Сделаем еще одну оценку. Хотя у нас нет никаких оснований предполагать какой-то определенный размер Вселенной в момент начала инфляции, возьмем «с потолка» размер в 1 мм. Он превосходит характерный размер видимой части Вселенной на момент начала инфляции (10–26 м) в 1023 раз. Соответственно, в объеме Вселенной помещается около (1023)3 = 1069 объемов того участка, из которого выросла наблюдаемая часть Вселенной. Поэтому в настоящий момент во Вселенной насчитывается приблизительно 1069 частей Вселенной, не связанных друг с другом причинно и не наблюдаемых друг из друга. Даже если вместо 1 мм мы возьмем 1 микрон (10–6 м) или даже 1 ангстрем (10–10 м), то все равно мы получим гигантское количество независимых друг от друга частей Вселенной, соответственно 1060 или 1048.

Подобные соображения привели к представлению о том, что во Вселенной может действительно существовать гигантское количество независимых частей. Для описания этой идеи вместо английского слова «Universe», обозначающего Вселенную, используются другие слова: «Multiverse» или «Omniverse». В этих словах приставка uni-, означающая «единственный», заменена приставкой «multi», обозначающей «много», и «omni», обозначающей «все». В данной книге мы будем использовать термин «Поливерсум», который использовал известный польский фантаст Станислав Лем.

Интересные результаты получились при объединении идей инфляции и спонтанного нарушения симметрии, за открытие которой Еитиро Намбу получил Нобелевскую премию по физике в 2008 г. Идея спонтанного нарушения симметрии используется в физике элементарных частиц. С ней напрямую связан так называемый бозон Хиггса, обнаруженный на Большом адронном коллайдере в Швейцарии.

Дадим очень краткое описание этой идеи. Обычно в физике считается, что симметричные уравнения должны иметь симметричные решения. Например, шарик, положенный в траншею с профилем, показанный на рис. 3.5, окажется в самой нижней ее точке. При этом мы считаем, что от координаты вдоль траншеи ничего не меняется. Гравитационный потенциал симметричный, полученное решение тоже симметрично. Если же профиль траншеи будет таким, как показано на рис. 3.7, то симметричное решение будет неустойчивым. В этом случае шарик случайным образом попадет либо в левую, либо в правую яму. Таким образом, будет реализовано одно из двух возможных несимметричных решений.

Если мы говорим не о скалярном, а о векторном поле, имеющем направление, то число возможных несимметричных решений будет бесконечным. Представьте, что мы имеем дело не с траншеей, а с лункой, полученной в результате вращения профиля, изображенного на рис. 3.7, вокруг вертикальной оси. Понятно, что шарик скатится и попадет в какую-то точку на круговой канаве, но неизвестно, в какую именно. Другой пример: на горизонтальной поверхности мы ставим вертикально длинную тонкую палку. Понятно, что она упадет, но в какую сторону – мы не знаем. Вы можете проверить это в домашних условиях, пытаясь поставить карандаш вертикально на его острие.

В некоторых теориях физики элементарных частиц возникают симметрии, которые не реализуются в реальном мире. Теория предсказывает безмассовые частицы, а в реальности они массивны. Теория предсказывает равенство масс двух частиц, а в реальности одна тяжелее другой. Один из вариантов заключается в том, что симметрия существует, но спонтанно нарушена. Когда мы обсуждали переход Вселенной из состояния с «ложным» в состояние с «истинным» вакуумом, мы вводили некоторое скалярное поле, от которого зависела плотность энергии вакуума. Если теперь мы представим, что от этого же поля зависят и параметры элементарных частиц, причем при значении φ = 0 достигается симметрия, предсказываемая теориями, то в результате перехода Вселенной в состояние со значением φ ≠ 0 эта симметрия нарушается. Причем мы не можем заранее сказать, в какую именно сторону. Если же вместо скалярного поля φ присутствовало какое-то векторное поле, которое характеризуется не только величиной, но и направлением, то количество возможных способов нарушения симметрии становится бесконечным.

Итак, предположим, что инфляция связана с переходом от «ложного» вакуума к «истинному», который, в свою очередь, связан со спонтанным нарушением симметрии. Более того, предположим, что в разных частях Вселенной, не связанных причинно, результаты спонтанного нарушения симметрии могут быть разными. Части Вселенной, выросшие из этих кусков, будут иметь разное нарушение симметрии. Это означает разную физику, а именно разные константы взаимодействия, разные свойства элементарных частиц, в экстремальном случае – даже разное число измерений пространства. Возвращаясь к понятию «Поливерсум», мы получим не просто гигантское количество независимых друг от друга частей Вселенной, но частей Вселенной с разной физикой.

Может показаться, что это – результат буйства фантазии. Однако природа позаботилась о том, чтобы у нас была очень простая и наглядная модель Поливерсума. Кусок железа или другого ферромагнетика состоит из различных участков, называемых доменами, внутри которых все магнитные моменты атомов выстроены параллельно. В другом домене они тоже выстроены параллельно, но в другом направлении. Границы между доменами – так называемые доменные стенки – имеют дополнительную плотность энергии по сравнению с самими доменами. Если железо не находилось во внешнем магнитном поле, то направление магнитных моментов внутри доменов можно считать результатом спонтанного нарушения симметрии. Доменная структура ферромагнетиков и сегнетоэлектриков известна в физике более сотни лет. Представим, что Вселенная тоже состоит из отдельных доменов, внутри которых физические законы постоянны. Однако в разных доменах они различны. Их разделяют доменные стенки, имеющие дополнительную плотность энергии. Размеры наблюдаемой части Вселенной (диаметр космологического горизонта) существенно меньше размеров таких доменов. Остается только пожалеть, что физикам-экспериментаторам никогда не удастся использовать свои приборы для изучения объектов из другого домена.

В такой картине Поливерсума новыми гранями заиграл так называемый антропный принцип. Этот принцип, имеющий прямое отношение к космологии, относится не столько к науке, сколько к философии. Более того, ссылки на него можно найти не только в научной работе или философском трактате, но и в богословских трудах. Опишем кратко его основные положения.

Многие ученые не раз писали, что разумная жизнь, представленная во Вселенной по крайней мере человечеством, оказалась возможна благодаря серии невероятно удачных обстоятельств. Небольшое изменение параметров взаимодействия или масс элементарных частиц привело бы к тому, что не только была бы невозможна разумная жизнь, но и вся картина мироздания была бы совершенно иной. Естественно возник вопрос: почему Вселенная так приспособлена для появления разумной жизни? Ответ богословов нетрудно предвидеть. Но физикам очень трудно было предложить свой вариант ответа.

На помощь пришли следующие философские соображения. Для того чтобы обсуждать вопрос удобства нашей Вселенной для создания разумной жизни, нужна не только Вселенная, удовлетворяющая данному критерию, но и собеседники, которые это обсуждают. Другими словами, если Вселенная плохо приспособлена для появления разумной жизни, в ней не появятся разумные существа и, соответственно, некому будет пожаловаться на ее плохое устройство. То, что вы читаете эту книгу, связано не только с тем, что автор ее написал, а вы решили прочесть, но и с тем, что Вселенная со всеми ее взаимодействиями, константами и другими параметрами сделала возможным существование и авторов, и читателей. Если у нас есть много вариантов строения Вселенной, то обсуждение этого вопроса возможно только в тех из них, в которых есть кому его обсуждать.

С научной точки зрения важно наличие большого числа возможностей. До появления теории инфляции антропный принцип пытались применить к вопросу, почему плотность Вселенной не сильно отличается от критической плотности. Чтобы обеспечить большое число возможных вариантов, выбирали одну из двух возможностей: либо Вселенная испытывает большое, возможно очень большое, количество циклов рождения и уничтожения, либо в результате квантовых флуктуаций рождается очень большое число вселенных, независимых друг от друга. В первом случае антропный принцип позволяет выбрать удачный цикл, во втором случае – подходящую вселенную.

Идея Поливерсума с доменной структурой позволяет реализовать внутри него много разных возможностей, практически независимо друг от друга. И если то, что единственная Вселенная оказалась удачно устроенной, вызывало удивление, то куда меньшее удивление вызывает то, что мы можем найти хотя бы один подходящий кусок Вселенной из огромного количества вариантов с разными физическими законами и разными параметрами взаимодействия.

Невероятно сложно сорвать джекпот, купив один лотерейный билет, но это точно получится, если ты купил 1060 билетов.

Итак, по мнению многих людей, среди которых есть и ученые, мы живем во Вселенной, очень хорошо приспособленной для существования жизни в известном нам виде. В доказательство этого они приводят аргументы, относящиеся к компетенции разных наук. Хотя от многих этих аргументов можно отмахнуться ввиду их несерьезности, некоторые из них заслуживают внимания.

Начнем с физического аргумента. Разность масс покоя нейтрона и протона должна быть чрезвычайно точно подобранной величиной. Если эта разность станет чуть меньше и сравнится с массой покоя электрона, то в атоме водорода электрон будет реагировать с протоном с образованием нейтрона, и атомарный водород не сможет стабильно существовать в природе. Все «нормальные» звезды должны будут прекратить существование; жизнь в такой вселенной станет невозможной. Если же разность масс протона и нейтрона станет немного больше, чем есть теперь, будет невозможным образование дейтерия – тяжелого водорода, ядро которого состоит из протона и нейтрона. При этом в природе не сможет возникнуть ни один химический элемент, начиная с гелия и дальше. Очевидно, и в такой вселенной жизнь никогда не смогла бы возникнуть. Между тем эта разность масс протона и нейтрона составляет лишь десятую долю процента от массы каждой из этих частиц. И просчет в этой десятой доле на сотые в ту или в другую сторону имел бы роковые последствия для всей Вселенной. Так, тесно связанными оказываются сразу три независимые величины: массы протона, нейтрона и электрона. Кстати, среди прочих элементарных частиц именно это соотношение оказывается подобранным с такой скрупулезной точностью, почему эти частицы и служат основой вещества. Подобные рассуждения касаются и многих других физических констант, например постоянной тонкой структуры.

А вот пример химического аргумента. Молекула воды имеет ярко выраженный дипольный момент. Благодаря этому свойству вода является универсальным растворителем, способным переносить множество солей на уровне ионов. Из-за электрической поляризации молекулы воды образуют между собой тонкие связи, именуемые водородными. Эти связи возникают, когда атом водорода одной молекулы, будучи в значительной мере лишен электронной оболочки, притягивается к отрицательно заряженному атому кислорода (или другому атому), входящему в состав иной молекулы. Водородные связи возникают в кристаллах льда, обеспечивая его ажурную легкую конструкцию, притом еще нескольких разных видов. Потому мы не находим другого вещества с таким малым молекулярным весом, которое было бы столь тугоплавким, как лед. Водородные связи обеспечивают и относительно малую разницу между температурами плавления и кипения для воды. Потому вода встречается на Земле во всех трех агрегатных состояниях и становится возможным ее круговорот, сопровождаемый постоянной очисткой. Только на водяной основе может строиться жизнь.

Есть и астрономические аргументы. Например, благодаря оптимальному расстоянию до Солнца на Земле поддерживается средняя температура около 15 °C, комфортная для живых существ.

Правда, иногда в попытках найти проявления «тонкой подстройки» доходят до абсурда, утверждая, например, что угол наклона оси вращения Земли к плоскости ее орбиты также подобран тончайшим образом.

Рассмотрим более подробно несколько формулировок антропного принципа. В 1968 г. астрофизик Брэндон Картер проанализировал все эти совпадения, позволяющие жизни существовать, и выдвинул гипотезу, что все они представляют собой проявление некого общего так называемого антропного принципа. Наиболее известная его формулировка гласит: «То, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего присутствия как наблюдателей». Он же впервые ввел этот термин в 1973 г. Тем не менее сам принцип уже существовал к этому моменту. Ранние формулировки принципа можно найти в книге А. Уоллеса, изданной в 1903 г. К примеру: «…такая большая и сложная Вселенная, как мы ее знаем, может быть абсолютно необходимой… чтобы создать мир, точно приспособленный во всех деталях для существования человека».

Безусловно, «антропный принцип» – далеко не единственный термин для описания взаимодействия человека и Вселенной. Но даже сам антропный принцип существует в различных формулировках, существенно отличающихся друг от друга по сути: слабый и сильный антропные принципы и принцип самоотбора, сформулированные Картером, принцип целесообразности Розенталя, принцип соучастия Уилера, финальный антропный принцип Типлера и др. Приведем популярные формулировки антропного принципа.

Слабый антропный принцип. Наблюдаемые значения всех физических и космологических параметров не являются в равной степени вероятными, но принимают значения, ограниченные требованием существования мест, где может развиваться жизнь, и требованиями того, что Вселенная должна иметь достаточный для этого возраст. В классической формулировке Картера речь шла конкретно о жизни на углеродной основе, за что его сторонников обвиняют в «углеродном шовинизме». Иными словами, Вселенная, не допускающая существования жизни, принципиально ненаблюдаема. Слабую версию антропного принципа в исходной формулировке критикуют за то, что она не допускает существования иных форм жизни. Более того, диапазон констант, допускающих развитие углеродно-основанной жизни, может быть намного менее ограниченным, чем утверждается. Именно по этой причине мы исключили слово «углеродная» как необязательную конкретизацию.

Сильный антропный принцип. Фундаментальные законы и константы Вселенной специально настроены так, чтобы мог возникнуть осмысляющий их наблюдатель. Эта формулировка, по словам Мартина Риса, «весьма отдает телеологией», т. е. признанием того, что эволюция Вселенной имеет некую заранее вложенную в нее цель (или предопределение). Сильную версию критикуют за то, что она ни верифицируема, ни фальсифицируема, т. е. не может считаться научной гипотезой.

Финальный или окончательный антропный принцип. Во Вселенной должны появиться разумные обработчики информации, и, однажды появившись, они никогда не исчезнут. Эту версию обсуждают более детально; к примеру, Барроу и Типлер утверждают, что, хотя она и является физическим утверждением, тем не менее «тесно связана с моральными ценностями».

Естественно, сторонники сильного антропного принципа из числа физиков хотели бы избежать ссылок на Бога и телеологию. На первый взгляд кажется, что это невозможно, но в действительности такой путь существует. Он связан с введением понятия Поливерсума, которое мы изложили в начале этого раздела, или как альтернатива возможностью квантового рождения множества вселенных с различными физическими свойствами. В любом случае предполагается, что наша Вселенная не единственная, а только одна из многих (может быть, даже из бесконечного числа) возможных вселенных. В каждой из таких вселенных свои физические законы и универсальные константы. В нашей Вселенной эти законы и константы случайным образом получились такими, что способствуют появлению разума, даже предопределяют это событие, но ничего телеологического, «божественного» тут нет – чистая случайность. В других вселенных законы и константы могут быть таковы, что наш тип жизни или вообще никакая жизнь там возникнуть не может. Могут существовать и совершенно «пустые» вселенные, где константы электромагнитных, ядерных и гравитационных взаимодействий или топологические и метрические свойства пространства-времени таковы, что там вообще не возникают никакие частицы.

Ярым приверженцем гипотезы Поливерсума был Станислав Лем. В насмешку над сильным антропным принципом он даже выдвинул в 1971 г. «принцип шартрезского ликера», согласно которому именно указанный напиток, а не человек, являлся главным продуктом точной настройки Вселенной. Справедливости ради отметим, что нечто подобное встречается в романе братьев Стругацких «Понедельник начинается в субботу», впервые изданном в 1964 г. (Стругацкий, 2015): «…человек – это только промежуточное звено, необходимое природе для создания венца творения: рюмки коньяка с ломтиком лимона». Вместе с тем аргументы Лема (Лем, 2004) в пользу существования множественных вселенных (Поливерсума) весьма убедительны: «Согласно действующей теории Большого взрыва, возникновение Космоса было рождающим взрывом, который сотворил одновременно материю, время и пространство. Мощное излучение миротворящего взрыва оставило свои следы в Космосе до нашего времени, так как в нем везде присутствует остаточная радиация звездного фона. В течение примерно 20 млрд лет существования Космоса излучение его первой минуты существования успело остыть до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Однако интенсивность этого остаточного излучения не должна быть однородной на всей небесной сфере. Космос возник из точки с бесконечно большой плотностью и в течение 10–35 с раздулся до объема мяча. Уже в тот момент он был слишком большим и расширялся слишком быстро, чтобы оставаться совершенно однородным. Причинные связи событий ограничены наибольшей скоростью взаимодействия, т. е. скоростью света. Такие связи могли протягиваться только в областях размером 10–25 см, а в Космосе размером с мяч поместилось бы 1078 таких областей. Итак, то, что происходило в одних областях, не могло влиять на события в других. Тем самым Космос должен был расширяться неоднородно, без сохранения той симметрии, тех везде одинаковых свойств, какие мы наблюдаем. Теорию Большого взрыва спасает гипотеза о том, что в творящем взрыве возникло одновременно огромное количество вселенных. Наш Космос был только одним из них. Теория, согласующая однородность (гомогенность) действительного Космоса с невозможной однородностью его расширения посредством той предпосылки, что Пракосмос не был Универсумом, а был ПОЛИВЕРСУМОМ, была объявлена в 1982 г. Гипотезу Поливерсума можно найти в моей книге «Мнимая величина», которую я написал десять лет назад (в 1972 г.)».

В 1983 г. Картер заявил, что антропный принцип в его исходном виде был предназначен лишь для того, чтобы предостеречь астрофизиков и космологов от возможных ошибок в интерпретации астрономических и космологических данных, вызванных биологическими ограничениями наблюдателя. Он также добавил предостережение о том, что обратное верно и для биологов-эволюционистов; Картер утверждал, что при интерпретации эволюционных данных необходимо учитывать астрофизические ограничения процесса. Обдумав это, Картер пришел к выводу, что эволюционная цепочка может содержать только одно или два маловероятных звена, учитывая доступный интервал времени.

Таким образом, антропный принцип, возникнув в рамках классической науки, выходит за рамки чисто научной проблемы, представляя значительный интерес для богословия и философии. За 50 лет своего существования он претерпел множество формулировок, зачастую полностью изменяющих его суть, опровергался и вновь формулировался и затронул не только философов, ученых и богословов, но и вызвал большой интерес общественности. Хотя на данном этапе он представляет собой проблему философского характера, возможно, в будущем, с развитием науки, он получит научное решение, как это было с большим количеством других вопросов, сформировавшихся в рамках философии, но разрешенных научными методами, как то: атомистическая концепция, вопрос о наличии планет за пределами Солнечной системы и многие другие. В любом случае этот вопрос остается открытым и еще долгое время не утратит своей актуальности.

С точки зрения интеллектуальной беседы основная прелесть антропного принципа состоит в том, что он может стать темой обсуждения, в котором участвуют ученый, философ, богослов и просто умный человек. Существует специальный веб-сайт, посвященный антропному принципу. Он содержит подборку литературы, включающую более 300 наименований. Среди такого обилия ссылок заинтересовавшиеся этим вопросом смогут найти много разных подходов, включая довольно экстремальные.

В том или ином виде антропный принцип вдохновил в том числе и сторонников так называемого циклического развития Вселенной, которые рассматривают другой механизм множественности миров. Представьте, что вы либо живете до создания теории Поливерсума, либо не разделяете эту гипотезу. Вдобавок вы не сторонник гипотез о том, что вселенные непрерывно появляются путем квантового рождения. Другими словами, для вас Вселенная едина и законы физики одинаковы во всех ее частях. При каких условиях в этой Вселенной возможно существование разумной жизни без привлечения сверхъестественных сил? Ответ прост: чтобы выиграть в лотерею, надо покупать билеты. Чем больше билетов – тем больше шансов выиграть. Поэтому возникла идея обеспечить несколько шансов на выигрыш, возможно даже бесконечное количество. В связи с этим возникли идеи циклической или пульсирующей Вселенной.

Представьте себе замкнутую космологическую модель, которая начинается с Большого взрыва, затем следует расширение, сменяющееся коллапсом и космологической сингулярностью в будущем. Космологическая сингулярность имеет практически официальное английское название Big Bang, обычно переводимое как Большой взрыв, хотя более точно было бы перевести его как «Большой бух». Аналогично сингулярность, которая произойдет в будущем, имеет английское название Big Crunch, которое дословно переводится как «Большой хруст», но мы иногда используем вариант имени Коровьева «Большой хрусть» в подражание звуку ломающегося от сжатия предмета. На русский язык это обычно переводят как «Большое сжатие», но этот термин лишен экспрессии, сопоставимой с английским термином.

В пульсирующей Вселенной за «хрусть» следует «бух» для новой версии Вселенной, потом опять «хрусть», опять «бух» и т. д. В результате мы имеем большое, а может, даже бесконечное число версий Вселенной, выстроенных вдоль оси времени. Можно говорить о цепи реинкарнаций Вселенной, если вам нравятся подобные сравнения.

Сколько времени проходит между концом одной версии Вселенной и началом следующей? Вопрос бессмысленный, поскольку в этом промежутке не существует Вселенной, а следовательно, и времени. Если допустить, что разные версии Вселенной могут иметь принципиально разные физические законы, мы получим нечто вроде модели Поливерсума, в которой разные миры разделены не в пространстве, а во времени. Наша версия Вселенной «вытащила выигрышный билет» в лице нас с вами.

Исторически идея пульсирующей Вселенной предшествовала идее Поливерсума, и следует признать, что по сравнению с идеей Поливерсума она имеет ряд недостатков. Во-первых, если Вселенная начинается с Большого взрыва и заканчивается Большим сжатием, то с точки зрения физики мы не можем рассматривать периоды времени до Большого взрыва и после Большого сжатия. Никто не может запретить это делать философам, но, вообще говоря, следующая версия Вселенной настолько же не связана с нашей, как и другие вселенные, рождавшиеся при квантовых флуктуациях. Почему не связана? Если бы следующая Вселенная была связана с нынешней, то и нынешняя должна была бы быть связана с предыдущей. Поскольку нет никаких способов это проверить либо доказать отсутствие такой связи, такая гипотеза не является научной.

Второй аргумент против этой гипотезы заключается в следующем соображении. Почему Вселенная родилась однородной и изотропной, мы не знаем, поскольку нам неизвестны причины и механизм ее рождения. Вполне возможно, что она не была однородной и изотропной, а стала такой в результате инфляции, по крайней мере в масштабах наблюдаемой нами части.

Но, как следует из анализа гравитационной устойчивости изотропных решений, проведенного Евгением Лифшицем, на стадии сжатия она становится особо нестабильной. Флуктуации нарастают настолько, что ожидать, что Большое сжатие будет описываться однородной изотропной моделью, было бы неоправданным упрощением. В ОТО известно общее решение вблизи космологической сингулярности, найденное Владимиром Белинским, Евгением Лифшицем и Исааком Халатниковым и независимо от них Чарльзом Мизнером. Это очень сложное решение, имеющее колебательный характер и содержащее бесконечное число периодов времени, в течение которых Вселенная сжимается по двум осям и расширяется по третьей, причем в каждом периоде эти оси расположены по-своему. Уже из этого описания видно, что Большое сжатие будет совсем не похоже на изображаемую в научно-популярных фильмах картину Большого взрыва, но с обращенным знаком времени. Тогда возникает естественный вопрос: почему Вселенная, столь не изотропная перед своей кончиной, рождается столь изотропной? Следует признать, что это возражение не против самой идеи пульсирующей Вселенной, а против применения к ней моделей Фридмана.

А теперь приведем третий и главный аргумент. При существующих оценках космологических параметров наша Вселенная будет расширяться вечно, и никакого Большого сжатия в ней не наступит. Впрочем, это не означает, что не было предыдущих схлопнувшихся Вселенных, но тогда следует признать, что наша Вселенная выделена.

Таким образом, идея о пульсирующей Вселенной не дает никаких существенных преимуществ, не согласуется с наблюдениями и имеет ряд собственных недостатков.