В безграничном Мультиверсуме из квантовой пены первичного хаоса возникают бесчисленные миры

Образ пузырящейся пены оказался очень плодотворным для физики ХХ века. С надувающимися и лопающимися микроскопическими «зародышами» будущих вселенных можно сравнить и античный хаос, из которого родился космос. Фото ( SXC licence ): Petria Follett  

Прошедшее XX столетие без преувеличения можно назвать самым революционным столетием в истории науки. Оно подарило нам квантовую механику, специальную и общую теории относительности, стандартную теорию элементарных частиц, теорию струн, генетику и генную инженерию, электронные средства коммуникаций и информационные технологии, коренным образом изменившие наш быт. Однако самое, пожалуй, удивительное достижение XX столетия: мультиверсальная космологическая картина мира, созданная бывшим нашим соотечественником, советским физиком, называемым на Западе «русским магом» — Андреем Дмитриевичем Линде. И хотя «мультиверсальная космология» была логическим продолжением релятивистской космологии, созданной в первой половине XX столетия, её следствия принципиально отличались от того, что «рисовала» релятивистская картина мира.

Вселенная, как Афродита, родилась из пены…

Релятивистская космология опиралась на общую теорию относительности, созданную Альбертом Эйнштейном в 1916 году. Сам Эйнштейн первый и вывел из неё космологические следствия, однако, получив нестационарные решения для Вселенной в целом, он модифицировал свою теорию, введя туда, наравне с гравитационными притягивающими «силами», «силы» отталкивания. Этот его шаг легко объясним: статическая космологическая картина мира была общепринятой и существовала фактически столько, сколько существовала научная космология. Изменяющийся, эволюционирующий космос в целом был столь же нов и непонятен, как и современный Мультиверсум.

Однако в 1922 году советский математик Александр Фридман вновь получил нестационарные решения, и через небольшое время ему удалось убедить Эйнштейна в правильности полученного вывода. Одним из проверяемых следствий этих решений было «разбегание» далеких друг от друга космических объектов со скоростью прямо пропорциональной расстоянию между ними. Такое «убегание» далеких галактик от находящегося на Земле наблюдателя было обнаружено рядом астрономов ещё в 1910–20-е годы, однако долгое время не удавалось получить из наблюдений линейной зависимости между скоростью (определяемой по эффекту Доплера) и расстоянием. И только в 1929-м американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил эту линейную зависимость и определил коэффициент пропорциональности, названный в его честь постоянной Хаббла. Таким образом, теория нестационарной Вселенной, разработанная Эйнштейном и Фридманом, обрела наблюдательное подтверждение. 

Выпускник физического факультета МГУ, ведущий научный сотрудник Физического института РАН и профессор Стэфордского университета (Stanford Universtity) Андрей Дмитриевич Линде. Фото: Stanford News Service

 Решающим аргументом в пользу космологии Эйнштейна–Фридмана стало открытие в 1967 году реликтового микроволнового излучения, соответствующего температуре около 3 градусов Кельвина, как и предсказывала теория. Казалось, что после этого никаких сомнений в правильности «горячей модели Вселенной» быть не может. Всё, что теория предсказывала: красное смещение в спектрах удалённых объектов, реликтовое микроволновое излучение, соотношение химических элементов во Вселенной и её крупномасштабная структура — получило достоверные наблюдательные подтверждения. Оставались совсем незначительные теоретические «сложности».

Наиболее существенными среди этих «сложностей» были проблема сингулярности — начального состояния, из которого началось расширение Вселенной, — и некоторые теоретические парадоксы. И хотя первая проблема, связанная с бесконечностями в значениях температуры, плотности и кривизны пространства в начальный момент расширения, казалась более серьезной, она носила скорее теоретический характер и в каком-то смысле «решалась» подходящим выбором физической модели состояния материи, из которого появилась Вселенная. А вот разобраться аналогичным образом с такими наблюдаемыми фактами, как, например, однородность и изотропия Вселенной в предельно больших масштабах или её плоская геометрия в прошлом и настоящем, никак не удавалось. 

Впоследствии выяснилось, что путь к новой теории был намечен в работе 1973 года сотрудника киевского Института теоретической физики П. И. Фомина. В качестве первичного состояния материи, из которой возникла Вселенная, он ввел квантовый флуктуирующий физический вакуум. Эта идея оказалась крайне плодотворной, другой столь же плодотворной идеей стала гипотеза, что на самых ранних этапах своей эволюции Вселенная расширялась не по степенному закону, как следовало из релятивистской космологии, а по показательному. (Впрочем, экспоненциальная зависимость масштабного фактора, характеризующего расширение пространства от времени, не противоречит уравнениям Эйнштейна, а наоборот, является одним из его решений.) Эту гипотезу высказал в 1979 году молодой теоретик, а ныне член-корреспондент РАН Алексей Александрович Старобинский. Но гипотеза гипотезой, а следовало ещё построить физически и математически приемлемую модель этого процесса, совместив её с корректным теоретическим решением проблемы происхождения Вселенной из физического вакуума. На это было затрачено несколько лет, предложено несколько сценариев, и только в 1983 году Андрей Линде предложил свой сценарий, названный им «сценарием хаотической инфляции». В самых общих чертах он представляет собой следующее.

Наша Вселенная рождается из квантовых флуктуаций высокоэнергетического физического вакуума, чем-то похожего на обычную пену на поверхности кипящей воды. Пузырьки физического вакуума то и дело возникают и лопаются, достигнув так называемого планковского размера в 10^-33 см. Причём геометрические и даже топологические свойства разных пузырьков сильно различаются. Внутри них могут быть различные свойства пространства и времени — например, пространственная размерность может отличаться от трех, а временная — от единицы. Аналогичная несхожесть может проявляться и в свойствах материи. 

Конечно, в таком маленьком пузырьке материя может существовать в очень специфическом состоянии, описываемом единственным параметром, который называют скалярным полем. При определенных значениях этого поля пузырек не исчезает, достигнув планковского размера, а, напротив, начинает со все увеличивающейся скоростью раздуваться. Стадия экспоненциального расширения очень коротка даже по квантовым меркам — порядка 10^-35 с., однако за это время пространство пузырька раздувается до огромных размеров — от 10^-33 см до 10¹⁰⁴ см или даже больше. Когда экспоненциальное раздувание оканчивается, дальнейшая эволюция проходит в соответствии со «старой» моделью «горячей Вселенной». В итоге, из одного крошечного пузырька высокоэнергетического физического вакуума рождается Вселенная, в которой нам теперь приходится жить. 

…И родилась не одна: у нее множество сестер и братьев!

Однако главная «изюминка» теории Линде отнюдь не в том, что она предлагает новые детали эволюции нашей Вселенной в течение первых 10^-35 с. её существования. Гораздо более важное следствие теории Линде в том, что акт возникновения Вселенной оказывается отнюдь не единичным: раздувается не один пузырек, а огромное количество пузырьков с самыми различными свойствами. В момент начала экспоненциального раздувания эти свойства «фиксируются», и из локальных, квантовых, становятся глобальными для каждой из раздувшихся областей пространства. 

Мультиверсум имеет довольно сложную топологию: в нем множество самостоятельных вселенных, раздувшихся до космических размеров, со своими собственными законами природы в каждой. Иллюстрация: из архива Андрея Линде

Эти области изолированы друг от друга, и с полным правом мы можем назвать их другими вселенными с различными геометрическими и физическими свойствами, а ту область пространства, которую наблюдаем мы (на самом деле мы наблюдаем лишь её ничтожную часть) — нашей Вселенной. Согласно теории Линде, процесс раздувания пузырьков квантовой пены не ограничен во времени, он не имеет начала и не будет иметь конца. Таким образом, мы приходим к принципиально иной картине мира, чем все те, с которыми было знакомо человечество до этого. 

В предельно больших масштабах мир не однороден, он представляет собой совокупность различных областей пространства с различными фундаментальными и даже, можно сказать, онтологическими свойствами. Это принципиальное отличие данной картины мира подчёркивается и в названии, которое было предложено для неё на самом рубеже тысячелетий: в 2000–2001 годах. С глубокой древности мир назвали Универсумом (Universum), это название подчёркивало его единство и единичность. Но теперь стало правильнее говорить об Мультиверсуме (Multiversum), подчёркивая онтологическую множественность всего сущего. Теория Мультиверсума позволила успешно решить большинство теоретических проблем и снять парадоксы предшествующей релятивистской космологии, не отрицая последнюю, а лишь существенно расширяя и дополняя. Впрочем, кроме сугубо специфических физико-космологических проблем, теория Мультиверсума решает ещё одну, но уже общую, мировоззренческую проблему, сформулированную в виде вопроса «Почему мир таков, каким мы его наблюдаем?». 

Эта проблема всегда волновала человеческий ум, но особую актуальность она приобрела в середине ХХ столетия, в связи с формулировкой рядом отечественных и зарубежных учёных так называемого антропного принципа. Согласно этому принципу, человек и общество представляют собой сложную, высокоорганизованную систему, для возникновения и функционирования которой необходим комплекс специфических физико-космологических условий. Этот комплекс очень объёмен, начиная от размерности пространства и времени, заканчивая соотношением масс, зарядов и других параметров элементарных частиц и величинами универсальных физических постоянных, причём по мере развития науки «список» таких условий всё время расширяется. Относительно небольшое (в среднем порядка 10%) нарушение баланса этих постоянных меняет физические условия нашей Вселенной настолько, что существование человека и вообще разумной жизни в ней делается просто невозможным. Такое точное соответствие их друг другу получило в физике название подгонки.

Можно считать, что причина этой подгонки — случай. Но вероятность такого события меньше чем 10^-100. Подобная оценка даёт «козырь в руки» теологам всех направлений, позволяя утверждать, что если случайно такое событие невозможно, то акт творения Вселенной был целенаправленным и продуманным творцом всего сущего. Но есть ещё один, атеистический вариант, который в 1978 году сформулировал австралийский астрофизик Брендон Картер (Brandon Carter) в виде гипотезы «ансамбля миров». Если вероятность совпадения параметров в одном «мире» равна, допустим, 10^-100, а всего «миров» 10¹⁰⁰, то вероятность такого события хотя бы в одном из «миров» равна 1 — (1 — 10^-100)¹⁰¹⁰⁰, а это уже далеко не ноль! 

Таким образом, если возникает и существует множество вселенных с различными свойствами, то вполне вероятно, что хотя бы у одной из них свойства благоприятствуют возникновению и длительному существованию сложных высокоорганизованных систем, в том числе и человека и общества. Таким образом, атеистическое решение проблемы «подгонки» свойств нашего мира под существование человека предполагает актуальное наличие множества вселенных с различными свойствами. Напомним, что Картер сформулировал свою гипотезу «ансамбля миров» в 1978 году, а Линде независимо от него основы теории Мультиверсума — в 1983-м, однако именно теория Мультиверсума дала теоретическое обоснование атеистической формулировке антропного принципа, а сам антропный принцип в приложении к теории Мультиверсума способен самостоятельно обладать предсказательной силой. 

Много лет назад, выступая на семинаре Гинзбурга в ФИАНе, Андрей Линде говорил, что главная проблема современной космологии не в том, что она не может объяснить наблюдаемого поведения Вселенной в целом, а в том, что она может его объяснить слишком большим количеством способов. Неоднородность распределения микроволнового реликтового излучения, зарегистрированная космическим аппаратом WMAP, подобна, по мнению некоторых, отпечатку пальца — по нему можно будет выбрать теорию, дающую правильные предсказания. Иллюстрация: NASA/WMAP Science Team

Осталось только выяснить, как можно было бы проверить теорию Линде в наблюдениях. С учётом необычности этой теории и её новизны, вопрос о том, насколько всё предлагаемое ею соответствует объективной реальности, вполне актуален. Того, что она решает проблемы и устраняет парадоксы, присущие предшествующей космологии, ещё недостаточно, чтобы приписать ей какую-либо предсказательную силу — способность предсказать новые явления, не предсказанные другими теориями. Долгое время после возникновением теории Мультиверсума вопрос о её предсказательной силе оставался открытым. Однако по мере развития и самой теории, и астрономических наблюдательных данных, «туман постепенно прояснился». В начале 1990-х годов были получены и обработаны наблюдательные данные с советского («Прогноз-9») и американского (Cosmic Background Explorer, COBE) спутников, исследовавших реликтовое микроволновое излучение. 

Результаты этих исследований показали, что оно имеет небольшие (в космологических масштабах) неоднородности, названные «анизотропией реликтового излучения». Эти наблюдательные данные в точности совпали с теоретическими расчётами «следов», которые должны были оставить квантовые колебания физического вакуума в стремительно (экспоненциально) расширяющемся пространстве Вселенной в самые первые мгновения её существования. Иными словами, анизотропия реликтового излучения является наблюдательным подтверждением возникновения нашей Вселенной из физического вакуума и инфляционного (экспоненциального) расширения пространства нашей Вселенной на ранних этапах своей эволюции. Именно с учётом этого в 2006 году группе американских учёных за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике. Строго говоря, это открытие необходимо рассматривать не как прямое наблюдательное подтверждение теории Мультиверсума, а только как косвенное, поскольку, кроме инфляционной теории хаотической инфляции Линде, существуют и другие инфляционные сценарии. Однако с учётом специфики космологии, а тем более космологии, изучающей события, отстоящие от нас во времени на миллиарды лет, сам факт наблюдательного обнаружения «следов» инфляционного расширения весьма значителен, и не вызывает сомнения, что рано или поздно учёные смогут предъявить и другие наблюдательные доказательства, подтверждающие одну из самых удивительных теорий современной науки — теорию Мультиверсума Андрея Линде.

Яков Тарароев, 14.12.2007

Телеграф «Вокруг Света»: Вселенные рождались не однажды

http://dppe.mipt.ru