–38 секунды; при таких кратких промежутках времени принцип неопределенности гарантированно дает в любом поле случайные флуктуации энергии. На самом деле, ячеистая структура скоплений галактик, наблюдаемая в современной Вселенной, – «космическая паутина», а также распределение сравнительно теплых и сравнительно холодных участков РИ указывают, что исходные условия были случайными именно в той мере, в какой это могли бы обеспечить квантовые флуктуации, прогнозируемые в рамках инфляционной теории (см. мою книгу «Космическая паутина (Cosmic Web [2016])).
Однако в инфляционной теории была одна проблема, которую Гут понимал. Вряд ли высокоэнергетическое состояние вакуума могло распасться на элементарные частицы везде и сразу. Такое инфлирующее высокоплотное море должно было распадаться на пузыри со сравнительно неплотным вакуумом, этот феномен исследовал Сидни Коулман. Ситуация напоминает кипение воды в кастрюле. Вода не испаряется вся и сразу. В воде образуются пузырьки пара. Но тогда получается неоднородное распределение, не та ровная Вселенная, которую мы надеемся увидеть. Гут обозначил данный факт как проблему. В 1982 году я предположил, что инфляция должна порождать вселенные-пузырьки, причем каждый пузырек может расшириться до размеров отдельной вселенной, такой как наша (рис. 23.3).
В моей теоретической модели мы живем внутри одного из пузырей с низкой плотностью вакуума. Я отметил, что если после формирования этого пузыря потребовалось некоторое время на рассасывание плотного вакуума, то такое рассасывание происходило бы на гиперболической поверхности и у нас получилась бы однородная гиперболическая фридмановская космология (вспомните рис. 22.6). Изнутри пузыря мы смотрим во все стороны в пространстве и смотрим в прошлое во времени, поэтому видим просто нашу пузырьковую Вселенную и однородное инфлюирующее море, из которого она родилась. Для нас все выглядит одинаково, так и решается проблема однородности, сформулированная Гутом. Пузырь расширяется почти со световой скоростью. Но инфлирующее море разрастается так быстро, что кипящие пузыри никогда не успевают заполнить все пространство. Постоянно образуются новые пузырьковые вселенные, а между ними продолжает расширяться инфлирующее море, освобождающее пространство для все новых пузырьковых вселенных. Я представил себе бесконечное множество пузырьковых вселенных, постоянно образующихся в вечно расширяющемся инфлюирующем море, – такой феномен сегодня именуется «Мультивселенная» (или «Мультиверс»)[39]. Внутри таких пузырьковых вселенных должна возникать отрицательная кривизна, и эти вселенные должны вечно расширяться. Это будут гиперболические фридмановские вселенные. Поверхности постоянной эпохи будут гиперболическими и вложенными в расширяющиеся пузыри. «Поверхность постоянной эпохи» характеризуется тем, что если установить будильник на каждой элементарной частице на этой поверхности, все будильники будут идти синхронно, начиная с момента формирования пузыря. Поверхность гиперболическая, поскольку чем быстрее летит частица, тем медленнее тикают установленные на ней часы и, следовательно, момент срабатывания часов наступает позже (ср. с рис. 22.6). Получается бесконечно протяженная гиперболическая поверхность, загибающаяся кверху по стенкам расширяющегося пузыря (рис. 23.3). В конце концов, когда в бесконечно далеком будущем пузырь достигнет бесконечного размера, в нем возникнет бесконечное количество галактик, следовательно, бесконечное количество пузырьковых вселенных из исходного миниатюрного и высокоплотного деситтеровского пространства.
Все это звучит странно. Как можно получить бесконечное количество вселенных, каждая из которых в конечном счете бесконечно велика, – из конечного исходника? Деситтеровское пространство напоминает обычную трубу, раструб которой направлен вверх. Горизонтальный срез, проходящий через талию деситтеровского пространства у устья трубы, – это круг. Это маленькая конечная вселенная, вписанная в 3-сферу, у нее конечная окружность и конечный объем, как та, которую рассматривал Эйнштейн. Но верхняя часть трубы напоминает по форме конус, а конус можно нарезать кругами, гиперболами или параболами, в зависимости от того, как резать. Если нарезать деситтеровское пространство по горизонтали, получается круг – это вселенная, вписанная в 3-сферу. Если резать под углом 45°, то получается парабола и бесконечная плоская вселенная. Если нарезать вертикальной плоскостью, то получается гипербола – бесконечная вселенная с отрицательной кривизной. История напоминает старую притчу о трех слепцах и слоне. Первый слепец щупает хобот и говорит, что слон похож на змею. Другой щупает ногу и говорит, что слон похож на ствол дерева. Третий щупает бок и говорит, что слон напоминает стену. Аналогично, форма деситтеровского пространства зависит от того, как его сегментировать. Можно сделать во вселенной-пузырьке такой гиперболический сегмент, который будет простираться до бесконечности, обозначить эпоху, в которую заканчивается существование деситтеровского вакуума и энергия сбрасывается в виде частиц, после чего начинается фридмановская модель. Вспомните буханку, которую можно резать на ломтики разной формы – прямоугольные или треугольные. В данном случае реальна лишь сама буханка. Если рассмотреть пространственно-временную геометрию деситтеровского пространства для инфляционной модели, то выясняется, что оно начинается в виде конечной 3-сферной вселенной на талии и вечно расширяется, приобретая бесконечный объем. Такая замечательная геометрия пространства-времени, где инфляция продолжается вечно и пространство становится бесконечно велико, позволяет создать бесконечное количество бесконечных пузырьковых Вселенных в вечно расширяющемся море.
Рис. 23.3. Пузырьковые вселенные, образующиеся в инфлирующем море, – Мультивселенная. Иллюстрация предоставлена Дж. Ричардом Готтом, адаптирована из Time Travel in Einstein’s Universe, Houghton Mifflin, 2001
В разных пузырьковых вселенных могут действовать различные законы физики, если считать, что разные пузыри соответствуют туннелированию и скатыванию в разные долины космического ландшафта, причем значения различных физических полей от долины к долине могут отличаться. Законы физики, действующие в нашей Вселенной, могут оказаться лишь локальными «нормативными актами», что подчеркивают в своих работах Андрей Линде и Мартин Рис.
Важное свойство деситтеровской инфляционной модели таково: она должна начинаться с талии. Нам не нужен этап бесконечного сжатия, предшествующий талии. Борде и Виленкин продемонстрировали почему: на этапе сжатия также будут формироваться пузырьки и, следовательно, пузырьки будут расширяться в сжимающемся пространстве: сравнительно неплотные пузыри будут сливаться друг с другом и заполнять пространство. В результате получится инфлирующее море, которое так и не достигнет талии, а значит, не перейдет к этапу расширения. Возникнет просто сингулярность Большого схлопывания; пузырьки не будут обладать достаточной отрицательной энергией, чтобы на талии процесс пошел вспять. Итак, Борде и Виленкин пришли к выводу, что инфлирующая Мультивселенная начинается с конечного участка инфлирующего моря. Он может быть миниатюрным, всего 3 × 10–27 см. Это не «ничто», но, пожалуй, «почти ничто» в любом мыслимом приближении.
Плотность энергии вакуума можно сравнить с отметкой высоты на ландшафте. Данная высота соответствует плотности энергии вакуума, то есть плотности энергии пустого пространства. Различные участки местности соответствуют различным значениям полей (например, поля Хиггса), порождающих энергию вакуума. Различные местоположения (разные значения полей) соответствуют разным высотам (разным значениям плотности вакуума). В настоящее время плотность вакуума очень низкая – мы почти на уровне моря. Но в юной Вселенной плотность вакуума должна была быть велика, как будто Вселенная была заперта в высокогорной долине (рис. 23.4).
Если шар окажется в такой долине, то он, в конечном итоге, будет неустойчив. Есть более низкоэнергетическое состояние, куда он может скатиться, – уровень моря. Но шар может остаться в долине, если со всех сторон его окружают высокие горы. В ньютоновской Вселенной такой шар ни при каких условиях не может скатиться вниз, но известен процесс, именуемый «квантовое туннелирование», позволяющий шару проскочить через гору и покатиться к морю[40].
Рис. 23.4. Квантовое туннелирование. Иллюстрация предоставлена Дж. Ричардом Готтом, адаптирована из Time Travel in Einstein’s Universe, Houghton Mifflin, 2001
Георгий Гамов открыл процесс квантового туннелирования. Таким образом он объяснил деление ядра урана. При распаде ядра урана выделяется альфа-частица (ядро гелия, в котором два протона и два нейтрона). Альфа-частицу удерживает в ядре сильное ядерное взаимодействие, приковывающее эту частицу к другим протонам и нейтронам. Сильное взаимодействие напоминает горный кряж, опоясывающий долину и заключающий альфа-частицу внутри ядра.
Но сильное ядерное взаимодействие является короткодействующим; если бы альфа-частице удалось каким-то образом вырваться из ядра, преодолев сильное взаимодействие, то она могла бы ускользнуть. Альфа-частица положительно заряжена и, следовательно, положительно заряженный массив ядра стал бы ее отталкивать. Частица покатилась бы по склону в сторону от ядра, набирая кинетическую энергию за счет электростатического отталкивания. По измеренной энергии, которой обладает альфа-частица, испускаемая при делении ядра урана, ученые научились вычислять, насколько высоко на склоне она находилась перед падением. Оказалось, что частица начинает путь внеядра урана! Как она туда попадает? Согласно квантовой механике, свет имеет корпускулярно-волновую природу, и такой же дуализм присущ другим объектам, которые мы называем «частицами», например альфа-частицам. В силу своей волновой природы альфа-частица не имеет четкой локализации, то есть подчиняется принципу неопределенности Гейзенберга. Гамов обнаружил небольшую вероятность того, что альфа-частица может «туннелировать» через ту гору, которая запирает ее в ядре, и внезапно оказаться далеко за пределами ядра, откуда она уже может покатиться вниз под действием электростатического отталкивания. Ситуация напоминает мне буддийский коан «