Борис Штерн - Прорыв за край мира

• В главе 6, посвященной Фреду Хойлу, упоминалась тройная гелиевая реакция как его главное достижение и как единственный мостик от легких к тяжелым элементам в звездном нуклеосинтезе. Эта реакция идет благодаря резонансу ядра углерода при удачной энергии. Стоит немного изменить константу ядерных взаимодействий, и реакция блокируется, а Вселенная остается без тяжелых элементов.

• Звезды горят потому, что во Вселенной осталось много водорода, и образовалось только 20 % «негорючего» гелия. Если бы чуть усилить сильные взаимодействия относительно электромагнитных, появилось бы новое стабильное ядро — дипротон.

И тогда всё вещество Вселенной в первые минуты перешло бы в форму гелия. Звезды бы не зажглись.

Еще более ужасающая возможность — облегчить нейтрон на одну тысячную, тогда он бы стал стабильным, и не было бы ни электронов, ни атомов — одни нейтроны.

Есть и другие способы разрушить наше комфортное мироздание, слегка чего-нибудь изменив в нем. О некоторых мы поговорим ниже, а пока сказанного достаточно, чтобы понять, что объем в пространстве значений физических констант, допускающий существование жизни, ничтожно мал. Будто физические константы специально подогнаны таким образом, чтобы мы могли существовать.

Теперь давайте взглянем на Землю: на ней тоже всё как будто специально подогнано для нашего существования: температура, атмосфера, вода, стабильная орбита, хороший наклон оси вращения, слабая бомбардировка астероидами благодаря Юпитеру, очистившему пространство от космического мусора. Но ведь мы точно знаем о существовании других планет и множества других планетных систем, где условия совсем иные. Так там никто и не живет. Мы могли появиться лишь в одном из относительно немногих миров — в том, который благодаря стечению обстоятельств как будто специально подогнан под существование жизни.

То же самое и со Вселенной, если:

• вселенных очень много, возможно, бесконечно много;

• все они разные, возможно, с разными законами физики, разными константами взаимодействий, разными наборами частиц, причем конкретная реализация случайна.

Вот мы и появились там, где могли, где нейтрон тяжелей пары протон + электрон, где углерод имеет ядерный резонанс с нужной энергией и так далее. Возможно, в пространстве параметров существуют и другие благоприятные «острова», где возможна какая-то другая жизнь, совсем не похожая на нашу. И там разумные обитатели будут удивляться удачной подстройке физических величин. А в большинстве вселенных, где не произошло благоприятной случайности, некому посетовать на неудачные значения физических констант.

Это и есть суть антропного принципа.

Он снимает некоторые вопросы, перекладывая ответственность за какие-то факты на случайность. Почему именно таковы массы кварков? Они определяются константами взаимодействия кварков с полем Хиггса, и величина этих констант ниоткуда не следует. Но если их изменить — «поедет» всё — энергия резонанса ядра углерода, стабильность и энергия связи ядер, — и мир изменится так, что мы не сможем жить. Антропный принцип намекает, что эти константы — результат случайности в биографии нашей Вселенной, и вместо объяснения этих конкретных значений заставляет искать механизм, дающий случайные реализации физических констант. Это делает поиск более осмысленным. В данном конкретном случае мы пока не знаем точного ответа, но имеем ряд правдоподобных гипотез. Например, фазовый переход вакуума в самой ранней Вселенной (см. главу 16). Есть и другой механизм случайной реализации, о нем будет сказано ниже.

Антропный принцип предполагает существование огромного множества вселенных. Предположение о множественности вселенных становится естественным сразу, как только Вселенная признана физическим объектом. Но хотелось бы еще знать, каков конкретный механизм производства этого огромного множества. Оказывается, космологическая инфляция делает и это, что первым понял Андрей Линде.

Оказывается, инфляция, раз начавшись, не может закончиться! Напомним, «мотором» инфляции является скалярное поле (инфлатон), скорость инфляции пропорциональна квадратному корню из плотности его энергии. Для определенности предположим, что плотность энергии растет с величиной поля (это не обязательное, но удобное предположение, имеющее место во многих моделях). Если пренебречь квантовыми эффектами, то величина поля постепенно снижается, плотность энергии тоже. Причем, чем ниже падает плотность энергии, тем быстрее ослабляется поле — всё заканчивается его диссипацией в частицы и переходом на фридмановскую стадию расширения.

Существует некий люфт в терминологии, требующий уточнять понятия по мере углубления в предмет обсуждения. Что такое Большой взрыв? Многие понимают под Большим взрывом некое самое-самое начало расширения пространства. Можно было бы назвать Большим взрывом некий старт инфляции. Однако исходя из сказанного ниже этот «старт инфляции» теряет всякую определенность. Но в истории Вселенной есть совершенно четкий момент: окончание инфляции, связанное с ним «выгорание» поля-инфлатона и переход к горячей Вселенной, расширяющейся по закону Фридмана. Будем называть «Большим взрывом» именно этот момент — как только он произошел (а он происходит за очень короткое время), вселенная с ее огромной энтропией и большим будущим состоялась. Именно это и есть общепринятое определение Большого взрыва в среде профессиональных космологов. Однако, оно не общепринято среди популяризаторов науки, примером чего служит рисунок, обошедший недавно мировые средства массовой информации. Он иллюстрирует историю Вселенной, где Большой взрыв изображен неким ярким сферическим ореолом, предваряющим стадию инфляции. Но вернемся к процессу инфляции.

Если пренебречь квантовыми эффектами, то инфляция идет везде одинаково и везде одинаково заканчивается: Большой взрыв произойдет одновременно во всем пространстве (будем считать его замкнутым). Возникнет одна гигантская однородная вселенная.

Теперь вспомним про квантовые эффекты. В главе 26 мы писали про то, что при расширении пространства вакуумные квантовые колебания инфлатона переходят в реальные неоднородности — флуктуации плотности. У этих неоднородностей есть типичный размер (в принятых выше предположениях — 10 -27см) и характерное время формирования, типа 10 -37с. Их амплитуда скорее всего относительно невелика, но и поле меняется медленно. Может оказаться так, что флуктуация по амплитуде больше, чем изменение поля за время ее появления, — это выполняется легко. Если это флуктуация со знаком плюс, тогда она может увеличить значение поля, если со знаком минус — поле уменьшается быстрее, чем обычно.