Мультивселенная — благодатное поле деятельности и для писателей-фантастов, герои произведений которых часто скачут из вселенной во вселенную на суперзвездолетах (иногда, правда, авторы путают галактики и вселенные). Кстати, одно из первых художественных описаний своеобразной Мультивселенной было дано знаменитым польским писателем Станиславом Лемом в «Новой космогонии» (1971 год). «Новая космогония» — это речь вымышленного лауреата Нобелевской премии Альфреда Тесты, в которой он описывает Вселенную, разбитую на отдельные «ячейки». Внутри ячеек существуют «различные разновидности физики» и «цивилизации могли возникнуть лишь в немногих очагах, значительно удаленных друг от друга». Собственно фантастика начинается дальше, когда Теста описывает эволюцию такой Вселенной как своего рода состязание или игру сверхцивилизаций, возникших в некоторых из ячеек, по переделке законов физики внутри своих ареалов обитания и во Вселенной в целом.
Все написанное выше можно отнести к общим рассуждениям. Есть ли какие-нибудь физические основания в поддержку существования Мультивселенной? Первые свидетельства такой возможности появились в теории инфляции. Эта теория возникла на рубеже 1970–1980-х годов усилиями ряда российских и зарубежных физиков-теоретиков (Алексей Старобинский, Андрей Линде, Алан Гут и др.). К этому времени в космологии накопился ряд проблем, неразрешимых в рамках стандартной фридмановской космологии. Например, каким образом во Вселенной установилось однородное и изотропное распределение материи на больших масштабах, почему разные, очень далеко разнесенные и причинно не связанные области Вселенной имеют одинаковые свойства, почему глобальная геометрия нашего мира близка к евклидовой? Теория инфляции успешно разрешила эти и другие проблемы фридмановской космологии, но, естественно, породила новые.
Основой теории инфляции является представление о существовании так называемого скалярного поля — особого вида материи, обладающего огромной плотностью и отрицательным давлением. Отрицательное давление означает, что эта среда порождает мощные силы гравитационного отталкивания. Скалярное поле испытывает квантовые флуктуации и в нем возникают области с большими значениями поля, которое начинает вести себя как космологическая постоянная и которое приводит к возникновению быстро расширяющихся областей.
В самом начале эволюции нашей Вселенной, еще до стадии Большого взрыва, был период такого сверхбыстрого ускоренного расширения (или раздувания) — инфляции. Инфляция длилась ~10-34 с, и за это время размер флуктуации вырос в огромное, невообразимое число раз. В некоторых вариантах теории этот рост составляет 101010 раз! В итоге, в конце инфляционной стадии исходная флуктуация плотности, имевшая так называемый планковский масштаб (~10-33 см), вырастает до колоссальных размеров, во много раз превышающих размер доступной наблюдениям современной Вселенной. Это объясняет однородность и изотропию, а также плоскую геометрию Вселенной — она представляет собой лишь крошечную часть чего-то гораздо большего, подобно тому, как небольшой участок поверхности огромного шара в первом приближении можно считать плоским, хотя сам шар, естественно, сильно искривлен.
В конце инфляции скалярное поле распадается, энергия поля переходит в энергию обычного вещества и возникает то, что уже знакомо по космологии Фридмана, — расширяющийся по инерции (начальные скорости расширения сформировались в конце стадии инфляции) сверхплотный сгусток элементарных частиц. Тем самым, можно сказать, что стадия инфляции подготавливает горячий Большой взрыв, создавая высокотемпературную плазму и заставляя новорожденную Вселенную расширяться (рис. 44). Или, другими словами, расширение Вселенной — следствие условий, сложившихся по окончании стадии инфляции, а сама инфляция — следствие определенных свойств скалярного поля. В настоящую эпоху Вселенная начинает потихоньку разгоняться под действием другого скалярного поля — того, что выше обсуждалось под названием «темная энергия»[33].
Рис. 44. Основные этапы эволюции нашей Вселенной: Вселенная возникла в ходе квантовой флуктуации скалярного поля почти 14 млрд лет назад, затем последовала фаза инфляции, примерно через 400 000 лет после начала сформировалось наблюдаемое сейчас реликтовое излучение, первые звезды и галактики начали образовываться через несколько сотен миллионов лет и, наконец, несколько миллиардов лет назад торможение расширения Вселенной начало постепенно сменяться ускоренным расширением под влиянием темной энергии. (Рисунок с сайта map.gsfc.nasa.gov.)
Представим себе, что скалярное поле неоднородно и его плотность случайным образом меняется, тогда в тех областях, где поле большое, начинается инфляция и возникают, по словам А. Линде, «острова в первичном хаосе» — другие вселенные. Следовательно, в таком варианте инфляционной теории мы естественным образом приходим к картине Мультивселенной, в которой наша Вселенная — лишь одна из многих. Вот как об этом написал сам автор модели хаотической инфляции Андрей Линде: «В результате квантовых скачков скалярных полей вселенная оказывается разделенной на бесконечное множество экспоненциально больших областей с различными законами физики при малых энергиях. Каждая из этих областей настолько велика, что практически может рассматриваться как отдельная вселенная: существа, ее населяющие, будут жить экспоненциально далеко от ее границ, и потому никогда ничего не узнают о существовании других „вселенных“ с другими свойствами».
Итак, из приведенного выше упрощенного описания следует, что возникновение Вселенной и Мультивселенной объясняется свойствами предшествующего им скалярного поля. Скалярное поле — это простейший вариант поля. Оно характеризуется единственным значением какой-либо величины в каждой точке, причем значение этой величины может меняться от места к месту и со временем. Примерами скалярного поля являются распределения температуры или высот над уровнем моря по поверхности Земли. Согласно современным представлениям, Вселенная заполнена рядом скалярных полей, задающих вакуум, а также массы частиц и то, как они взаимодействуют. Говоря об этих полях, сложно не вспомнить апейрон античных философов!
Однако не является ли введение этого поля неким произволом и не подобраны ли его свойства искусственным образом так, чтобы объяснить рождение вселенных? Даже если это и так, ничего плохого в этом нет, так как гипотеза о скалярном поле позволяет единообразным образом объяснить очень широкий круг явлений. Однако скалярные поля известны в физике уже давно — они естественным образом возникают «на кончике пера» теоретиков. Например, один из столпов Стандартной модели физики элементарных частиц — модель Вайнберга-Салама — основывается на существовании особого скалярного поля, поля Хиггса, которое отвечает за появление массы у фундаментальных частиц, таких как кварки и электроны. Механизм появления массы можно представить, например, как движение пловца в бассейне — вода (поле Хиггса) сопротивляется движению пловца, и это сопротивление ощущается как масса. Важное уточнение — поле Хиггса, в отличие от воды, сопротивляется только ускоренному движению. Частица, двигающаяся через это поле с постоянной скоростью, не тормозится, торможение начнется лишь при попытке ускорить или замедлить ее движение. Те частицы, которые сильно взаимодействуют с полем Хиггса, являются тяжелыми, слабовзаимодействующие — легкими. Фотон проходит через это поле без сопротивления, и он не имеет массы. Бозоном Хиггса (или просто частицей Хиггса) называют квант поля Хиггса[34].
Стандартная модель успешно подтверждена множеством экспериментов и единственное оставшееся неподтвержденным предсказание — существование бозона Хиггса — в скором времени может быть проверено на Большом адронном коллайдере. Так что обнаружение бозона Хиггса даст, пусть и косвенный, аргумент в пользу теории инфляции!
Еще один независимый взгляд на Мультивселенную возник из активно развиваемой в последние десятилетия теории струн. Согласно этой теории, элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий крошечных (размером ~ 10-33 см) одномерных струн. Все известные элементарные частицы интерпретируются как различные режимы их колебаний. Продольные размеры струн очень малы и поэтому на масштабах, превышающих планковский, они выглядят как точечные объекты. Теория струн очень сложна и пока что не является полноценной, непротиворечивой и законченной теорией, а представляет собой отдельные фрагменты будущего подхода, который, как многие надеются, когда-нибудь сможет стать единой теорией всех известных физических взаимодействий.
Одним из результатов теории струн является предсказание существования огромного количества (по некоторым, конечно, очень грубым оценкам, ~ 10500) различных типов вакуумов (см. раздел 2.6), поддерживающих совершенно разные частицы, взаимодействия, значения фундаментальных постоянных и даже разное количество пространственных измерений. Эта совокупность вакуумов получила название струнного ландшафта. Объединение ландшафта с инфляционной космологией породило представление о Мультивселенной, состоящей из вселенных — раздувающихся «пузырьков» — со всеми возможными типами вакуумов. Мы живем в одном из редких пузырьков, в нашей Вселенной, где физические законы оказались благоприятны для возникновения жизни.
Возможное существование немыслимого, невообразимого, почти бесконечного набора разнообразных вселенных возродило старую идею о существовании «клонов» Вселенной и земной цивилизации. Вот что пишет об этом Александр Виленкин, американский физик русского происхождения, в книге «Мир многих миров»: «Удивительным следствием этой новой картины мира является существование бесконечного числа миров, идентичных нашему. Да, дорогой читатель, десятки ваших дублей держат сейчас в руках эту книгу