Олег Фейгин - Квантовые миры Стивена Хокинга

Хотя в квантовой инфляционной космологии еще очень много белых пятен, да и сам по себе механизм инфляции малопонятен, Хокинг вместе с коллегами создал несколько вариантов инновационных сценариев вечной инфляции. Эта парадоксальная концепция предполагает, что квантовые флуктуации, подобные той, которая, возможно, положила начало нашей Вселенной, не исчезли в первые мгновения Большого взрыва, а продолжают самопроизвольно возникать, порождая все новые и новые миры. Не исключено, что и наша Вселенная сформировалась подобным образом в мире-предшественнике. Точно так же можно допустить, что и в нашем Мире возникнет флуктуация, которая разовьется в новую вселенную, может быть даже с иными физическими законами и структурой пространства-времени, тоже впоследствии способную к космологической «редубликациии». Конечно же, в подобных сценариях очень много загадок, так, не совсем ясна роль энергии вакуума. Эту загадочную «пустую» субстанцию Хокинг считал буквально перенасыщенной энергией!

Разрабатывая варианты космической инфляции, Хокинг предположил, что именно энергия вакуума определяет структуру космической материи. По его словам, будь она немного ближе к нулю, Вселенная так бы и осталась безжизненной и бесформенной смесью газа и пыли, равномерно распределенной по космическому пространству. В противном случае, чем больше была бы величина темной энергии, тем быстрее первичное вещество сконденсировалась в массивные галактики, которые давным-давно сколлапсировали бы в черные дыры.

Любопытно, что сценарий непрерывно рождающегося инфляционного Мира позволяет совершенно по-иному взглянуть на вероятность зарождения жизни. Эта величина, по мере продвижения вперед исследований в области молекулярной биологии и генетики, все более приобретает поистине отрицательное астрономическое значение. Сложность до сих пор не найденного «механизма запуска» жизненных процессов позволяет считать, что даже действия всех возможных факторов на протяжении эволюции нашей Вселенной (после образования первых звезд) может не хватить для его реализации. Однако наличие бесконечного количества разнообразных миров коренным образом меняет ситуацию.

Естественно, многие миры Мультиверса могут быть абсолютно безжизненны, например, если в них иные фундаментальные физические константы, не способствующие развитию жизненных процессов. Среди таких постоянных важнейшими могут быть гравитационная константа и размерность пространства. Если бы гравитация была слабее, первичные газопылевые туманности не могли бы конденсироваться в плотные скопления вещества, дающие начало звездам; в противном случае звезды сгорали бы так быстро, что жизнь не успела бы возникнуть. Для размерности пространства вряд ли надо доказывать, что ни двумерное, ни тем более одномерное пространство не могут вмещать биомолекулы. С другой стороны, в четырехмерном пространстве и пространствах более высоких размерностей были бы невозможны стабильные планетные орбиты, определяющие космические «зоны жизни».

Конечно, все эти соображения основаны на предположении, что жизнь возникает лишь в привычных для нас формах, но ведь других мы не знаем. Можно, конечно вспомнить знаменитые научно-фантастические романы «Солярис» Станислава Лема и «Облако» Фреда Хойла и порассуждать о мыслящем поле или разумной плазме, но вряд ли стоит прибегать к таким аргументам без достаточных оснований. Иначе говоря, наш мир таков, каков есть, не потому, что его так спроектировали неведомые высшие силы, а просто в силу действия закона больших чисел. Перебор стремящегося к бесконечности количества вариантов обязательно приведет к возникновению жизни и разума. Ну, а когда-нибудь сверхцивилизации будущего смогут найти и способ связи через барьеры пространства-времени иных измерений.

Существует и еще более фантастическая гипотеза, согласно которой нить жизни может теряться в глубине прошлого Мультиверса, возникнув на протяжении сотен миллиардов лет из случайных факторов, а вот ее споры могли бы уже передаваться каким-то чудесным образом из одного мира в другой, достигнув, в конце концов, и нашей Вселенной. Впрочем, здесь мы уже давно покинули зону научных спекуляций (так называются беспочвенные теоретизирования), прошли этап научной фантастики и вступили в область ненаучного фантазирования…

Ну, а подытожить головокружительное жизнеописание нашего Мира поможет еще один рассказ из «Краткой истории времени от Большого взрыва до черных дыр». Хокинг считал, что во Вселенной, скорость расширения которой растет из-за космологической постоянной быстрее, чем замедляется из-за гравитационного притяжения материи, свету хватило бы времени для перехода из одной области ранней вселенной в другую. Это было бы решением ранее поставленной задачи о том, почему разные области ранней Вселенной имеют одинаковые свойства. Кроме того, скорость расширения Вселенной стала бы автоматически очень близка к критическому значению, определяемому плотностью энергии во Вселенной. Тогда такую близость скорости расширения к критической можно было бы объяснить, не делая предположения о тщательном выборе начальной скорости расширения Вселенной.

Раздуванием Вселенной можно было бы объяснить, почему в ней так много вещества. В доступной наблюдениям области Вселенной содержится порядка ста миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с восьмьюдесятью нулями) частиц. Откуда все они взялись? Ответ состоит в том, что в квантовой теории частицы могут рождаться из энергии в виде пар частица-античастица. Но тогда сразу возникает вопрос: откуда берется энергия? Ответ таков. Полная энергия Вселенной в точности равна нулю. Вещество во Вселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия гравитационного ноля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что в случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю.

Поскольку, как остроумно объяснял Хокинг, дважды нуль тоже нуль, количество положительной энергии вещества во Вселенной может удвоиться одновременно с удвоением отрицательной гравитационной энергии; закон сохранения энергии при этом не нарушится. Такого не бывает при нормальном расширении Вселенной, в которой плотность энергии вещества уменьшается по мере увеличения размеров Вселенной. Но именно так происходит при раздувании, потому что в этом случае Вселенная увеличивается, а плотность энергии переохлажденного состояния остается постоянной: когда размеры Вселенной удвоятся, положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже удвоятся, в результате чего полная энергия остается равной нулю.