В последней работе Хокинг "запретил" бесконечное разнообразие вселенных
Процесс, порождающий вселенные, не продолжается вечно. Разнообразие получившихся миров не бесконечно велико. Условия, которые теория мультивселенной накладывает на наблюдаемый космос, стали достаточно жёсткими, чтобы проверить её с помощью наблюдений.
Всё это следует из научной статьи, опубликованной в издании Journal of High Energy Physics (её препринт доступен на сайте arXiv.org). Работа принадлежит перу прославленного физика Стивена Хокинга (он успел завершить её незадолго до смерти) и Томаса Хертога (Thomas Hertog) из Лёвенского католического университета. На данный момент это последняя опубликованная работа великого теоретика. Но к публикации готовятся ещё несколько статей, посвящённых чёрным дырам.
"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) уже сообщали некоторые сведения об этой работе, на тот момент ещё не опубликованной. Теперь мы подробнее расскажем, о чём речь.
Согласно теории инфляции, всё пространство заполнено инфлатонным полем, или попросту инфлатоном. Как утверждает квантовая механика, всякому полю не дают спокойно жить случайные возмущения (флуктуации), чаще мелкие, очень редко – большие.
Как зародилась Вселенная? Предположим, что однажды в крошечной области пространства энергия инфлатона из-за такого случайного возмущения достигла критического значения. В результате этого возникла отталкивающая гравитация (да, гравитация – это не всегда притяжение), и она принялась расширять ту самую небольшую область.
За 10-35 секунды её объём увеличился, по самым скромным оценкам, в 1030 раз (а по самым смелым, даже в 1080 раз). Этот этап называется стадией инфляции. Постепенно энергия инфлатона по известной формуле E=mc2 переходила в массу рождавшегося вещества, и расширение замедлялось, пока не достигло нынешней скорости. Так из крошечного кусочка пространства возникла вся наблюдаемая Вселенная. Момент начала инфляции обычно именуется Большим взрывом.
Столь экзотическая на первый взгляд идея является почти общепринятой в современной космологии. Дело в том, что она объясняет многие странности, перед которыми пасуют более простые модели. Например, становится понятно, почему самые удалённые друг от друга области наблюдаемого космоса так похожи.
Из расчётов, которые не включают катастрофическое инфляционное расширение, следует, что эти области развивались независимо друг от друга, и причин для столь точного "копирования" попросту нет. А стадия инфляции расставляет всё по местам: когда-то эти области были близки друг к другу и успели прийти к одному состоянию, прежде чем их, так сказать, разнесло в разные стороны.
И это только один из “неудобных” вопросов к предыдущим теориям, на которые инфляционная космология дала простой и ясный ответ. Не говоря уже о том, что она уже прошла главный тест для всякой научной модели: её прогнозы подтвердились последующими наблюдениями. Речь идёт о картине неоднородностей реликтового излучения. Результаты измерений спутника Planck блестяще совпали с плодами расчётов.
Однако у теории инфляции есть очень необычное следствие. Да, вся видимая Вселенная возникла из непомерно расширившейся области, в которой энергия инфлатона достигла критического значения. Но ведь всё остальное пространство и инфлатонное поле в нём осталось где было. Там снова может произойти флуктуация, которая приведёт к рождению ещё одной вселенной, а потом ещё одной... Более того, ни из чего не следует, что "наша" была первой. Значит, из каждого такого "пузырька" зарождается свой отдельный космос? Их несколько?
Совершенно верно. И это и есть модель мультивселенной, или мультиверса.
Более того, в простейшем варианте теории зарождения новых миров нет ни начала, ни конца. Это называется гипотезой вечной инфляции.
Однако вот к этому пункту многие теоретики имеют претензии. Прежде всего потому, что непонятно, как можно его проверить. Теория не препятствует порождению слишком большого разнообразия вселенных: а ведь в каждой из них будут свои физические условия, свои значения фундаментальных констант (таких, например, как заряд электрона) и так далее. Что бы мы ни наблюдали в нашем собственном космосе, это уложится в гипотезу вечной инфляции. А учёные испытывают большое недоверие к теориям, не поддающимся никакой проверке.
"Обычная теория вечной инфляции предсказывает, что глобально наша вселенная похожа на бесконечный фрактал с мозаикой разных карманных вселенных, разделённых огромным океаном [пространства], – цитирует Хокинга пресс-релиз Кембриджского университета. – Локальные законы физики и химии могут отличаться от одной карманной вселенной к другой, которые вместе образуют мультивселенную. Но я никогда не был поклонником мультивселенной. Если разнообразие вселенных в мультиверсе [слишком] велико или бесконечно, теория не может быть проверена".
Поэтому Хокинг и Хертог принялись искать другие варианты. Надо сказать, что этот раздел космологии – благодатная почва для научного поиска. Здесь мы выходим за пределы условий, когда-либо воспроизведённых в самых масштабных экспериментах или наблюдавшихся на самых странных небесных телах. По существу, неизвестно, остаются ли при этом справедливыми физические законы, многократно проверенные в менее экзотических ситуациях.
Обычно учёные предполагают, что это так. Иначе им останется повторить вслед за Сократом: "Я знаю, что ничего не знаю" и прекратить свои исследования. Однако, даже если основные законы верны, требуется как-то согласовать квантовую механику с общей теорией относительности (ОТО). Мы подробно рассказывали об этой проблеме.
"Проблема с обычной моделью вечной инфляции заключается в том, что она предполагает существование фоновой вселенной, которая эволюционирует в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна, и рассматривает квантовые эффекты как небольшие отклонения от этого, – объясняет Хертог. – Однако динамика вечной инфляции стирает различия между классической и квантовой физикой. В результате теория Эйнштейна нарушается в [случае] вечной инфляции".
Авторы решили подойти к этой проблеме с позиции теории струн – одного из наиболее обсуждаемых кандидатов на роль модели, обобщающей и ОТО, и квантовую физику, и примиряющей их между собой.
В рамках этого подхода учёные применили следующий "фокус". Дело в том, что теория, имеющая дело с пространством некоторой размерности, может оказаться математически эквивалентна другой теории для пространства меньшей размерности. Это всё равно, что описать процессы в стакане воды, выдумав некоторые эквивалентные явления на поверхности стекла. Именно это имеют в виду, произнося знаменитую фразу о том, что Вселенная может быть голограммой.
В самых общих чертах этот метод выглядит так. Формулируем проблему в исходной теории. Затем переводим её на язык модели с меньшей размерностью пространства (плоскость вместо объёмных тел), где уравнения, как правило, решать значительно легче. Затем переводим ответ обратно на язык исходной теории.
Как поясняет издание Science, авторы несколько модифицировали этот подход. Обычно учёные уменьшают число пространственных измерений, оставляя в неприкосновенности время (по сути ещё одно измерение). Хокинг и Хертог же смогли показать, что их задачу можно сформулировать и решить на языке "пространства без времени". Это позволило им уйти от использования общей теории относительности там, где она, скорее всего, не применима.
В результате оказалось, что инфляция отнюдь не является вечной, и поэтому число (а значит, и разнообразие) вселенных хоть и велико, но конечно. А значит, жёстче условия, которые модель накладывает на нашу собственную Вселенную. Поэтому появляется шанс проверить теорию.
Как рассказал Хертог в интервью Европейскому исследовательскому совету, в ближайшие месяцы он планирует подробнее проанализировать, что именно следует искать астрономам-наблюдателям. Скорее всего, речь пойдёт о реликтовых гравитационных волнах, оставшихся со времён первоначальной катастрофической инфляции. Они не могут быть зафиксированы существующими детекторам, но должны оказаться по зубам проектируемому космическому аппарату LISA.
Кроме того, их можно обнаружить и по следам, оставленным в реликтовом излучении. О таком открытии даже сообщалось, но потом выяснилось, что искажения в наблюдаемую картину внесла космическая пыль.