Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Но может ли такая идея, как бы безумно она ни звучала, оказаться чем-то большим, чем просто умозрительным экспериментом? Может ли ее подтвердить физика? Каждая научная гипотеза должна быть экспериментально проверяемой. Для ее подтверждения или опровержения необходимо провести опыты или собрать данные наблюдений. Учитывая, что мы не располагаем никакими свидетельствами того, что живем в мультивселенной (и такие свидетельства, вполне вероятно, вообще невозможно получить), эту теорию следует рассматривать с большой осторожностью, внимательно анализируя все те данные, которые у нас уже имеются и которые мы можем получить в будущем.

Для начала давайте рассмотрим понятие ускоренного космического расширения. Есть ли у нас основания верить в его существование? Конечно! В 1998 году мы получили убедительные доказательства того, что живем в расширяющейся Вселенной, работающей на темной энергии. Это блестящее открытие, о котором нельзя забывать. Оно кажется еще более интересным, если вспомнить, что ускоренное расширение началось всего пять миллиардов лет назад. Иными словами, фазы космического расширения не просто реальны, но имеют начало и, вероятно, конец. Пять миллиардов лет – это точное время формирования нашей Солнечной системы. Иногда эту ситуацию называют проблемой совпадения. Почему расширение космоса началось именно в этот момент, а не раньше и не позже?

Еще одним весомым подтверждением существования периода активного расширения является инфляционная космологическая модель, предложенная в 1981 году американским космологом Аланом Гутом. Это оригинальная модель инфляции космоса, которая впоследствии повлияла на идеи Линде и Виленкина. Гута интересовали некоторые вопросы, на которые не могла ответить стандартная модель Большого взрыва (описывающая появление Вселенной из горячей первобытной смеси материи и излучения 13,8 миллиарда лет назад). Во-первых, почему космос имеет плоскую геометрию? Почему она не является закрытой или открытой? Во-вторых, температура фонового излучения во всей Вселенной одинакова до одной стотысячной доли градуса. Откуда взялась такая тонкая настройка? Размер космического горизонта при расщеплении не позволяет нам верить в ее существование. Для того чтобы иметь сегодня одинаковую температуру, частицы и фотоны в процессе расщепления должны были бы взаимодействовать на огромных расстояниях, превышающих те, которые были допустимы их горизонтом. Во всей Вселенной (как в горячей ванне) температура регулируется за счет столкновения частиц (молекул воды) друг с другом. Чем больше ванна, тем больше времени требуется, чтобы вода в ней нагрелась или охладилась равномерно. Точно так же излучению в расширяющейся Вселенной требуется время на то, чтобы урегулировать ее температуру. И с момента расщепления времени прошло недостаточно. Учитывая это, откуда фотоны по другую сторону неба знают, какую температуру поддерживать?

Гут предположил, что молодая Вселенная пережила краткий период ускоренного расширения, который он назвал инфляцией. Его идея была аналогична приведенной выше метафоре мяча на склоне холма. Хиггсово поле оказывалось в метастабильном состоянии, и до тех пор, пока его состояние не изменялось, Вселенная расширялась в геометрической прогрессии. Андрей Линде и Андреас Альбрехт из Калифорнийского университета в Дейвисе, а также Пол Штейнхардт из Принстона быстро поняли, что в модели Гута существовал недочет, который они назвали элегантным выходом: поле оставалось бы в метастабильном состоянии слишком долго для формирования той Вселенной, которую мы наблюдаем. Независимо друг от друга они скорректировали модель Гута, представив ее энергетический профиль как плоское плато. Именно это натолкнуло Виленкина на его идею вечной инфляции.

Инфляция объясняет, почему Вселенная имеет плоскую форму. Небольшой участок, раздираемый в разные стороны магнитудами разного порядка, будет казаться плоским, даже несмотря на то, что он может быть элементом огромной сферической поверхности. В таком случае наш космический горизонт – это всего лишь небольшая часть гораздо большей Вселенной, недоступной нашим наблюдениям. Инфляция также объясняет, почему значения фонового излучения остаются неизменными во всей Вселенной. Если весь доступный нашему наблюдению космос произошел из одного раздутого участка пространства, логично предположить, что частицы и фотоны в нем будут иметь одинаковые термальные характеристики.

Но инфляция помогает нам сделать еще один шаг вперед. Помните квантовые скачки, из-за которых новые вселенные возникают как грибы после дождя? Те же самые скачки, которые заставляют колебаться поле на различных участках пространства, приводят к возникновению небольших энергетических флуктуаций. Участки расширяющегося космоса можно сравнить с поверхностью озера в ветреную погоду – где-то энергии немного больше, а где-то немного меньше. Благодаря инфляции эти крошечные квантовые неровности раздуваются в участки поля астрономических масштабов. Теперь давайте быстро вернемся в прошлое, в момент расщепления, к началу формирования водорода. Так как гравитация – это сила притяжения, участки с повышенной или пониженной плотностью будут притягивать к себе соответственно больше или меньше материи, заставляя ее концентрироваться в определенных местах, как дождевую воду в лужах. По сути, участки с повышенной плотностью привели к появлению галактик и скоплений галактик во Вселенной. В то время космос был похож на старую грязную дорогу с выбоинами и кочками – вокруг кочек скапливалось меньше материи, а в рытвины попадало больше. Иными словами, инфляция представляет собой механизм для описания зарождения галактик. Так как фотоны тоже попадают в выбоины и трещины дороги, инфляция также предсказывает, что эти несоответствия будут оставлять свои следы в фоновом излучении в форме крошечных температурных флуктуаций (появления более горячих и более холодных точек). Эта пестрая температурная карта была исследована с высокой точностью с помощью спутника Wilkinson Microwave Anisotropy Probe и европейской орбитальной исследовательской станции «Планк». Удивительно, но полученные данные практически совпадают с данными некоторых моделей на основе теории инфляции. Это дает космологам основания полагать, что молодая Вселенная действительно когда-то пережила период ускоренного роста.

Если это так и если наш космический горизонт действительно является практически плоским, Вселенная должна быть куда больше, чем мы можем увидеть, и должна простираться намного дальше наблюдаемой Вселенной. Несмотря на то что исследователи до настоящего времени не делали никаких определенных заявлений относительно существования бесконечностей в Природе, Вселенная наверняка невероятно огромна и, возможно, бесконечна. Соответственно, есть все основания полагать, что в ней могут существовать и другие участки инфляции, на что указывает вечная инфляционная модель.

Ключевым фактором инфляции, разумеется, является скалярное поле. Можем ли мы быть уверены в том, что такое поле существовало на ранних стадиях космической эволюции? Нет, по крайней мере пока. Однако успех стандартной модели физики частиц и недавнее открытие бозона Хиггса подтверждают гипотезу о том, что при высоких уровнях энергии может существовать что-то вроде бозона Хиггса, оказывающее аналогичное влияние на космическое расширение. Скалярные поля используются во многих моделях, созданных для того, чтобы расширить наши текущие знания о физике частиц за пределы стандартной модели. К примеру, довольно перспективна теория суперструн. Даже если вас не привлекают модели, в которых используется суперсимметрия, вы все равно можете быть уверены в том, что новая физика будет иметь дело с более высокими энергиями, чем те, которые мы можем измерить на сегодняшний день, и, вероятно, найдет потенциальных кандидатов (поле или несколько полей) на роль движущей силы инфляции.