Глава 13
Дочки вселенной

Хокинг уже описал картину самодостаточной вселенной без краев и границ в пространстве и времени, но многим по-прежнему было интересно, что же там, «снаружи» такой вселенной. Аналогия между замкнутой поверхностью вселенной и замкнутой поверхностью Земли наталкивает на мысль, что могут быть и другие вселенные – ведь есть же другие планеты.

В рамках модели безграничной вселенной Хокинга другие миры гнездятся в особой форме пространства, где измерений не три, как мы привыкли, а больше: ведь поверхность сферы – это двумерная поверхность, свернутая в третьем измерении, а пространство-время четырехмерно; чтобы свернуть что-то в замкнутую поверхность, всегда требуется дополнительное измерение. Но есть и другая модель, точнее, разновидность моделей, разработанных на основе инфляционного сценария и позволяющих по-другому представить себе совокупность множества миров, не выкручивая мозги в попытках постичь геометрии пяти и более измерений (четыре пространственных плюс одно временное).

Хотя сам Хокинг высказывал сомнения относительно этой гипотезы, получившей название «продолжающейся инфляции», на самом деле она основана на его революционном открытии 1974 года – на том, что черные дыры взрываются.

Согласно сценарию инфляции, сразу после планковского времени вакуум как таковой был в «ложном» состоянии – возбужденный и полный энергии, как переохлажденная вода. Когда ложный вакуум переходит в стабильное состояние более низкой энергии, избыток энергии и высвобождается в виде феноменального рывка расширения (инфляции), и происходит равномерный Большой Взрыв, из которого развивается вселенная в привычном нам виде. А теперь представим себе, что этот переход происходит не везде одновременно.

Почти сразу после того, как Алан Гут выдвинул теорию инфляции, другие ученые, в том числе Алексей Старобинский и Андрей Линде, обнаружили, что разные области первоначального ложного вакуума, вероятно, переходили в состояние низкой энергии независимо друг от друга. Это примерно как откупорить бутылку лимонада: в жидкости сразу появятся мириады пузырьков – и каждый пузырек можно считать областью стабильного вакуума, который расширяется сам по себе. Однако в отличие от пузырьков в лимонаде каждый пузырек в вакууме продолжает расширяться, пока жидкость не исчезнет и не останутся только пузырьки.

Такая вероятность натолкнула на серьезные технические вопросы к ранним версиям сценария инфляции, поскольку при слиянии пузырьков возникло бы возмущение, которое распространилось бы на все слившиеся пузырьки. Если бы Вселенная, в которой мы живем, образовалась подобным способом, она не была бы идеально однородной, поскольку возмущения оставили бы следы, например, в реликтовом микроволновом излучении.

Это можно обойти. Самому Хокингу больше всего нравится мысль о «хаотичной инфляции», в ходе которой мир вне нашей Вселенной (бесконечная метавселенная) находится в полном беспорядке – одни области расширяются, другие сжимаются, одни холодные, другие горячие. В такой хаотичной метавселенной наверняка нашлись бы области, подходящие для инфляции. Так что, согласно такой картине, мы просто случайно очутились во Вселенной, порожденной случайным всплеском среди хаоса.

Однако своим существованием мы хаосу не обязаны. Не исключено, что мы живем в пузырьке, который не слился с соседями – точнее, еще не слился (если читателю кажется, что это совсем уж неправдоподобное совпадение, в дальнейшем он убедится, что это не так). А может быть, есть какой-то закон физики, который запрещает пузырькам формироваться в «жидкости» слишком тесно. И вот здесь можно привлечь гипотезу об излучении Хокинга.

Как мы знаем из главы 9, излучение Хокинга вызвано взаимодействием квантовых эффектов и гравитации на горизонте вокруг черной дыры. Однако Хокинг и его коллега Гари Гиббонс, с которым у него был общий кабинет в Кембридже в конце 1970-х, обнаружили, что такое излучение вырабатывается на любом подобном горизонте – не обязательно вокруг черной дыры.

Вселенная расширяется таким образом, что чем дальше друг от друга отстоят две области, тем быстрее они разбегаются друг от друга. Поэтому области пространства, достаточно далекие друг от друга, не могут «общаться» посредством световых лучей (да и чего угодно), поскольку пространство между ними расширяется быстрее скорости света. Если свет не может дойти от одной области до другой, значит, где-то есть горизонт, который свет не может пересечь, и этот горизонт разделяет две области пространства точно так же, как горизонт вокруг черной дыры отделяет все, что внутри, от всего, что снаружи.

Хокинг и Гиббонс показали, что подобного рода горизонт тоже излучает, как и горизонт черной дыры, и излучение распространяется от горизонта в обе стороны. В сегодняшней Вселенной, растянутой в результате расширения, воздействие этого излучения ничтожно, но на ранних этапах расширения Вселенной оно, вероятно, играло более значительную роль. Расширение Вселенной неуклонно замедляется, поскольку тяготение всего вещества во Вселенной стремится стянуть все обратно – в Большое Сжатие. Поэтому раньше, в юной Вселенной, темп расширения был гораздо выше, и воздействие излучения Хокинга с горизонтов было более заметным. Давным-давно даже стремительно расходящиеся области пространства еще не успели отдалиться друг от друга и располагались гораздо теснее.

Ричард Готт из Принстонского университета с готовностью подхватил гипотезу о том, что излучение с горизонтов могло повлиять на расширение Вселенной, и сумел сочетать ее с гипотезой инфляции. Ее изучал и Андрей Линде, но особенно не распространялся о своих находках – в отличие от общительного энтузиаста Готта.

Оказалось, что при определенных условиях излучение Хокинга в объеме пространства, заполненном такими горизонтами, порождает энергию, которая подпитывает инфляцию и заставляет Вселенную (точнее, метавселенную) расширяться сверхбыстро. Сверхбыстрое расширение создает новые горизонты, те, в свою очередь, испускают больше излучения – получаем сверхбыстрое расширение в процессе непрерывной инфляции, которая сама себя обеспечивает. Пузыри обычного низкоэнергичного стабильного вакуума, формирующиеся в безбрежном море инфляционного расширения, растут медленнее, поэтому, даже если два пузырька образуются по соседству, стремительное расширение разделяющего их ложного вакуума метавселенной не даст им слиться.

Однако при мысли о том, что это за «определенные условия», голова идет кругом. Температура излучения Хокинга должна быть около 10³¹ K, а плотность массы-энергии в ложном вакууме еще того поразительнее – 10⁹³ граммов на кубический сантиметр. И вот в этом невероятном, стремительно расширяющемся ложном вакууме и возникают пузыри стабильного вакуума – и каждый из них превращается в самостоятельную вселенную.

По такому сценарию вселенная не одна – их бесконечно много, и они навеки разделены непроходимыми преградами сверхплотного ложного вакуума. В каком-то смысле эта гипотеза лишена смысла. Существование других вселенных, которые мы никогда не сможем пронаблюдать, вселенных, в принципе никак не влияющих на нашу, – предмет разговора для философа, а не для астрофизика. Однако оказывается, что создать вселенную можно разными способами, и по некоторым сценариям вселенные вполне могут взаимодействовать, а это уже заинтересует кого угодно, не только философов и астрофизиков.

Все эти разговоры о сверхплотности и сверхэнергии и смелые заявления о числах вроде 10⁹³ граммов на кубический сантиметр заставляют задуматься о том, сколько же всего массы-энергии содержится в нашем пузырьке-вселенной (если, конечно, считать, что в каком-то из этих сценариев есть зерно истины). Ответ еще удивительнее: ноль. Оставим же философам беседовать о постоянной инфляции и вернемся к хокинговской модели вселенной, чтобы разобраться, как такое может быть.

Массу-энергию мы привыкли представлять себе как скопления вещества – звезды, планеты и так далее. Каждая из них вносит свой вклад в виде mc² в общую массу-энергию вселенной – но не только: столь же важную роль (точно такую же важную роль, если гипотезы Хокинга верны) играет и гравитация. А у гравитационной энергии есть одна странность: она отрицательна.

Чтобы понять, что это значит, физики рассуждают о гравитационной энергии как о гипотетической совокупности частиц. Она равна нулю, если частицы бесконечно рассеяны – разнесены как можно дальше друг от друга. Но если под воздействием гравитации возникает скопление частиц, из которых, вероятно, впоследствии возникнет звезда, оно теряет гравитационную энергию. А поскольку изначально энергия частиц равна нулю, следовательно, к тому времени, когда они скопятся, чтобы образовать звезду или планету, энергия станет отрицательной. И если собрать все вещество со всей Вселенной в одной точке, его отрицательная гравитационная энергия (—mc²) в точности уравновешивает положительную массу-энергию всего вещества (+mc²).

Но ведь именно так мы и представляем себе зарождение Вселенной – вся масса-энергия сосредоточена в одной точке. Сценарии замкнутой вселенной описывают ситуацию, когда точка нулевой энергии делится на вещество с положительной энергией и гравитацию с отрицательной энергией, расширяется до определенного размера, а затем схлопывается обратно в точку нулевой энергии. На первый взгляд это какая-то нелепица. Но на самом деле это не порождение извращенного сознания какого-нибудь чокнутого профессора, а всеми уважаемая космологическая гипотеза, соответствующая уравнениям теории относительности.

Похоже, Вселенная – воплощение принципа, что за все надо платить. Если Вселенная содержит нулевую энергию, сколько энергии требуется, чтобы создать вселенную? Не так уж много – даже меньше, чем количество mc² в вашем теле или в этой книге. Согласно Алану Гуту и его коллеге Эдварду Фахри, энергии потребуется ровно столько, чтобы сжать сколько-нибудь вещества в черную дыру. И тогда мы автоматически получим новую вселенную: к каждой черной дыре бесплатно прилагается вселенная.

Гут и Фахри проявили недюжинное хитроумие – не хуже великих фокусников – и показали, что две главные линии исследований в жизни Хокинга, черные дыры и большие взрывы, на самом деле одно и то же.

В принципе, зародыши вселенных могут возникать из ничего, примерно как пары виртуальных частиц в результате квантовой неопределенности (вспомним главу 9). Такая дочерняя вселенная существует в виде сверхплотной концентрации массы – меньше протона, – но с нулевой энергией, поскольку масса уравновешена отрицательной гравитационной энергией. Разумеется, по представлениям ученых 1970-х годов и раньше, такие крошечные сверхплотные зародыши должны были сразу же коллапсировать обратно в ничто под собственным весом. Однако инфляция обеспечивает способ раздуть зародыш в расширяющуюся вселенную, и гравитация не успеет схлопнуть ее. После этого у гравитации уйдут миллиарды лет на то, чтобы остановить расширение, а затем уничтожить вселенную Большим Сжатием.

Итак, если мы хотим получить бесконечное количество пузырьков-вселенных, нужно ли для этого постоянно инфляционно расширять ложный вакуум? На первый взгляд из этого следует одно неприятное обстоятельство. Если пузырек-вселенная может возникнуть из обычного вакуума, что произойдет, если она вдруг родится рядом с нами? Не сметет ли нас Большим Взрывом по соседству? Фахри и Гут уверены, что беспокоиться нам не о чем. Если молодая вселенная возникает спонтанно или создается искусственно, с самого момента рождения она никак не взаимодействует с нашей Вселенной. Вспомним, что зародыш пузырька-вселенной должен быть самозамкнутым и обречен рано или поздно коллапсировать – словом, это черная дыра. Фахри и Гут обнаружили, что можно запустить процесс создания вселенной искусственно, сжав небольшое количество вещества в черную дыру при температуре около 10²⁴ K (очень скромная величина по сравнению с условиями в ложном вакууме). Однако свою статью об этом они назвали с долей лукавства: «Почему трудно создать вселенную в лаборатории» («An Obstacle to Creating a Universe in the Laboratory»). В статье указано, что, хотя у нас есть технические средства, чтобы проделать половину работы и получить нужное количество энергии (водородная бомба), мы пока не знаем, как локализовать полученную при взрыве энергию в пределах черной дыры.

Однако существует ненулевая вероятность, что какая-то цивилизация, более развитая, чем наша, могла бы удержать полученную энергию в достаточно маленьком объеме. Что бы тогда произошло? С точки зрения создателей такой энергетической минидыры – практически ничего. Черная дыра просто возникнет, потом будет несколько миллиардов лет испаряться в результате излучения Хокинга, а затем исчезнет. Но в пределах горизонта черной дыры все будет совсем иначе.

Согласно расчетам американских ученых, условия внутри энергетической минидыры иногда способны вызвать инфляцию. Но когда дочерняя вселенная начнет расширяться, она не просто вырвется из минидыры и захватит соседние области пространства-времени, в котором была создана: все направления, по которым она будет расширяться, перпендикулярны каждому измерению родительской вселенной. В точности то же самое происходит с дочерними вселенными, рожденными в результате естественных квантовых флуктуаций. Поскольку все наборы направлений перпендикулярны друг другу, разные вселенные с момента возникновения не взаимодействуют друг с другом. Однако в этом есть серьезное отличие от гипотезы постоянной инфляции, где пузыри зарождаются независимо и не взаимодействуют вообще. Согласно сценарию, который набросали Фахри и Гут (и который рассматривали и другие ученые, в том числе Андрей Линде), здесь одна вселенная порождает другую. Тогда получается, что наша Вселенная – потомок предыдущей вселенной, и возможно даже, что наш расширяющийся пузырь пространства-времени создан искусственно в чем-то вроде лаборатории в родительской вселенной. Писатель-фантаст Дэвид Брин уже разрабатывает эту идею в цикле произведений, и о соображениях Брина и его коллег мы еще поговорим, когда займемся гипотезой спонтанного возникновения дочерних вселенных.

Наглядно представить себе подобное разрастание измерений очень трудно. В каждой дочерней вселенной заключен собственный вакуум, в нем возникают собственные квантовые флуктуации, что порождает новые дочерние вселенные со своим набором измерений, и каждый набор измерений перпендикулярен всем остальным. Как всегда, чтобы уловить суть происходящего, нам придется прибегнуть к аналогии двух измерений, свернутых вокруг третьего.

Нам поможет старая добрая картина нашей Вселенной как поверхности раздувающегося воздушного шара. Теперь представим себе, что крошечный участок поверхности отщипнули и сделали маленький пузырек, соединенный с нашей Вселенной тоненькой «ножкой»: это черная дыра. И этот пузырек начинает расширяться и достигает огромных размеров, а между тем все обитатели родительской вселенной видят лишь крошечную черную дыру – ту самую «ножку» в ткани пространства-времени. Этот процесс может повторяться сколько угодно и породить бесконечную пену из пузырьков, каждый из которых представляет собой самостоятельную вселенную. Более того, квантовая космология допускает создание не просто одной вселенной, но бесконечного множества вселенных просто из ничего.

Это заставляет задать следующий вопрос. На одном уровне задача физики как науки – открывать законы, управляющие Вселенной, и на их основании делать прогнозы о взаимодействии различных систем. Например, мы обнаружили, что скорость света всегда постоянна и что быстрее света двигаться невозможно. Это дало нам (по крайней мере, Эйнштейну) возможность понять, как изменится картина мира, если двигаться с очень большой скоростью. Но на другом уровне некоторые физики задаются мыслью, почему, собственно, законы физики именно таковы. Почему, например, скорость света составляет 300 000 километров в секунду, а не, скажем, 250 000? Почему значение постоянной Планка именно таково, а не капельку больше или меньше? Что было бы, если бы гравитация была слабее (или сильнее)? И так далее. Такое чувство, что мир, в котором мы живем, идеально приспособлен для жизни существ вроде нас – в каком-то смысле это тавтология, поскольку, если бы мир был совсем иным, нас бы не было и некому было бы задаваться подобными вопросами. Но насколько мы можем судить, законы физики, обусловленные эпохой инфляции, вполне могли бы быть и другими – и совсем чуть-чуть, и радикально. Так что же – если эти законы сформировали вселенную, подходящую для жизни людей вроде нас, это чистая случайность? Гипотеза о бесконечном множестве вселенных-пузырьков, либо сформированных из вечно расширяющегося ложного вакуума, либо отпочковавшихся при рождении, говорит, что это не так – и что другие вселенские случайности на самом деле не вполне случайности.

Подход к пониманию природы Вселенной с точки зрения отношений между нами и законами физики называется «антропная космология». История у антропной космологии давняя, однако относительно недавно интерес к ней пробудился с новой силой, и современная ее версия основана в основном на идеях Мартина Риса из Кембриджа, которые он высказывал в 1970-е и продолжает разрабатывать по сей день. Рис – ровесник Хокинга, он родился 23 июня 1942 года, когда Хокингу было полгода. Они одновременно писали диссертации в Кембридже, а в 1973 году Мартин Рис всего в 31 год стал Плумианским профессором астрономии и экспериментальной философии – это было за шесть лет до того, как Хокинг получил место Лукасовского профессора. В 1979 году, через пять лет после Хокинга, Риса приняли в Королевское общество. Но, если Хокинг стяжал славу подробнейшими исследованиями определенного набора научных задач – сингулярностей, горизонтов вокруг черных дыр и начала времен, – Рис пользуется заслуженным уважением за широту своих интересов, от квазаров и пульсаров до воздействия черных дыр на их окрестности, общей космологии и природы темного вещества, благодаря которому Вселенная остается замкнутой. Когда Рис обратился к антропной космологии и пробудил интерес к ней у ученых 1970-х и 1980-х, Хокинг для разнообразия был готов последовать чужому примеру. Мартин Рис подробно разработал эволюцию Вселенной, в которой гравитация сильнее нашей, а все остальные законы физики такие же. В такой модели вселенной тоже могут существовать галактики, звезды и планеты, но они совсем не такие, как в нашей Вселенной. В частности, все развивается так быстро, что сомнительно, что там может зародиться и эволюционировать разум (которому на Земле понадобилось для этого больше четырех миллиардов лет). При том значении силы гравитации, которое выбрал Рис, у звезды в его вселенной масса примерно такая же, как масса астероида в нашей Солнечной системе (гораздо меньше массы Луны), а диаметр составляет около двух километров. Средняя продолжительность жизни такой звезды – год-другой, а светит она с яркостью в одну стотысячную Солнца. Планеты во вселенной Риса вращаются вокруг своих звезд на расстоянии приблизительно вдвое больше, чем расстояние от Земли до Луны, и температура на их поверхности примерно равна средней температуре на поверхности Земли – около 15 °C. Такая планета обойдет звезду по орбите приблизительно за 20 наших дней. А поскольку звезда живет совсем мало, то сгорит уже через 15 «лет» своей планеты, в то время как возраст нашего Солнца составляет как минимум 10 миллиардов земных лет.

Жизнь на поверхности такой планеты будет краткой – и не только поэтому. Самые высокие горы на этой крошке будут не выше 30 сантиметров, а максимальный вес существа, живущего на поверхности, составит всего одну тысячную грамма – ведь иначе мощная гравитация его мира раздавит хрупкое тельце.

Какие огромные различия – а ведь мы, напомним, изменили всего одну фундаментальную физическую постоянную, силу тяжести! Можно представить себе самые разные изменения, в результате которых вселенные, прошедшие фазу инфляции, оказывались бы совсем не подходящим местом для живых существ вроде нас.

Если наша Вселенная – единственно возможная, то впору задуматься, как так вышло, что наше существование обеспечено таким количеством космических совпадений и случайностей. Но если возможных вселенных много, на этот вопрос есть простой ответ. В каждом пузырьке-вселенной может быть собственный набор законов физики. В некоторых случаях это приводит к тому, что пузырьки из-за мощной гравитации не растут и коллапсируют обратно раньше, чем там может зародиться жизнь. В некоторых, наоборот, гравитация так слаба, что вещество не образует скоплений, а значит, в них нет ни звезд, ни планет. Но есть очень много промежуточных вариантов, очень много вероятных вселенных, где могут зародиться и звезды, и планеты, и жизнь. То же самое можно сказать обо всех и каждом законе физики, обо всех и каждой постоянной.

Если такая картина верна, значит, в метавселенной существует бесконечное множество вселенных, но живые существа вроде нас существуют лишь в тех из этого бесконечного множества вселенных, где есть нужное сочетание законов физики. Тот факт, что мы существуем, в определенной степени задает законы физики, управляющие Вселенной, – законы, которые мы открываем. Эту мысль довольно помпезно называют антропным принципом – этот термин предложил Бернард Карр, который вместе с Рисом написал основополагающую статью на эту тему.

Поскольку вселенные не могут сообщаться друг с другом, этот вопрос, естественно, остается предметом философских диспутов. Но с одной оговоркой. Вспомним, что главная составляющая хокинговской модели безграничной вселенной – квантовая «сумма историй». Мы уже признавались, что слегка замяли ответ на вопрос, что это, собственно, за истории, которые при этом суммируются. Теперь мы исправим свою оплошность.

Все возможные вселенные во всем их разнообразии, способные возникнуть в результате инфляции, мы будем считать не «реальными» мирами, а математическими вариантами – подобно разным траекториям, по которым электрон может двигаться из точки А в точку В. И Хокинг, применив «сумму историй», показывает, что наша Вселенная – не просто одна из возможных историй, а одна из самых вероятных:

Тем не менее Хокинг и его коллеги, опираясь на условие о безграничности Вселенной, обнаружили, что наша Вселенная должна была зародиться с максимальным количеством нерегулярности, какую только допускает квантовая неопределенность, и что инфляция и дальнейшее более ленивое расширение вселенной вызвали рост этих нерегулярных участков, которые и превратились сначала в облака газа, а затем в галактики, состоящие из звезд.

Этим во многом и занимается сегодня передовая наука. Обилие вариаций на эту тему – здесь и пузырьки в ложном вакууме при постоянной инфляции, и дочерние вселенные, и диапазон квантовых историй – свидетельствует отнюдь не о том, что физики никак не могут на чем-то остановиться, а о попытках вести исследования сразу по нескольким разным направлениям, поскольку неизвестно, какое из них в долгосрочной перспективе принесет свои плоды (а может быть, плодов и вовсе не будет). Однако уже очевидно, что за 1990-е годы основные принципы космологической мысли ушли очень далеко от так называемой «дохокинговской» эпохи. Тридцать лет назад никто не сомневался, что наша Вселенная уникальна. Сегодня ученые в целом согласны, что она лишь одна из многих – так или иначе. Стоит ли удивляться, что? когда в 1988 году Хокинг изложил все эти соображения в научно-популярной книге, эта книга завоевала весь мир?