Фред Адамс - Пять возрастов Вселенной

Процесс квантово-механического туннелирования, обеспечивающий фазовый переход, при наличии достаточного времени произойдет самопроизвольно. Особое беспокойство вызывает один аспект этой потенциальной катастрофы: фазовый переход, а в принципе так и будет, может быть спровоцирован . Если строение вакуума имеет необходимую форму, то, при наличии нужной технологии, фазовый переход могут запустить живые существа: люди или кто-либо еще. В таком сознательно направленном случае фазовый переход начинается в четко определенной точке пространства и распространяется вперед, вновь приближаясь к скорости света. Фронт одной-единственной движущейся волны смел бы всю старую Вселенную, оставляя позади себя смерть, разрушение и только что родившееся новое состояние вакуума. Однажды начав движение, наступающий фронт продолжил бы двигаться по пути полной аннигиляции, и ничто не смогло бы остановить его. Подобное событие можно было бы сравнить с террористическим актом вселенского масштаба.

И все же существует еще один промежуточный вариант, вызывающий не меньшую тревогу. Фазовый переход в новое состояние вакуума может быть запущен случайно: живыми существами или природными условиями. Высокоскоростные столкновения космических лучей с чрезвычайно большими энергиями могут высечь ту самую искру, что подожжет запал фазового перехода: Можно представить и другие природные бедствия такого рода.

Будущий фазовый переход, который посредством квантового туннелирования охватит всю Вселенную, — один из наиболее умозрительных вопросов, рассмотренных в этой книге. И все же его присутствие здесь вполне уместно, потому что акт туннелирования из состояния фальшивого вакуума в состояние истинного вакуума изменяет природу Вселенной гораздо сильнее, чем практически любой другой физический процесс. Вселенная вполне могла бы оказаться на грани катастрофической неустойчивости.

Эта идея о космологическом фазовом переходе на самом деле не так уже необычна и неестественна, как это может показаться на первый взгляд. В самые первые мгновения истории космоса, сразу после Большого взрыва, Вселенная прошла через целый ряд фазовых переходов со смутно похожими характеристиками. Первый из этих фазовых переходов привел к невероятно быстрому расширению эпохи инфляции. Другой фазовый переход нарушил симметрию Вселенной и разбил силу электрослабого взаимодействия на две составляющие, которые мы называем электромагнитной силой и слабым ядерным взаимодействием. Еще один фазовый переход изменил юную Вселенную, когда свободные кварки объединились в составные частицы, называемые адронами (к ним относятся хорошо знакомые нам сегодня протоны и нейтроны). Вся эта деятельность, возымевшая столь значительное влияние на характер нашей Вселенной, произошла, когда космосу не исполнилось еще и секунды. Располагая почти безграничным временем, будущая Вселенная имеет множество возможностей пережить еще один потрясающий фазовый переход.

В будущей Вселенной есть место и для еще более странного поведения. Такая Вселенная способна даже на то, чтобы посредством квантового туннелирования, приблизительно напоминающего вышеописанное, спонтанно рождать новые «вселенные». В этом случае в пустом пространстве, в состоянии истинного вакуума с низкой энергией, образуется пузырь с фальшивым вакуумом более высокой энергии. Этот процесс ядрообразования, в сущности, противоположен тому, который мы описывали ранее. Если выделившийся пузырь достаточно велик, он будет расширяться с невероятно большой скоростью, как в эпоху инфляции, которая имела место в самом начале истории нашей Вселенной. Когда пузырь расширяется, он, в конечном итоге, становится причинно несвязанным с исходным пространством-временем нашей Вселенной. В этом смысле вновь созданный пузырь становится новой и отдельной Вселенной, которую можно считать «вселенной-ребенком».

Это создание новой вселенной довольно алогично. Каким образом из ничего образуется целая вселенная? Куда или во что она расширяется? Основная идея состоит в том, что недавно созданный пузырь нового пространства-времени никуда не расширяется; вернее говорить о том, что расширяется само пространство-время. Таким образом, новая вселенная создает свое собственное пространство, а не «пользуется» какой-то частью нашей Вселенной.

Чтобы проиллюстрировать эту концепцию, можно использовать диаграмму вложения — способ визуализации, который физики часто используют при изучении общей теории относительности (что уже обсуждалось в предыдущей главе). Мы представляем двумерный вариант Вселенной в виде листа резины, который при расширении Вселенной растягивается. Отклонение резинового листа от абсолютной плоской геометрии представляет собой кривизну пространства-времени, или, что аналогично, степень отклонения пространства-времени от евклидова или плоского. Таким образом, эта двумерная Вселенная вложена в трехмерное пространство, которое нам понятно. Реальная Вселенная имеет трехмерное пространство с дополнительным временным измерением: поскольку так много измерений нам представить не под силу, мы в качестве модели используем эту простую двумерную Вселенную.

С помощью этого метода мы можем визуально представить рождение новой «вселенной-ребенка» как образование в листе резины лунки или пузыря, что изображено на рис. 25. При расширении вновь созданная вселенная быстро превращается в огромную сферу, которую со старой плоской Вселенной связывает только узкая трубка. Это в высшей степени искривленное соединение со старой Вселенной является примером релятивистского пространственно-временного туннеля — особой разновидности моста, связующего различные части пространства-времени. В данном случае пространственно-временной туннель беспрепятственно соединяет вновь образованную вселенную с плоским пространством-временем материнской Вселенной. Однако при расширении новой вселенной этот туннель сжимается и в конечном итоге вообще испаряется. После исчезновения пространственно-временного туннеля материнская Вселенная полностью утрачивает причинную связь с новой вселенной, которая только тогда становится действительно самостоятельной вселенной.

Рис. 25. На этой диаграмме вложения изображено зарождение и последующее развитие новой вселенной. На верхнем рисунке показано образование зародыша, а следовательно, и начало образования новой вселенной. На среднем рисунке вновь созданная вселенная быстро растет, но все еще связана со старой вселенной (плоская область) посредством узкой трубки, представляющей релятивистский пространственно-временной туннель. На нижнем рисунке пространственно-временной туннель испарился, и новая вселенная отделилась от исходного пространства-времени материнской Вселенной, в которой она родилась