От большого взрыва до наших дней

Давайте отметим на временной шкале все, что на момент написания этой книги известно об истории нашей Вселенной, от Большого взрыва до настоящего времени. Под нашей Вселенной я понимаю то, что мы сегодня можем увидеть в телескоп, и то, что мы можем заключить из этих наблюдений о прошлом этой Вселенной. Мы рассмотрим будущее в следующем разделе и возможность существования других вселенных — в следующей главе.

Поскольку наши нынешние знания из области физики, основанные на экспериментах с ускорителями, доходят «всего лишь» до момента 10^-12 с после Большого взрыва, мы можем в лучшем случае гадать о более ранних временах. Впрочем, наши предположения вовсе не будут пустыми домыслами, если мы выстроим их на надежном фундаменте существующих знаний.

Читатель должен помнить, что я не претендую на описание того, что действительно существует в некой абсолютной метафизической реальности. Как я уже подчеркивал, моя философская позиция такова, что мы не можем достичь точного знания об этой реальности. Все, что мы можем, — это делать как можно больше наблюдений и описывать их с помощью математических моделей. Они основываются на близких человеку понятиях, определенных операционально, таких как время, пространство и температура. Далее приводится именно такое описание, где температуры приведены в электрон-вольтах. Не забывайте, что это упрощенная модель и наверняка не окончательная ее версия.

10^-43 с, 10²⁸ эВ. Планковское время. В планковское время наша Вселенная была пустой сферой планковских размеров — 10^-35 м. Любая модель, которая стремится описать пустую вселенную в понятных человеку терминах пространства и времени, максимально симметрична. Она заведомо будет содержать неявные принципы сохранения, которые люди называют законами, а я обозначил как метазаконы. Не было никакого законодателя, ни естественного, ни сверхъестественного. Эти модели автоматически следуют правилам квантовой механики и относительности, которые сами вытекают из симметрии. В частности, к ним относятся принцип неопределенности и уравнения Фридмана, с помощью которых мы моделируем то, что случилось дальше.

В отсутствие частиц квантовые флуктуации плотности энергии вакуума, или, если вам угодно, кривизна пространства-времени, заставили сферу расширяться и сжиматься. В неизвестный момент времени, который обычно принимают за примерно 10^м с, положительная флуктуация оказалась достаточно большой для того, чтобы вызвать инфляцию. Трение в расширяющейся Вселенной, предсказанное моделью, значительно замедлило возвращение к равновесному состоянию, и наша Вселенная экспоненциально расширилась на много порядков.

~10^-34 с, 10²⁴ эВ. Конец инфляции (точное время неизвестно). Подобно затуханию колебаний гармонического осциллятора, то же трение остановило инфляцию, и вслед за ней началось почти линейное хаббловское расширение. Первые частицы были образованы из потерянной энергии. Все они были безмассовыми.

В условиях максимальной симметрии силы, посредством которых частицы взаимодействовали, были унифицированы как единая сила. Максимальная симметрия включает в себя суперсимметрию, при которой каждая частица и ее суперпартнер идентичны и имеют нулевую массу.

По мере того как расширяющаяся Вселенная охлаждалась, произошла серия спонтанных (случайных, нерукотворных, непреднамеренных) фазовых переходов, которые нарушили симметрию и дифференцировали разные типы частиц и сил друг от друга. Это был первый этап развития асимметричной структуры во Вселенной. Частицы отделились от античастиц и получили легкое преимущество. Или, точнее говоря, те из них, которые получили преимущество, мы называем частицами, а прочие — «античастицами». Бозоны обособились от фермионов, поскольку суперсимметрия нарушилась. Лептоны дифференцировались от барионов (кварков). Гравитация отделилась от сил, описываемых моделью теории великого объединения (ТВО). Частицы оставались безмассовыми.

Далее, по мере дальнейшего охлаждения, симметрия ТВО нарушилась и сильное взаимодействие отделилось от электрослабого взаимодействия. Глюоны отделились от прочих бозонов. К тому моменту Вселенная состояла из всех частиц и античастиц стандартной модели, причем кварки и глюоны формировали сильно взаимодействующую кварк-глюонную плазму, а остальные частицы свободно перемещались вокруг, разбегаясь друг от друга в весьма плотной среде.

ПРИМЕЧАНИЕ

На большей части временных шкал, которые можно встретить в более ранних книгах и статьях, нарушающие симметрию фазовые переходы изображаются перед инфляцией, поскольку авторы предполагают, что инфлятонное поле представляет собой хиггсовское поле в ТВО (ТВОХ?). Однако это не обязательно так, и эпоха великого объединения и фазовые переходы вполне могли произойти после инфляции, когда уже были частицы, с которыми можно работать.

10^-10 с, 100 ГэВ. Нарушение электрослабой симметрии. С этого момента мы можем делать более точные утверждения, поскольку благодаря экспериментам на ускорителях мы уже понимаем физику, действующую в данных условиях. Примерно в это время электрослабое единство стандартной модели было разрушено, а электромагнитное взаимодействие отделились от слабого ядерного взаимодействия. В результате получились четыре различные силы, которые мы можем наблюдать сейчас: гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия. Возник бозон Хиггса и придал массу слабым бозонам и лептонам, тогда как массы фотона и глюона остались нулевыми. Таким образом, слабые силы оказались ограничены радиусом около 10–18 м, а электромагнитные силы по-прежнему действовали на бесконечно больших расстояниях. Кварки также приобрели массу по хиггсовскому механизму, но только частично и в основном благодаря сильным взаимодействиям с глюонами, которые сами по себе оставались безмассовыми и были погребены в кварк-глюонной плазме.

Суперчастицы, отошедшие на второй план после нарушения суперсимметрии, приобрели значительные массы, а самая легкая нейтральная суперчастица, возможно, стала темной материей. Но, как мы видим, в этом сценарии еще не появились суперсимметричные частицы, которые ожидалось обнаружить в БАК, так что остается некоторая неопределенность. Видимо, масса суперчастиц слишком велика, чтобы их можно было зафиксировать в этом коллайдере. Придется подождать, чтобы узнать наверняка.

10^-6 с, 1 ГэВ. Кварковый конфайнмент. Когда температура Вселенной понизилась примерно до 1 млрд. эВ, кварки и глюоны сформировали нуклоны и множество составных адронов, которые были открыты на ускорителях частиц в 1960–1970-х. Большинство из них оказались очень короткоживущими и распались, остались только протоны и нейтроны со своими античастицами, наряду с электронами, позитронами и фотонами. Все это находилось в квазиравновесном состоянии.

Примерно в то же время антинуклоны и нуклоны аннигилировали, оставив лишь одну миллиардную от первоначального числа протонов и нейтронов. Фотоны и лептоны преобладали.

1 с, 1 МэВ. Синтез легких ядер. Нейтрино рассеялись, образовав космический нейтринный фон. Начали формироваться легкие ядра. Все свободные нейтроны были включены в ядра или разложились на протоны, антинейтрино и электроны.

10 с, 100 кэВ. Аннигиляция позитронов. Позитроны и электроны аннигилировали, оставив лишь один из миллиарда электронов.

3 мин, 25 кэВ. Господство излучений. Ядерный синтез прекратился. Энергетическая плотность фотонов превысила таковую плотность у ядер, и излучения стали преобладать. Вселенная была непрозрачной, поскольку фотоны плавали в заряженной плазме из ядер и электронов, с которыми они взаимодействовали, как это происходит в плотном тумане.

60000 лет, 1 кэВ. Господство материи. Плотность ядер превысила плотность фотонов, и преобладание перешло от излучений к материи. Вселенная остается непрозрачной.

380 000 лет, 700 эВ. Рассеяние фотонов. Формируются атомы (рекомбинация), фотоны рассеиваются, и Вселенная становится прозрачной. Небо ярко-оранжевое и становится краснее по мере того, как Вселенная охлаждается. Начинает накапливаться атомное вещество, а также темная материя.

5 млн. лет, 0,01 эВ. Начинаются Темные века. Вселенная охладилась настолько, что фоновое излучение находится далеко за границами видимого спектра, и небо становится темным.

200 млн. лет, 0,002 эВ. Начинается образование звезд. Формируются первые звезды, и Темные века заканчиваются. Звезды намного больше Солнца и не содержат тяжелых элементов, поэтому они быстро сгорают и получается много сверхновых, которые синтезируют более тяжелые элементы. Излучение сверхновых заново ионизирует пространство и делает его слегка туманным, но даже и близко не настолько, как в Темные века. Свет все еще может проходить насквозь, хотя и несколько приглушается. Активные галактики, например квазары, тоже могли начать формироваться, усиливая ионизирующее излучение.

~1 млрд. лет, 0,001 эВ. Образование галактик. Формируются галактики. В них часто происходят столкновения и есть сверхновые, которые продолжают распространять в космосе тяжелые элементы, которые, в свою очередь, становятся ингредиентами для следующего поколения звезд. Эти звезды менее массивны и горят медленнее, подобно современным звездам. Образование активных галактик замедляется.

~6 млрд. лет, 4∙10^-4 эВ. Образование кластеров. Более плотные области начинают сжиматься и образуют всевозможные структуры галактических скоплений и сверхскоплений.

~7 млрд. лет, 4∙10^-4 эВ. Начинается ускорение. До этого времени расширение Вселенной замедлялось из-за преобладания материи и излучения, подверженных гравитационному притяжению. Однако их плотность падала, в то время как плотность темной энергии оставалась постоянной. Теперь ее плотность больше остальных, и поскольку ей свойственно отрицательное давление, то расширение Вселенной понемногу начинает ускоряться.

~8 млрд. лет, 3∙10^-4 эВ. Появляется привычная Вселенная. Формируются первые спиральные галактики.

9,1 млрд. лет, 3,2∙10^-4 эВ. Образуется Солнечная система. Формируются наше Солнце и планеты.

13,8 млрд. лет, 2,6∙10^-4 эВ. Настоящее время.

 

Будущее

Пусть предсказание будущего всегда рискованная задача, мы все же можем задаться вопросом, каким окажется наше будущее, если исходить из имеющихся знаний.

5 млрд. лет спустя. Прощай, Земля. Наше Солнце расходует последнее водородное топливо и становится красным гигантом, испепеляя Землю. В течение следующего миллиарда лет Солнце сжимается до белого карлика.

17 млрд. лет. Слияние. Млечный Путь и туманность Андромеды сливаются.

~40 млрд. лет. Заканчивается формирование структур. Экспоненциальное расширение, вызываемое темной энергией, перекрывает все оставшиеся гравитационные группирующие силы, и формирование структур прекращается.

~100 млрд. лет. Прощайте, другие галактики. Все остальные галактики вышли из зоны видимости Млечного Пути/туманности Андромеды, оставив эту галактику одинокой во Вселенной. В конце концов все оказывается вне зоны видимости всего остального.

~1 трлн. лет. Прощайте, звезды. Оставшиеся звезды начинают вымирать, оставляя после себя черные дыры, нейтронные звезды, бурые карлики и планеты.

10³³–10³⁷ лет. Прощай, материя. Протоны и другие тяжелые частицы распадаются, оставляя после себя газ из фотонов, электронов и нейтрино, который продолжает разжижаться вечно.

Никакой тепловой смерти. В главе 5 мы выяснили, что физики XIX века разработали концепцию тепловой смерти, при которой Вселенная должна непременно достичь равновесного состояния максимальной энтропии. Однако они все еще исходили из предположения, что Вселенная представляет собой небесную твердь, тела на которой сохраняют постоянную среднюю удаленность друг от друга. В этом случае энтропия Вселенной имеет свой максимум, который, как нам известно (а им известно не было), равен энтропии черной дыры того же размера.

Но тепловая смерть никогда не наступит. Вместо этого Вселенная продолжит неограниченно расширяться и разовьется до пространства де Ситтера в чистом виде, где любой произвольно взятый участок никогда не достигнет максимальной энтропии. Далее остается возможность, что Вселенная абсолютно замкнута, то есть параметр кривизны k = 1. Разумеется, инфляция предполагает, что Вселенная все еще очень плоская, более чем одна часть 10⁶⁰, но это возможно и при k = 1, когда Вселенная имеет небольшую положительную кривизну.

В любом случае, мы не можем надеяться на большое сжатие, при котором расширение останавливается, Вселенная сжимается обратно до планковской сферы и все начинается сначала. Это осциллирующая Вселенная, теория о которой в свое время была очень популярна, но это было до открытия темной энергии. Как было отмечено ранее, около 7 млрд. лет назад (на полпути до Большого взрыва) энергетическая плотность вещества и излучения упала ниже плотности темной энергии и расширение Вселенной начало ускоряться. Если источник темной энергии представляет собой космологическую постоянную или что-то очень похожее, то энергетическая плотность останется постоянной, тогда как излучение и материя исчезнут и Вселенная продолжит расширяться вечно.

 

Было ли у Вселенной начало

В 1970-е Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз показали, что в рамках общей теории относительности наша Вселенная начала свое существование как бесконечно малая точка бесконечной энергетической плотности в месте, называемом сингулярностью^{315}. Теологи, в частности Уильям Лейн Крейг, вырвали это из контекста и использовали, чтобы заявить, что пространство и время должны были быть созданы в этот момент, из чего следует, что у Вселенной было начало. Вслед за этим они развивают свою аргументацию — без всякого теоретического обоснования или эмпирического подтверждения — до того, что все, что начинается, имеет свою причину. В случае же Вселенной, при всей огромной куче несоответствий, этой причиной должен быть персонифицированный христианский Бог^{316}. Однако, как отметил Хокинг в своем бестселлере 1988 года «Краткая история времени», «на самом деле при зарождении Вселенной никакой особой точки не было… при учете квантовых эффектов сингулярность может исчезнуть [из теории]»^{317}. Пенроуз с этим согласился. Общая теория относительности — это не квантовая теория, и она неприменима там, где важны квантовые эффекты. Это относится, в частности, и к зарождению Вселенной.

Но Крейг и его правоверные коллеги никогда не сдаются. В споре с философом Алексом Розенбергом, который состоялся в университете Пердью 1 февраля 2013 года, и в других дискуссиях и публикациях Крейг ссылается на работу 2003 года Арвинда Борде, Алана Гута и Александра Виленкина (далее — БГВ), которая, по мнению Крейга, доказывает, что у Вселенной должно было быть начало^{318}. Следует отметить, что эта работа также основывается исключительно на общей теории относительности и не принимает во внимание квантовую механику.

Я спросил Виленкина, с которым много лет был знаком по работе: «Доказывает ли ваша теорема, что у Вселенной должно было быть начало?» Он ответил: «Нет. Но она доказывает, что у расширения Вселенной должно было быть начало. Теорему можно обойти, если принять, что до какого-то момента Вселенная сжималась»^{319}. То же отмечали Энтони Агирре и Стивен Граттон^{320}, а также Шон Кэрролл и Дженнифер Чен^{321}. Кэрролл мастерски вовлек Крейга в спор о космологии в Нью-Орлеане 21 февраля 2014 года^{322}.

На рис. 15.1 мы видим схему пространства-времени, изображающую мировые линии, которые представляют собой пути в пространстве-времени частиц, вылетающих из первоисточника расширяющейся Вселенной.

Рис. 15.1. Диаграмма пространства-времени, показывающая мировые линии частиц, которые исходят из первоисточника нашей Вселенной. Они могут быть продолжены в отрицательном направлении временной оси. Авторская иллюстрация

Теорема БГВ доказала, что все мировые линии должны были исходить из точки, которую мы можем интерпретировать как начало нашей Вселенной, то есть той, в которой мы живем. Другие авторы показали, что мировые линии можно продолжить через первоисточник по отрицательную сторону временной оси.

Короче говоря, у нашей Вселенной было начало, но это не обязательно было начало всего.

Крейг предложил очередной аргумент в пользу того, что у всего было начало и, следовательно, создатель. Если бы это было не так, заявил Крейг, то все бы началось бесконечное время назад, а в этом случае мы бы никогда не достигли настоящего момента^{323}.

Вспомните, как тот же аргумент использовал в VI веке Иоанн Филопон, а в IX веке — Якуб ибн Исхак аль-Кинди (см. главу 2). Теологические аргументы не умирают. Правда, и в тень они не уходят^[24].

В связи с этим стоит отметить, что большинство физиков и космологов (и даже многие математики) употребляют термин бесконечность не только тогда, когда они действительно имеют в виду «бесконечный» или «неограниченный», но часто просто в смысле «очень большое число». Однако, как показала блестящая работа математика Георга^{324}.

В 1925 году знаменитый математик Давид Гильберт (1862–1943) произнес речь, в которой сказал: «Бесконечное нигде не реализуется. Его нет в природе, и оно недопустимо как основа нашего разумного мышления»^{325}.

Я предполагаю, что под реализацией он подразумевал измерения наблюдаемых явлений, которые мы получаем из мира нашими научными инструментами. Кроме того, я не совсем понимаю, что Гильберт имел в виду, говоря, что понятие бесконечности недопустимо как основа для разумного мышления. Определенно его и Кантора работа с бесконечностью была в высшей степени разумной. И физики-теоретики не становятся неразумными, когда используют хорошо определенное математическое понятие бесконечности в своих теориях при условии, что не позволяют себе оплошности применять его к каким-то числам, измеренным нами, физиками-экспериментаторами, или же придавать ему онтологический, платоновский смысл.

Крейг цитирует Гильберта, чтобы подкрепить свой аргумент о начале всего. Если бесконечности на самом деле не существует, то все не может быть вечным, а значит, не могло и начаться бесконечное время назад. В противном случае потребовалось бы бесконечное время, чтобы достичь настоящего момента. Однако, как я подчеркнул в главе 2 при обсуждении того же аргумента, выдвинутого Филопоном, вечная Вселенная не началась бы бесконечное время назад. У нее не было бы начала. Если вы будете крутить часы назад и отсчитывать деления: -1, -2, -3… вы никогда не доберетесь до -∞. Временной промежуток от настоящего времени до любого момента в прошлом всегда будет конечным числом делений.

Кроме того, легко увидеть, что все не обязательно должно начинаться, если обратить внимание на то, что нет никаких оснований, чтобы оно заканчивалось. Космология свидетельствует, что наша нынешняя Вселенная просто продолжит расширяться вечно. Следовательно, поскольку время абсолютно симметрично (а общепринятое направление времени — это просто определение, основанное на бытовом опыте), то, даже если мы можем идентифицировать точку в прошлом как начало Большого взрыва, это не обязательно будет начало всего. Если нет конца, то не должно быть и начала.

 

В планковское время

На рис. 15.1 показаны мировые линии, проходящие через точку в первоисточнике схемы пространства-времени. Однако следует вспомнить, что согласно квантовой механике первоисточник должен представлять собой конечную область пространства и времени, а не бесконечно малую точку. Если эта область настолько мала, насколько возможно, она должна иметь планковские измерения, то есть представлять собой четырехмерную сферу с пространственным радиусом порядка планковской длины и временным измерением порядка планковского времени — малую, но не бесконечно малую точку. Вследствие принципа квантовой неопределенности такая сфера будет иметь массу, равную планковской массе, 10²⁸ эВ, а значит, соответствует основному критерию черной дыры, который описан в главе 6.

Поскольку мы не можем заглянуть внутрь черной дыры, у нас нет никакой информации о том, что происходило до планковского времени. Таким образом, самое раннее время, которое имеет какой-либо инструментальный смысл в нашей Вселенной, — это планковское время, 10^-43 с. Здесь нам снова следует провести границу между теорией и наблюдениями. Мы всегда можем записать уравнение, считая время непрерывной переменной, которая принимает сколь угодно малые значения, но мы в принципе не можем измерить временной интервал короче планковского времени. Именно поэтому я не удивляюсь, когда в какой-то теории, основанной на непрерывном пространстве-времени, возникают проблемы с бесконечностями. Эта теория всего лишь ошибочна и требует корректировки.

Как уже упоминалось, максимальная энтропия сферического тела равна энтропии черной дыры того же радиуса. Таким образом, в планковское время Вселенная находилась в состоянии полного беспорядка, или максимальной энтропии. Отсюда вытекает, что все, что могло происходить раньше, не оставило на нашей Вселенной ни малейшего следа — все, что могло сохраниться, является совершенно бессистемным. Поэтому даже если и было некое сотворение, божественное или естественное, то у нашей Вселенной не осталось об этом никаких «воспоминаний». Это исключает не только Бога большинства религий, но и деистического бога-творца эпохи Просвещения (см. главу 2). Единственный возможный бог — это «квантовый деистический» бог, который запустил Вселенную броском кости, а потом телепортировался в другую реальность. Но кому нужен такой бог, который никак ни на что не влияет?

Теперь вы можете спросить: если Вселенная начала свое существование с максимальной энтропией, не нарушает ли это второй закон термодинамики, гласящий, что энтропия в прошлом должна была быть меньше, чем сейчас? Нет, поскольку энтропия в прошлом и была меньше. Но тогда, спросите вы, как она могла быть меньше в прошлом, если в прошлом она была максимальной?

Очень просто. В планковское время энтропия была максимальной для сферы планковских размеров. По мере того как Вселенная расширялась в большом взрыве, увеличивалась и ее максимально возможная энтропия. Так что с планковского времени в ней появилось достаточно места, чтобы могли сформироваться локальные структуры, а потеря локальной энтропии при формировании структур компенсируется ростом энтропии среды, то есть всей остальной Вселенной.

 

Квантовая гравитация

Принято считать, что мы даже в теории не сможем описать события, происходившие до планковского времени, пока не разработаем квантовую теорию гравитации, которая вместит в себя все преимущества как квантовой механики, так и общей теории относительности. В настоящий момент квантовая теория поля включает специальную теорию относительности, но не общую.

Первые шаги в квантовой гравитации, сделанные Ричардом Фейнманом и другими в 1950-е, следовали образцу весьма удачной квантовой электродинамики. На место фотона со спином 1, который является носителем электромагнитного взаимодействия, был предложен безмассовый гравитон со спином 2, который должен был выполнять функцию носителя гравитационного взаимодействия между двумя массами.

Но этот математический аппарат просто не сработал, требуя других подходов, которым еще предстоит принести плоды^{326}. Большая их часть сильно зависит от суперсимметрии и может рассыпаться в прах, если суперсимметрия не подтвердится на БАК. В их числе теория струн, на которой практически целое поколение физиков-теоретиков построило собственную научную карьеру.

Гравитация определенно совсем не похожа на две остальные силы. Вы часто можете услышать даже от именитых физиков: «Гравитация в 10^м раз слабее электрических сил». Но это число представляет собой всего лишь отношение сил взаимодействий между протоном и электроном и не во всех случаях верно. Если вместо них вы возьмете две частицы с теми же электрическими зарядами, но с массами, равными, скажем, планковскои массе (величине более естественной, чем масса протона или электрона), то гравитация окажется в 137 раз сильнее, чем электрическая сила! Просто не существует никакого способа определить абсолютную силу гравитации так же, как это возможно для других взаимодействий.

Однако я могу предложить простое объяснение тому, что гравитация в масштабе элементарных частиц настолько слаба по сравнению с электромагнетизмом. Их собственные массы малы, они рождаются с нулевой массой и приобретают небольшую массу благодаря хиггсовскому механизму, описанному в главе 11. Я объясню это более подробно в главе 16.

Также следует вспомнить, что в общей теории относительности Эйнштейна явление гравитации происходит из кривизны пространства и в уравнениях не участвует никакая явная гравитационная сила. В данной модели Земля находится на орбите вокруг Солнца не потому, что сила гравитации Солнца притягивает ее посредством обмена гравитонами или чем бы то ни было, — она просто следует естественному пути, которому должна следовать в отсутствие всяких сил, — геодезической линии через пространство-время, которая как раз закругляется вокруг Солнца. Позже было высказано предположение, что гравитация может быть описана как «производное» явление, которое вытекает из стремления систем двигаться в сторону большей энтропии (см. обсуждение производности в главе 5)^{327}.

Даже если бы у нас была квантовая теория гравитации, похоже, что у нас не было бы возможности проверить ее предсказания в планковском состоянии, в котором она предположительно применима. Тем не менее квантовая гравитация вполне может иметь измеримые эффекты. Например, на расстояниях, близких к планковским, пространство-время должно быть «бугристым», то есть вместо гладкого континуума мы должны увидеть знаменитую квантовую пену, предложенную Джоном Уилером в 1955 году^{328}.

Как ни удивительно, оказывается, что эта пенистость, в принципе, обнаружима. Вспомните пассаж о гамма-всплесках в главе 13. Они происходят в далеких галактиках, на расстоянии миллиардов световых лет, и излучают фотоны высоких энергий. Считается, что это происходит в результате столкновения двух нейтронных звезд. Эти фотоны могут взаимодействовать с квантовой пеной и задерживаться на пути к Земле. Данный эффект можно наблюдать, если измерить время прибытия двух или более фотонов, которые были испущены одновременно в одном всплеске.

Используя данные о гамма-всплесках, полученные космическим гамма-телескопом Ферми, астроном Роберт Немирофф и его соавторы сравнили время прибытия гамма-фотонов разных энергий, излученных из одного источника. В случае гамма-всплеска GRB 090510, зарегистрированного в мае 2009 года на расстоянии 7 млрд. световых лет от нас, прибытие трех фотонов было зафиксировано в пределах 1 мс^{329}. Этот результат накладывает ограничения на размер пузырьков пространственно-временной пены — в 525 раз меньше планковской длины. Хотя результат требует независимого подтверждения, похоже, что пространство-время в наблюдаемой Вселенной гладко.

Может возникнуть вопрос, как это значение согласуется с утверждением, которое я высказал в главе 6, что никакое расстояние меньше планковской длины нельзя измерить. Ответ имеет отношение к разнице между теорией и экспериментом, которую я раз за разом подчеркиваю в этой книге. Реально было измерено вовсе не расстояние короче планковской длины. Тем не менее измеренное значение было включено в теоретическую модель, в результате предсказавшую ограничение на размер пузырьков, которые должны быть значительно меньше планковской длины. Но само это число существует только в рамках модели, а не в прямом наблюдении.

 

Бивселенная

Теперь давайте поставим вопрос, что могло существовать по отрицательную сторону нашей временной оси, то есть до t = О в нашем прошлом. Откуда же взялась эта первичная сфера абсолютного хаоса? Хотя у нас нет никакой эмпирической информации о том, что могло происходить до планковского времени, мы все еще можем применить наши наиболее глубокие теоретические знания, то есть общую теорию относительности и квантовую теорию, которые были основаны на эмпирических свидетельствах из более позднего времени.

В книге и статье 2006 года я описал сценарий, который обосновывает естественное происхождение нашей Вселенной и вытекает из общепризнанной физики и космологии^{330}. Он строится на модели, предложенной в 1982 году Дэвидом Аткацем и Хайнцем Пейджелсом^{331}. Я выработал этот сценарий чисто математически на уровне, доступном для студента-физика, в значительной степени полагаясь на очень приятное учебное пособие, опубликованное Аткацем в 1994 году, «Квантовая космология для пешеходов»^{332}. Здесь я только кратко опишу порядок действий.

В 1982 году Аткац и Пейджелс показали, каким образом наша Вселенная могла появиться благодаря квантовому туннелированию. Этот механизм был предложен Виленкиным в 1982 году^{333}, а также Джеймсом Хартлом и Стивеном Хокингом в 1983 году^{334}.

Начнем с уравнений Фридмана для пустой, гомогенной, изотропной Вселенной с положительной кривизной, то есть с параметром кривизны k = +1. Хотя наша Вселенная очень близка к плоской, из этого не обязательно следует, что глобальный параметр кривизны k = 0; она может иметь k = +1 или k = -1 и все еще быть очень, очень плоской после инфляции. Аткац и Пейджелс показали, что туннелирование работает только при k = +1.

Имея в распоряжении это уравнение, мы следуем стандартным правилам, согласно которым нужно перейти от классического уравнения к квантово-механическому, заменив действительные числа математическими операторами^[25]. Результат выглядит неожиданно просто. Вы получаете квантово-механическое, не зависящее от времени уравнение Шрёдингера для нерелятивистской частицы с массой, равной половине планковскои массы, и нулевой полной энергией, которое имеет единственное измерение, представляющее собой космологический масштабный коэффициент Вселенной, который мы можем принять за радиус Вселенной. Следует отметить, что это просто математическое тождество и из него не следует, что такая частица существует.

Выведенное уравнение — это упрощенная форма уравнения Уилера — Девитта, решение которого гордо именуется волновой функцией Вселенной^{335}. При стандартном квантово-механическом подходе к интерпретации волновых функций квадрат амплитуды волновой функции Вселенной определяет вероятность нахождения конкретной Вселенной среди ансамбля похожих вселенных.

Итоговый сценарий проиллюстрирован схемой пространства-времени на рис. 15.2. Время t изображено вертикально, а два из трех измерений пространства, x и y, показаны в перспективе. В каждый момент времени расширяющаяся сферическая Вселенная спроецирована на окружность, перпендикулярную временной оси. Она развивается из сферы планковских размеров, расположенной в начальной точке, t= 0.

Рис. 15.2. Схема пространства-времени, изображающая нашу Вселенную и зеркальную Вселенную, которые развиваются из одной планковской сферы в противоположных временных направлениях. Одно пространственное измерение скрыто, поэтому сферические вселенные и планковская сфера спроецированы на окружности. Авторская иллюстрация

Также показана зеркальная Вселенная на противоположной стороне временной оси. Если мы посмотрим на уравнения Фридмана и другие космологические уравнения, то увидим: ничего в них не запрещает отрицательное время. Зеркальная Вселенная развивается из той же планковскои сферы в противоположном временном направлении. Заметьте, что это не противоречит картине временных линий, изображенной на рис. 15.1.

А вот следствие, которое редко отмечают: поскольку зеркальная Вселенная существует в нашем прошлом, ее стрела времени направлена противоположно нашей. Как мы узнали из главы 5, в физических уравнениях не используется направление времени. Привычная, обиходная стрела времени — это исключительно статистическое определение, в котором будущее время — это направление наиболее вероятных событий, в соответствии с ростом энтропии нашей Вселенной^{336}. Таким образом, поскольку зеркальная Вселенная расширяется в противоположную сторону от нашей, направление стрелы времени, которое было бы определено наблюдателем в этой вселенной, противоположно нашему.

Поскольку планковская сфера не содержит никакой информации или структуры, она функционально неотличима от ничего, и мы имеем две вселенные, туннелирующие из ничего. Я назову нашу Вселенную и ее зеркальную пару Бивселенной.

Я должен добавить, что мы не предполагаем, что зеркальная Вселенная идентична нашей, поскольку она ровно с такой же вероятностью будет подвержена случайности, как и наша.

Хотя я не могу доказать, что наша Вселенная появилась именно таким образом, никто еще не доказал обратного. То есть мы имеем правдоподобный сценарий естественного, нерукотворного происхождения Вселенной, основанный на общепризнанных физике и космологии. Это только один из нескольких предложенных сценариев, но он впечатляет меня своей явной простотой по сравнению с остальными, поскольку он не требует никаких новых допущений, используя только общепризнанные физику и космологию. По меньшей мере Бивселенная позволяет опровергнуть любое заявление о том, что наша Вселенная могла появиться только в результате сверхъестественного творческого акта.

Здесь читатель может спросить, откуда взялись общепризнанная физика и космология. Пожалуйста, запаситесь терпением. Скоро мы доберемся до этого вопроса.

 

Мультивселенная

Если возможны две вселенные, то почему не три, или четыре, или любое другое количество? В 1980-е ученые осознали возможность того, что наша Вселенная может быть лишь одной из неограниченного числа похожих, но не идентичных вселенных. Эта совокупность была названа Мультивселенной. Как мы узнали из главы 12, вскоре после того, как физики предложили идею инфляции, ученые поняли, что если наша Вселенная образовалась из пузырька, то таким же образом вполне могли появиться и многие другие вселенные.

С самого начала теисты яростно возражали против самого понятия множественных вселенных. Практически все мировые религии проповедуют Божественное сотворение единственной Вселенной, центральное место в которой отведено человечеству. Мультивселенная ставит эту веру под сомнение.

Седьмого июля 2005 года кардинал Кристоф Шенборн, архиепископ Вены, написал в «Нью-Йорк таймс»: «Космологическая гипотеза о Мультивселенной была придумана, чтобы обойти несомненные свидетельства целенаправленного творческого замысла, найденные современной наукой»^{337}.

Естественно, церковь возражала и тогда, когда Коперник переместил Землю из центра Солнечной системы. А когда Джордано Бруно сказал, что наша планета — всего лишь одна из многих планет, вращающихся вокруг многих солнц, они сожгли его на костре. Теисты говорят о смирении, но им вовсе не нравится, когда наука требует от них смириться.

Уильям Лейн Крейг высказался аналогично Шенборну. В ходе дискуссии в университете Пердью Крейг сказал: «Поборники случайного возникновения мира были вынуждены заявить о множественности миров других вселенных, желательно бесконечно многочисленных и неупорядоченных, чтобы подходящие для жизни вселенные могли случайно появиться где-нибудь в этом множестве»^{338}.