Когда вы поймете, как проводить измерения в миллиметровых масштабах, вы сможете проверить, соответствует ли наблюдаемое уменьшение силы тяжести тому, которое предсказывают стандартные уравнения. А теперь вернемся к аналогии с чернилами. Если вы выльете на лист бумаги литр чернил, вы не заметите каких-либо потерь. Однако если вы будете капать по капле, то увидите, что часть чернил исчезает по мере впитывания в волокна бумаги. Если ширина дополнительных измерений не превышает миллиметра, а вы можете зафиксировать изменение силы тяжести даже в таких масштабах, то величина гравитации, утекающей в балк, будет сопоставима с той величиной, которую вы пытаетесь измерить. При этом вы заметите, что сила тяжести уменьшается быстрее по сравнению с предсказанием общей теории относительности для «непротекающего» пространства. В этом случае вы сразу поймете, что что-то не так.
До сих пор мы так и не достигли консенсуса в объяснении слабости гравитации и не нашли каких-либо убедительных доказательств ее утечки, несмотря на растущую точность измерений силы тяжести в очень малых масштабах. Какой бы привлекательной с теоретической точки зрения ни казалась идея о дополнительных измерениях, их существование по-прежнему остается лишь интригующей возможностью, а не доказанным свойством нашего космоса. Кроме того, от их изначального обоснования практически ничего не осталось, – почти все наиболее убедительные теории, объясняющие слабость гравитации через ее утечку, были исключены, поскольку предсказывали изменения такой величины, которую мы уже должны были заметить. Тем не менее, мы продолжаем поиски, потому что, если дополнительные измерения действительно существуют, они позволят совершенно иначе взглянуть на гравитацию и Вселенную. Если вся наша Вселенная находится на бране, содержащейся в многомерном пространстве-времени, есть вероятность того, что существуют другие Вселенные, например на соседних бранах, которые могут влиять на нашу своей гравитацией. Более того, на основе взаимодействия между бранами можно сформулировать новый сценарий происхождения нашей Вселенной. И, соответственно, ее гибели.
Знакомьтесь: экпиротическая Вселенная.
Космические аплодисменты
Впервые я узнала об экпиротическом сценарии зарождения (и смерти) Вселенной на очень интересной лекции по физике в Кембриджском университете от одного из создателей данной модели, Нила Турока. Во второй раз я наткнулась на нее в научно-фантастическом рассказе об инопланетянах. Теоретические конструкции, разработанные для решения сложных проблем физики ранней Вселенной, нечасто упоминаются в художественной литературе, так что тот случай мне хорошо запомнился. Рассказ Лори Энн Уайт и Кена Уортона Mixed Signals («Смешанные сигналы») повествует о серии странных событий, связанных, как в итоге выяснилось, с гравитационными волнами. В частности, с необычайно мощными гравитационными волнами, не похожими на те, которые обычно возникают в результате столкновения черных дыр или нейтронных звезд. В конце концов, главные герои догадываются о том, что эти волны являются сигналами от разумных существ, посылаемыми через многомерный балк из другой браны. Авторы даже упоминают название экпиротической модели и объясняют, что, согласно этой теории, наша Вселенная представляет собой лишь одну из нескольких трехмерных бран, существующих в многомерном пространстве, в котором может распространяться только гравитация. И если гравитация способна распространяться через балк, то гравитационные волны могут представлять собой отличный механизм межбранной связи.
Хотя возможность существования других цивилизаций на соседних бранах не была технически исключена, главная цель этой гипотезы состояла в объяснении механизма происхождения и разрушения нашей Вселенной. Вскоре после той лекции и чтения научно-фантастического рассказа я приступила к написанию своей докторской диссертации по физике ранней Вселенной совместно с Полом Стейнхардтом, который вместе с Нилом Туроком работал над экпиротической моделью. Несмотря на то что меня больше интересовали другие теории происхождения нашего космоса, экпиротический сценарий то и дело всплывал в ходе групповых встреч и обсуждений. (Правда, инопланетяне почему-то так и не появились.)
С тех пор экпиротический сценарий был пересмотрен и обобщен, и последняя его версия вообще не предусматривает никаких дополнительных измерений. Однако, как это часто бывает в науке, новая идея, которая в итоге может оказаться неработающей, все же способна заставить нас посмотреть на проблему под другим углом и направить ход наших мыслей в совершенно новое (и, будем надеяться, более продуктивное) русло. Итак, начнем с рассмотрения исходной идеи. В конце концов, она предполагает невероятно драматический финал для нашего космоса.
Термин «экпиротический» происходит от греческого слова «воспламенение» и намекает на предполагаемое огненное происхождение Вселенной и такой же ее конец. Стандартная неэкпиротическая версия зарождения Вселенной предусматривает период космической инфляции[71], который мы обсуждали в главе 2. Инфляция вызывает резкое растяжение космического пространства в течение крошечных долей первой секунды существования Вселенной, после чего вследствие распада так называемого инфлатонного поля[72], ставшего причиной этого растяжения, космос наполняется огромным количеством энергии, что знаменует начало фазы Горячего большого взрыва. С другой стороны, исходная версия экпиротической модели предполагает, что ранняя Вселенная нагрелась в результате впечатляющего столкновения двух соседних трехмерных бран, одна из которых содержала то, чему предстояло стать нашим космосом. После столкновения браны отдаляются друг от друга, медленно расширяясь и дрейфуя в балке. Однако им суждено встретиться вновь. Экпиротический сценарий предполагает циклический процесс возникновения и разрушения космоса, повторяющийся снова и снова.
Лично я считаю, что все это обретет гораздо больше смысла, если вы используете самый старый инструмент физиков: свои руки.
Представьте, что ваша левая ладонь – это наша 3-брана, то есть трехмерная Вселенная, в которой мы живем. (Разумеется, данная иллюстрация не позволяет соблюсти масштаб.) Ваша правая ладонь представляет собой еще одну «скрытую» брану[73]. Сначала сложите ладони в молитвенном жесте. Это положение соответствует моменту космического творения – столкновения, которое вызывает исходное воспламенение. В этот момент обе браны наполнены невероятно плотной и адски горячей плазмой, в ней куются первые атомы и распространяются гудящие волны, которые мы в дальнейшем будем воспринимать в качестве флуктуаций в космическом микроволновом фоновом излучении. Теперь медленно разведите ладони на небольшое расстояние, удерживая их параллельно друг другу, а затем разведите пальцы. Этот жест иллюстрирует дрейф бран в многомерном балке. При этом пространство в каждой бране охлаждается и расширяется. Данная модель не предусматривает фазу инфляции, только постепенное расширение после столкновения. И это расширение происходит не в пределах балка, разделяющего браны, а в пределах самих бран, расположенных параллельно друг другу. В нашей бране (ваша левая ладонь) это пространство соответствует наблюдаемому сегодня космосу. Несмотря на то что мы не можем заметить свое удаление от другой браны, мы видим, как от нас удаляются галактики по мере расширения нашего трехмерного пространства и постепенного опустошения Вселенной в процессе тепловой смерти. Мы не знаем, что происходит на вашей правой ладони, соответствующей скрытой бране. Может быть, там тоже есть цивилизации, наблюдающие за опустошением их собственной Вселенной. Может быть, это тихое, пустынное место, где по какой-то причине материя так и не научилась организовываться в жизнеспособные структуры. Может быть, там водятся говорящие щенки. Если мы не сумеем обнаружить гравитационно-волновой сигнал от этой скрытой браны, мы так никогда и не узнаем ее истинную природу и даже не получим доказательств ее существования.
Теперь снова медленно сведите ладони, а затем хлопните в них. После того как браны разошлись на максимальное расстояние и расширились, они начинают притягиваться, чтобы затем снова отскочить друг от друга. Этот хлопок, или отскок, уничтожил все на обеих бранах, покончил с нашей Вселенной и породил новый Большой взрыв. Обе Вселенные вернулись в хаотическое состояние, то есть снова наполнились горячей плазмой, в которой исчезли практически все следы того, что когда-то существовало в этом пространстве. Теперь разведите ладони и повторите весь цикл. И еще раз. И еще. Как видите, мир на бране[74], или экпиротическая Вселенная, – это вечные, катастрофические космические аплодисменты.
И так по кругу, снова и снова
Вопросы о том, действительно ли мы живем на бране и существуют ли другие браны в многомерном балке, до сих пор остаются открытыми. Тем не менее идея циклической Вселенной имеет некоторую привлекательность, поскольку является одной из немногих разумных альтернатив теории инфляции, допускающей вероятность повторения ее успехов[75]. Какие формы в итоге примут модели инфляции и экпиротической Вселенной, пока не ясно. Новейшие экпиротические модели вообще не предусматривают никаких бран, в то время как некоторые современные версии инфляции допускают их существование. Основное различие между этими моделями заключается в том, что теория инфляции решает ряд космологических проблем с помощью периода быстрого расширения в очень ранней Вселенной, тогда как экпиротическая модель предусматривает для этого период медленного сжатия непосредственно перед отскоком. В модели мира на бране это происходит во время сближения бран. Как и инфляция, экпиротическая модель может оказаться