфляции. Инфляция длилась ~10-34 с, и за это время размер флуктуации вырос в огромное, невообразимое число раз. В некоторых вариантах теории этот рост составляет 1010 10 раз! В итоге, в конце инфляционной стадии исходная флуктуация плотности, имевшая так называемый планковский масштаб (~10-33 см), вырастает до колоссальных размеров, во много раз превышающих размер доступной наблюдениям современной Вселенной. Это объясняет однородность и изотропию, а также плоскую геометрию Вселенной – она представляет собой лишь крошечную часть чего-то гораздо большего, подобно тому, как небольшой участок поверхности огромного шара в первом приближении можно считать плоским, хотя сам шар, естественно, сильно искривлен.

В конце инфляции скалярное поле распадается, энергия поля переходит в энергию обычного вещества и возникает то, что уже знакомо по космологии Фридмана, – расширяющийся по инерции (начальные скорости расширения сформировались в конце стадии инфляции) сверхплотный сгусток элементарных частиц. Тем самым, можно сказать, что стадия инфляции подготавливает горячий Большой взрыв, создавая высокотемпературную плазму и заставляя новорожденную Вселенную расширяться (рис. 44). Или, другими словами, расширение Вселенной – следствие условий, сложившихся по окончании стадии инфляции, а сама инфляция – следствие определенных свойств скалярного поля. В настоящую эпоху Вселенная начинает потихоньку разгоняться под действием другого скалярного поля – того, что выше обсуждалось под названием «темная энергия» [33] .

Представим себе, что скалярное поле неоднородно и его плотность случайным образом меняется, тогда в тех областях, где поле большое, начинается инфляция и возникают, по словам А. Линде, «острова в первичном хаосе» – другие вселенные. Следовательно, в таком варианте инфляционной теории мы естественным образом приходим к картине Мультивселенной, в которой наша Вселенная – лишь одна из многих. Вот как об этом написал сам автор модели хаотической инфляции Андрей Линде: «В результате квантовых скачков скалярных полей вселенная оказывается разделенной на бесконечное множество экспоненциально больших областей с различными законами физики при малых энергиях. Каждая из этих областей настолько велика, что практически может рассматриваться как отдельная вселенная: существа, ее населяющие, будут жить экспоненциально далеко от ее границ, и потому никогда ничего не узнают о существовании других «вселенных» с другими свойствами». Библейская картина мира была построена вокруг человека. Человек находился в центре Вселенной – на Земле, вокруг которой обращались планеты, Солнце и Луна, а снаружи все это замыкалось сферой божественного. Коперник передвинул Землю из центра Солнечной системы, затем Диггес и Бруно убрали ограничивающую нашу планетную систему внешнюю сферу, сделав Солнце рядовой звездой среди множества подобных. Вильям Гершель открыл нашу Галактику в виде гигантского уплощенного скопления звезд. Солнце по Гершелю находилось вблизи центра Галактики. В XX веке, в первую очередь усилиями Хаббла, было доказано, что Галактика – рядовой объект среди множества других. Кроме того, Солнце было передвинуто на периферию нашей звездной системы. Окружающая Солнце планетная система тоже не уникальна – планеты присутствуют, по-видимому, у большинства звезд. И вот, на рубеже XX и XXI веков, начало формироваться представление, что очередная «черепаха» – наш заполненный галактиками расширяющийся пузырек пространства-времени – не последняя и за ее пределами уже маячит следующая – Мультивселенная. Удастся ли нам когда-нибудь найти и понять последнюю «черепаху», если она, конечно, существует?