В петлевой теории гравитации главными объектами являются маленькие квантовые ячейки пространства, соединенные друг с другом определенным способом. Законом соединения и их состоянием управляет некое существующее в них поле, величина которого является для ячеек своеобразным внутренним временем: переход от слабого поля к более сильному выглядит так, как если бы было какое-то «прошлое», которое бы влияло на какое-то «будущее». Этот закон устроен так, что для достаточно большой Вселенной с малой концентрацией энергии (то есть далеко от сингулярности) ячейки как бы сплавляются друг с другом, образуя привычное нам сплошное пространство-время.
Многие космологи и астрофизики утверждают, что этого уже достаточно для решения задачи о том, что происходит со Вселенной при приближении к сингулярности. Решения полученных ими уравнений показали, что при экстремальном сжатии Вселенной пространство «рассыпается», ведь квантовая геометрия не позволяет уменьшить его объем до нуля, и неизбежно происходит остановка и вновь начинается расширение. Эту последовательность состояний можно отследить как вперед, так и назад во времени, а значит, в этой теории до Большого Взрыва с неизбежностью присутствует Большой коллапс предыдущей Вселенной.
Далее мы остановимся на обсуждении одной из наиболее привлекательных рабочих гипотез современной космологии, в рамках которой проблема Большого Взрыва — проблема начала расширения Вселенной — приобретает вполне законченные контуры. Оригинальные идеи, сформулированные в работах выдающихся физиков Д. Уилера, С. Хокинга,
-116-
Я. Б. Зельдовича, А. Д. Сахарова, А. Д. Линде, А. А. Старобинского и др., сводятся к тому, что наша Вселенная — это гигантская флуктуация топологии более общего суперпространства, связанного с вакуумным состоянием физических полей.
Свойства этого состояния должны радикально отличаться от свойств обычного пространства-времени. Его размерность не обязательно должна равняться трем пространственным и одной временной координатам. Более того, вакуум как основное состояние материи характеризуется нулевыми физическими зарядами, следовательно, не существует и классического прибора, способного зафиксировать какую-то упорядоченность событий, а значит, не существует и самих понятий пространства и времени, как, впрочем, и причинности.
Наконец, будучи сугубо квантовым объектом, вакуум физических полей флуктуирует, порождая топологические аномалий, которые рождаются и гибнут. Внутри каждой оболочки такой аномалии можно ввести понятие собственного времени, направление которого фиксирует эволюцию материи внутри от момента рождения и до коллапса. Подавляющая доля таких аномалий имеет время жизни, сравнимое с планковским временем, и внешне проявляет себя как замкнутые миниатюрные вселенные. Такое своего рода «кипение» вакуума — рождение и гибель виртуальных вселенных — является обобщением на гравитацию хорошо известного в квантовой физике эффекта поляризации вакуума: рождения и гибели виртуальных пар частица — античастица.
Однако применительно к нашей Вселенной планковское время, типичное для виртуальных мини-вселенных, оказывается почти на 60 порядков меньше современного возраста галактик. Что же задержало наш Мир от мгновенного коллапса?
Вот тут на помощь физикам-теоретикам и приходят математики-топологи, предполагающие, что миры нашего типа являются своеобразными геометрическими
-117-
аномалиями, выраженными в решениях теоремы Пуанкаре — Перельмана. Из этого можно сделать вывод (для этого понадобится несколько десятков страниц формул), что первично устойчивое состояние вакуума в результате флуктуации топологии стало неустойчивым по отношению к нашей Вселенной. Это состояние с определенной долей вероятности может привести к тому, что внутри геометризированной оболочки аномалии вакуум начинает изменять свои свойства, стремясь к новому устойчивому пределу. Такой процесс топологической перестройки вакуума, описываемый математической моделью Перельмана, должен, по идее, сопровождаться гигантским выделением энергии, в результате чего новообразованная Вселенная и начинает расширяться с колоссальной скоростью.
Рис. 43. Первичные топологические флуктуации метрики пространства-времени
«Сотни лет научных исследований показали, что математика обеспечивает мощный и острый язык для анализа Вселенной. На самом деле история современной науки насыщена примерами, в которых математика делала предсказания, которые
-118-
казались противоречащими как интуиции, так и ощущениям (что Вселенная содержит черные дыры, что Вселенная имеет антиматерию, что удаленные частицы могут быть запутанными и так далее), но которые в конце концов эксперименты и наблюдения смогли подтвердить. Такие разработки сами по себе оставили глубокий след в культуре теоретической физики. Физики пришли к осознанию, что математика, когда она используется обоснованным образом, является проверенной дорогой к истине».
Чудо вселенского взрыва ложного вакуума (в отличие от окружающего нас настоящего физического вакуума) очень трудно описать в привычных представлениях, и здесь снова приходят на помощь топологические построения российского математика. Главное, что получил Григорий Перельман, — это самодостаточный образ гладко расширяющегося Мироздания: без разрывов пространства, воронок, уходящих в иные измерения, и вздутий «вырожденных» миров. Таким образом, похожие решения теоремы Пуанкаре — Перельмана будут описывать именно нашу Вселенную как Мир без трещин пространства-времени и лакун иных измерений.
Естественно, грандиозность масштаба такого взрыва, его обусловленность квантово-гравитационными свойствами пространства-времени, лежащими за пределами современной классической физики, могут вызвать определенный скепсис по отношению к обсуждаемой гипотезе.
Большинство авторов новейших гипотез Мультивселенной строят свои рассуждения на базе очень красивой модели Большого Взрыва, предложенной в 1980 году Аланом Гутом и вскоре серьезно модифицированной Андреем Линде, Полом Стейнхардтом и Андреасом Альбрехтом. Согласно этому сценарию, в самом начале своего существования наша Вселенная испытала кратковременное, но чрезвычайно быстрое расширение, в ходе которого ее размеры росли пропорционально экспоненциальной функции времени.
-119-
Эта стадия эволюции Космоса называется инфляционной (от англ. inflation — раздувание), поэтому все направление называют инфляционной космологией.
По современным представлениям инфляция началась через 10-43 секунды после образования сингулярности Большого Взрыва. Знаменитый исследователь космологических парадоксов И. Д. Новиков так характеризовал временные окрестности этой удивительной точки космической эволюции в своей книге «Куда течет река времени?»:
«Что было до сингулярности? Было ли сжатие всего вещества и текло ли обычное время или нет?
Окончательного ответа на эти вопросы пока нет. Но большинство специалистов считают, что никакого сжатия не было и космологическая сингулярность является истоком реки времени в том смысле, как сингулярность в черных дырах является концом "ручейков времени". Это означает, что в космологической сингулярности время тоже распадается на кванты, и, возможно, сам вопрос: "Что было до того?" теряет смысл.
Здесь у исследователей пока очень много неясностей. Вероятно, вблизи сингулярности, в масштабах квантов времени и пространства… существует своеобразная "пена" квантов пространства-времени, как говорят, происходят квантовые флуктуации пространства и времени. Рождаются и тут же исчезают маленькие виртуальные замкнутые миры и виртуальные черные и белые дыры. Это микроскопическое "кипение" пространства-времени в некотором отношении аналогично рождению и умиранию виртуальных частиц…
…При рассматриваемых больших энергиях в очень малых масштабах, возможно, пространство имеет не три, а больше измерений. Эти дополнительные измерения так и остаются скрученными, "скомпактифицированными". А в трех пространственных измерениях Вселенная расширяется, превращаясь в "нашу Вселенную"…
С сегодняшней точки зрения мы должны сказать, что время в сингулярности в корне меняет свои свойства и на-
-120-
чало расширения мира есть исток нашего непрерывного потока времени…
…Здесь пространство-время… представляет собой "дышащую пену" из возникающих и тут же пропадающих черных и белых дыр, очень маленьких замкнутых мини-вселенных и еще более сложных топологических структур…
…В возникающих из нее "пузырях" происходят квантовые флуктуации, и в то же время они раздуваются из-за гравитационного отталкивания вакуумноподобного состояния, которое там имеется. Большая часть объемов пузырей из-за флуктуаций тут же возвращается в состояние "пены". В малой же части объема продолжается раздувание, сопровождающееся квантовыми флуктуациями плотности вакуумноподобного состояния. Очень малая доля первоначального объема после длинной цепочки случайных флуктуаций может существенно уменьшить свою плотность. Теперь амплитуда квантовых флуктуаций не так велика, как раньше. Эти объемы продолжают систематически раздуваться… превращаясь после распада вакуумноподобного состояния в горячие вселенные…
В одной из таких вселенных мы и находимся».
На этом этапе существовал только физический вакуум, первичное скалярное поле, параметры которого сильно менялись из-за квантовых флуктуаций (этот загадочный субстрат образно называют пространственно-временной пеной). Для определенности будем говорить только об одном-единственном поле, хотя в более реалистичных моделях это ограничение отброшено. Какая-то из флуктуаций привела к тому, что интенсивность поля достигла острого локального пика, после чего стала спадать. Этот скачок как раз и создал условия для выхода на инфляционный режим. В итоге возник