Глава 19 Огонь в уравнениях

Что вдыхает огонь в уравнения и создает вселенную, чтобы они описывали ее?

Стивен Хокинг

Совет Альфонса

льфонс Мудрый, правивший Кастилией в XIII веке, глубоко уважал астрономию. На то имелись совершенно прагматические причины: знание точного положения планет на небе было жизненно необходимо для составления точных гороскопов. Для повышения их качества Альфонс заказал новые астрономические таблицы, основанные на теории Птолемея — последнем слове тогдашней космологии. Но когда ему объяснили тонкости птолемеевой системы, он отреагировал весьма скептически: "Если бы Всемогущий Бог посоветовался со мной перед творением, я бы порекомендовал что-нибудь попроще"¹.

Король Альфонс мог бы сказать то же самое и о той картине мира, которую я нарисовал в этой книге. Она говорит о существовании бесконечного ансамбля вселенных, каждая из которых пестрит

областями с разной физикой элементарных частиц. Области, где могут жить разумные существа, редки и разделены громадными расстояниями. Еще реже встречаются области, совершенно идентичные между собой, но даже их существует бесконечное множество. Какое расточительство пространства, материи и вселенных!

Однако нам не стоит слишком беспокоиться о количестве вселенных. Новая картина мира экономит куда более ценный товар: она значительно снижает число произвольных предположений, которые делаются о Вселенной. Лучшая теория — та, которая объясняет мир, опираясь на минимальные и простейшие предположения.

Ранние космологические модели исходили из того, что Творец тщательно сконструировал и тонко настроил Вселенную. Каждая деталь в физике элементарных частиц, каждая фундаментальная постоянная и все первичные возмущения нужно было выставить строго определенным образом. Представьте только бесчисленные тома спецификаций, которые Творец вручал своим ассистентам для выполнения работы! Новая картина мира предлагает совершенно иной образ Творца. После некоторого раздумья он пришел к набору уравнений фундаментальной теории всей природы. Этим запускается процесс неудержимого творения. Никаких дальнейших инструкций не требуется: теория описывает квантовое зарождение вселенных из ничего, процесс вечной инфляции и создание областей со всеми возможными типами физики элементарных частиц — до бесконечности. Каждый конкретный элемент ансамбля вселенных невероятно сложен, и для его описания понадобилось бы огромное количество информации. Но весь ансамбль в целом можно закодировать относительно простым набором уравнений¹.

1 Подобная ситуация, когда бесконечный ансамбль оказывается много проще отдельного члена, очень часто встречается в математике. Рассмотрим, например, множество всех целых чисел: i, 2, 3,... Его можно сгенерировать простой компьютерной программой, занимающей всего несколько строк. С другой стороны, число битов, необходимых для записи конкретного большого целого числа, равно количеству цифр в его двоичной записи и может оказаться гораздо больше.

бог как математик

ак узнать, что наш портрет Творца близок к истине? Пытался ли он оптимизировать использование "ресурсов", таких как пространство и материя, или больше заботился о сжатости математического описания природы? К сожалению, он не дает интервью, но продукт его работы — Вселенная — не оставляет сомнений на этот счет.

Поверхностного взгляда на Вселенную достаточно, чтобы убедиться, с какой великой расточительностью растрачивались материя и пространство. Бесчисленные галактики разбросаны в пустом космосе на колоссальных расстояниях друг от друга. Галактики делятся на несколько типов, среди которых спиральные и эллиптические, карликовые и гигантские. Но за исключением этого все они очень похожи друг на друга. Творец ясно дает понять, что не стесняется бесконечно повторять свои работы.

Более внимательный анализ открывает нам, что Творец без ума от математики. Пифагор в VI веке до нашей эры, вероятно, впервые предположил, что математические соотношения лежат в основе всех физических явлений. Его догадка была подтверждена веками научных исследований, и теперь мы считаем само собой разумеющимся, что природа подчиняется математическим законам. Но если остановиться и задуматься, то Ътот факт выглядит крайне странным.

Математика кажется продуктом чистого мышления, очень слабо связанным с опытом. Но почему же тогда она так идеально подходит для описания физической Вселенной? Это именно то, что физик Юджин Вигнер называл "непостижимой эффективностью математики в естественных науках". Рассмотрим в 'качестве простого примера эллипс. Он был известен древним грекам как кривая, которая получается при разрезании конуса плоскостью под определенным углом. Архимед и другие греческие математики изучали свойства эллипса просто из интереса к геометрии. Затем, более 2000 лет спустя, Иоганн Кеплер открыл, что планеты в своем движении вокруг Солнца с высокой точностью описывают эллипсы. Но что общего у движений Марса и Венеры с коническими сечениями?

Ближе к нашему времени, в 1960-х годах, мой друг математик Виктор Кац (Victor Кас) исследовал класс замысловатых математических структур, известных как алгебры Каца-Муди. Единственной мотивом для этого был его нюх, который подсказывал: эти структуры пахнут чем-то интересным и могут привести к красивым математическим результатам. Никто не мот предсказать, что через пару десятилетий эти алгебры станут играть ключевую роль в теории струн.

Эти примеры не являются исключениями. Чаще случается именно так, а не наоборот: физики обнаруживают, что математические построения, необходимые им для описания нового класса явления, уже исследованы математиками по причинам, не имеющим ничего общего с обсуждаемыми явлениями. Похоже, что Творцу присуще математическое чувство красоты. Многие физики, полагаясь на эту его черту, используют математическую красоту в качестве путеводной нити в поисках новых теорий. Согласно Полю Дираку, одному из основоположников квантовой механики, "красота уравнений важнее их соответствия эксперименту, потому что расхождения могут быть вызваны второстепенными причинами, которые прояснятся по мере развития теории"¹'.

Математическую красоту определить ничуть не проще, чем в красоту в искусстве'¹¹. Примером того, что математики считают красивым, может служить формула Эйлера: е^т+1 = о. Один из критериев красоты — это простота, но одной простоты недостаточно. Формула 1 + 1=2 проста, но не особо красива, поскольку тривиальна. Напротив, формула Эйлера демонстрирует весьма неожиданную связь между тремя, казалось бы, независимыми числами: числом е, известным как основание натуральных логарифмов, "мнимым" числом /' — квадратным корнем из -1 и числом тс — отношением длины окружности к ее диаметру. Это свойство можно назвать глубиной. Красивая математика соединяет простоту и глубину.

Если и в самом деле Творец имеет математический склад ума, тогда уравнения окончательной Теории Всего должны быть поразительно простыми и невероятно глубокими. Некоторые считают, что эта окончательная теория есть теория струн, которую мы сейчас открываем. Безусловно, она очень глубока. Простой ее не назовешь, но простота может проявиться, когда теория будет лучше понята.

Математическая демократия

сли мы когда-нибудь откроем окончательную Теорию Всего, останется вопрос: почему именно эта теория? Математическая красота может быть полезна как путеводная нить, но трудно себе представить, что ее достаточно для выбора единственной теории из бесконечного множества возможностей. Говоря словами физика Макса Тегмарка, "почему одна, и только одна, математическая структура должна быть наделена физическим существованием?" Тегмарк, работающий ныне в Массачусетсом технологическом институте, предложил путь для выхода из этого тупика™.

Его предложение столь же простое, сколь и радикальное: он отстаивает идею, что для любой и каждой математической 'структуры должна существовать отвечающая ей вселенная*. Существует, например, ньютоновская вселенная, подчиняющаяся законам евклидовой геометрии, классической механики и теории гравитации Ньютона. Есть также вселенные, в которых пространство имеет бесконечное число измерений, и другие — с двумя измерениями времени. Еще труднее представить себе вселенную, управляемую алгеброй кватернионов, не имеющую ни пространства, ни времени.

Тегмарк утверждает, что все эти вселенные существуют "где-то". Мы не знаем о них точно так же, как не знаем о других вселенных, зарождающихся из ничего. Математические структуры в некоторых из этих вселенных достаточно изощренны, чтобы допустить возникновение "самосознающих подструктур", подобных вам и мне. Такие вселенные редки, но, конечно, только они могут быть наблюдаемы.

У нас нет фактов в поддержку столь радикального расширения реальности. Единственная причина повышать статус вселенных с другими математическими структурами до реального существования — это обход необходимости объяснять, почему они не существуют. Возможно, это удовлетво рило бы некоторых философов, но физикам нужно что-то более существенное. В духе принципа заурядности можно было бы попробовать показать, что фундаментальная теория нашей Вселенной — в некотором роде типичная среди всех теорий, достаточно богатых, чтобы содержать наблюдателей. Это могло бы поддержать расширенный мультиверс Тегмарка.

В случае успеха эта программа полностью вывела бы Творца за рамки картины мира. Инфляция оставляет ему лишь работу по заданию начальных условий в момент Большого взрыва, квантовая космология снимаете него бремя создания пространства, времени и запуска инфляции, а теперь его изгоняют и из последнего прибежища — выбора фундаментальной теории.

Предложение Тегмарка сталкивается, однако, с очень серьезной проблемой. Число математических структур увеличивается с ростом сложности, а значит, "типичная" структура должна ужасать своей тяжеловесностью и громоздкостью. Очевидно, это противоречит простоте и красоте теорий, описывающих мир. Так что непосредственной угрозы безопасности Творца, похоже, пока нет"¹.

» Мир многих миров

а протяжении веков философы и теологи пытались обосновать, что Вселенная конечна или бесконечна, неизменна или развивается, вечна или преходяща. Может показаться, что все возможные ответы на эти вопросы уже рассмотрены. Однако никто не предвосхитил картину мира, родившуюся из последних достижений космологии. Вместо выбора между противоречащими друг другу вариантами она допускает, что в каждом из них есть некоторая доля правды.

В центре новой системы мира лежит картина вечной инфляционно расширяющейся Вселенной. Она состоит из изолированных "островных вселенных", где инфляция закончилась, окруженных инфляционным морем ложного вакуума. Границы этих постинфляционных островов быстро расширяются, но разделяющие их расстояния растут еще быстрее. Так что всегда есть место для образования новых островных вселенных, и их иисло безгранично увеличивается.

При взгляде изнутри каждый остров представляется самодостаточной бесконечной вселенной. Мы живем в одной из таких островных вселенных, и наблюдаемая нами область — лишь один из бесконечного числа содержащихся в ней О-регионов. Можно фантазировать на тему того, как спустя миллиарды лет наши далекие потомки будут путешествовать в другие О-регионы, однако добраться в другую островную вселенную невозможно принципиально. Неважно, как долго и насколько быстро мы будем лететь, — мы навсегда связаны с нашей островной вселенной.

В целом все вечно инфлирующее пространство-время возникло из крошечной замкнутой вселенной. Она квантовомеха-нически туннелировала из ничего и сразу оказалась ввергнута в никогда не прекращающуюся бешеную инфляцию. Таким образом, Вселенная вечна, но у нее было начало.

Инфляция быстро раздула Вселенную до огромного размера, но глобально она всегда остается замкнутой и конечной. Причем из-за особой структуры инфляционного пространства-времени она содержит неограниченное количество бесконечных островных вселенных.

Фундаментальные постоянные, определяющие характер нашего мира, получают различные значения в разных островных вселенных. Большинство из этих вселенных кардинально отличаются от нашей, и лишь малая часть из них пригодна для жизни¹. Наблюдатели каждого такого обитаемого острова обнаружат, что их вселенная развивается от Большого взрыва к большому сжатию. Однако с глобальной точки зрения все типы островов на всех стадиях своей эволюции существуют одновременно. Эта ситуация подобна человеческой популяции на Земле. Каждая личность начинает жизнь ребенком и со временем становится старше, но население в целом в каждый момент включает людей всех возрастов. Хотя общий объем Вселенной растет со временем, часть пространства, занятая каждым типом островов, не меняется. В этом смысле вечно инфлирую-щая Вселенная является стационарной.

Поразительная особенность новой картины мира — это существование за пределами наблюдаемой области множества "других миров". Реальность некоторых из них достаточно несомненна. Мало кто, например, будет сомневаться в реальности других О-регионов, несмотря на то что они недоступны для на-

В зависимости от фундаментальной теории константы могут меняться и внутри отдельной островной вселенной. Наша собственная островная вселенная будеттогда по большей части пустынной с редкими обитаемыми анклавами.

блюдения. Имеются косвенные доказательства множественности островных вселенных с различными свойствами. Что же касается других несвязанных пространств-времен, зародившихся из ничего, то нет никаких идей относительно возможности наблюдательной проверки их сущее вования.

Картина квантового туннелирования из ничего наводит на другой интригующий вопрос. Процесс туннелирования управляется теми же фундаментальными законами, которые описывают последующую эволюцию Вселенной. Следовательно, законы должны быть "на месте" еще до того, как возникнет сама Вселенная. Означает ли это, что законы — не просто описания реальности, а сами по себе имеют независимое существование? В отсутствие пространства, времени и материи на каких скрижалях могут быть они записаны? Законы выражаются в форме математических уравнений. Если носитель математики — это ум, означает ли это, что ум должен предшествовать Вселенной?

Эти вопросы ведут нас вглубь непознанного, в самую бездну величайшей из тайн. Трудно представить себе, что когда-либо мы сможем ее раскрыть. Но, как и прежде, возможно, это просто свидетельствует об ограниченности нашего воображения.

Эпилог

От: WSX-23EDJ

Кому: Галактическому Совету

Приветствую! Согласно Протоколу, я завершил инспекцию планеты Земля, расположенной в секторе S-16 в периферийной зоне Галактики. Человеческий вид, населяющий эту планету, добился значительного прогресса за юоо земных лет, прошедших с момента прошлой инспекции. Я повысил его статус с "подающего надежды" до "технологически перспективного". Вы будете рады узнать, что люди полагают, будто близки к открытию окончательной теории Вселенной. Завидую их юношескому задору... В некоторых аспектах они подошли вплотную к правильным ответам, что, на мой взгляд, удивительно для столь примитивной цивилизации. В других вопросах они весьма значительно отстают и даже не догадываются о правильных ответах.

В целом эта раса остается незрелой. В настоящее время я выступаю против их вступления в Галактический Союз. Дальнейшие подробности будут представлены в моих регулярных отчетах.

Искренне ваш, WSX-23ED]

Примечания

Часть I. Сотворение мира

Глава 1. Что взорвалось, как взорвалось и что послужило причиной взрыва

i А.Х. Гут, Инфляционная Вселенная, Addison-Wesley, Reading, 1997, p. 2

Глава 2. Взлет и падение отталкивающей гравитации

i J. Williams, R. Abrashkin, Danny Dunn and Anti-gravity Paint ("Дэнни

Данн и антигравитационная краска"), McGraw Hill, New York, 1957. И Письмо Эйнштейна Эренфесту. Цит. По A. Pais. Subtle is the Lord (Oxford University Press, Oxford, 1982).

iii Письмо Эйнштейна Зоммерфельду, 8 февраля 1916 г.

iv Позднее стало понятно, что эйнштейновская статическая космологи ческая модель неприемлема даже чисто теоретически, поскольку равновесие притягивающей и отталкивающей гравитации в этой модели является неустойчивым. Если по какой-то причине размеры вселенной Эйнштейна немного увеличатся, плотность вещества уменьшится (поскольку вырастут расстояния между галактиками), тогда как

плотность энергии вакуума останется неизменной, будучи зафикси рованной космологической постоянной. Следовательно, отталкивающая гравитация вакуума станет теперь сильнее притягивающей гравитации вещества и заставит вселенную расширяться. Это приведет к дальнейшему увеличению объема и еще большей разбалансировке притягивающих и отталкивающих сил. Вселенная, таким образом, войдет в режим ускоряющегося расширения. Аналогично, если размеры статической вселенной немного уменьшатся, притягивающая гравитация вещества победит отталкивание вакуума, и вселенная сколлапсирует в точку. Согласно квантовой теории, небольшие флуктуации размеров вселенной неизбежны, и поэтому вселенная Эйнштейна не может оставаться в равновесии бесконечно долго.

Глава 3. Творение и его недостатки

i Цит. по: Э.А. Тропп, В.Я. Френкель, А.Д. Чернин, "Александр Александрович Фридман", М., "Наука", 1988, с. 133.

И Фридман не рассматривал случай плоской вселенной. Он был изучен Эйнштейном и де Ситтером в 1932 году.

Mi Достойным внимания исключением была реакция Эйнштейна на работу Фридмана. Сначала Эйнштейн думал, что Фридман ошибся, и написал короткую заметку в журнал о том, что он считал ошибкой. Однако менее чем через год, после беседы с другом Фридмана Юрием Крутковым, он отказался от своих возражений. Крутков сообщил домой, что он победил в споре с Эйнштейном и что "честь Петрограда спасена!". Но хотя Эйнштейн и согласился с математическими выкладками Фридмана, он по-прежнему верил, что Вселенная статична, а работа Фридмана представляет лишь чисто формальный интерес. В своей второй заметке в журнале он писал, что "убедился в том, что результаты г-на Фридмана корректны и ясны". В первоначальном черновике он добавил, что эти результаты вряд ли могут иметь какое-то значение для физики, но потом зачеркнул данную фразу, видимо, поняв, что она основана в большей мере на его философских предубеждениях, чем на каких-то известных фактах.

iv Источник энергии звезд не был известен во времена Гельмгольца, но теперь мы знаем, что они сжигают ядерное топливо, превращая во

дород в гелий, а затем и в более тяжелые ядра. Это необратимый процесс, сопровождаемый повышением энтропии, и в конце концов звезды исчерпывают свое ядерное топливо. Некоторые звезды выключают свои ядерные двигатели без большой помпы и потом постепенно остывают, другие взрываются, распыляя газ по межзвездному пространству и оставляя после себя компактный остаток (нейтронную звезду или черную дыру). Выброшенный газ может повторно послужить для формирования нового поколения звезд, но раньше или позже поступления газа иссякнут, поскольку все большая его часть будет заканчивать свой путь в компактных звездных остатках. Спустя триллион лет галактики, вероятно, значительно потускнеют. Процесс постепенного угасания огней может порядком затянуться, но одно ясно: Вселенная, какой мы ее знаем, не может существовать вечно.

v Идея больцмановских флуктуации — это, возможно, первый пример того, что позже стали называть антропной аргументацией (см. главу 13).

vi Первое убедительное свидетельство галактической эволюции было представлено в 1950-х годах кембриджским астрономом Мартином Райлом (Martin Ryle). Он обнаружил, что несколько миллиардов лет назад мощное радиоизлучение встречалось у галактик гораздо чаще, чем ныне.

vii Артур Конан Дойл, "Знак четырех", пер. М. Литвиновой.

Глава 4. Современная история сотворения мира

i Цит. по статье Р.Г. Стьюера (R.H. Stuewer) в сб. "Калейдоскоп науки" {The Kaleidoscope of Science, ed. By E. Ullmann-Margalit, Reidel, Dordrecht, 1986, p. 147).

ii Описание жизни Гамова в этой главе основано по большей части на его неоконченной автобиографии "Моя мировая линия" {My World Line, Viking Press, New York, 1970).

iii Атомы состоят из маленьких положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов, "обращающихся" вокруг них. (Я помещаю слово "обращающихся" в кавычки, поскольку в атомах существенна квантовая неопределенность, так что вместо картины электронов, упорядоченно движущихся вдоль своих орбит, подобно планетам

ю Мир многих миров

| Примечания |

вокруг Солнца, более точным было бы рисовать их "размазанными" вокруг этих орбит.) Ядра состоят из двух типов субатомных частиц: протонов, несущих положительный электрический заряд, и нейтронов, которые электрически нейтральны. Химические свойства атома определяются исключительно числом электронов (которое равно числу протонов, так что атомы электрически нейтральны).

iv Происхождение этого дисбаланса между веществом и антивеществом — один из активно исследуемых вопросов в современной космологии. Ее обсуждение см. в книге А.Н. Guth, The Inflationary Universe (Addison-Wesley, Reading, 1997).

v Более подробное обсуждение горячего огненного шара и образования элементов можно найти в классическом бестселлере Стивена Вайнберга "Первые три минуты" (РХД, 2000) (Steven Weinberg, The First Three Minutes, Bantam, New York, 1977).

vi M.J. Rees, Before the Beginning ("До начала"), Addison-Wesley, Reading, 1997, p. 17).

vii S. Weinberg, там же, c. 123.

Глава 5. Инфляционная Вселенная

i Все подробности пути Алана Гута к открытию инфляции описаны в его блестящей книге "Инфляционная Вселенная: в поисках новой теории происхождения космоса" (Jhe Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins, Addison-Wesley, Reading, 1997).

ii Вполне возможно, что наш вакуум не является самым низкоэнергетическим. Теория струн, которая на сегодня является основным кандидатом на роль самой фундаментальной физической теории, предполагает существование вакуумов с отрицательной энергией. Если они действительно существуют, то наш вакуум спонтанно распадется с катастрофическими последствиями для всех содержащихся в нем материальных объектов. Мы обсудим теорию струн в главе 15, а возможность распада вакуума — в главе 18. А пока будем предполагать, что обитаем в истинном вакууме.

iii Этот вывод легко понять из простых энергетических соображений. Сила всегда действует на физический объект в направлении уменьшения его энергии. (Точнее, потенциальной энергии, которая представляет собой составляющую энергии, не связанную с движением.) Например, сила гравитации тянет объекты вниз, в направлении убы вания их энергии. (Гравитационная энергия растет с высотой над землей.) Для ложного вакуума энергия пропорциональна объему, который он занимает, и может быть уменьшена только сокращением объема. Поэтому должна существовать сила, вызывающая сжатие вакуума. Эта сила и есть натяжение.

Глава 6. Слишком хорошо, чтобы быть ошибкой

А.Н. Guth, "The inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems" ("Инфляционная Вселенная: возможное решение проблемы горизонта и плоской геометрии"), Physical Review, vol. D23, p. 347 (1981).

Модель Старобинского основывается на модифицированных уравнениях гравитации Эйнштейна. Данная модификация становится существенной только при очень высокой кривизне пространства-времени. Величина этой кривизны играет в данной теории роль скалярно го поля.

В истинно русском стиле Муханов и Чибисов написали свою статью "для Ландау", приведя в ней свой результат и минимум пояснений о том, как он был получен. Некоторые участники Наффилдовского симпозиума считают, что в этих выкладках могли быть пропущены важные шаги, и поэтому получение данного результата нельзя полностью отнести на счет Муханова и Чибисова. Я не буду пытаться разрешить здесь этот вопрос.

Часть II. Вечная инфляция

Глава 8. Вечная инфляция

A. Vilenkin, "The birth of inflationary universes" ("Рождение инфляционных вселенных"), Physical Review, vol. D27, p. 2848 (1983). Это статья о квантовой космологии; вечная инфляция обсуждается в последнем разделе.

ii Экспоненциально раздувающаяся область быстро заполнила бы компьютерный экран, заставив нас остановить моделирование. Мы справились с этой проблемой, используя расширяющуюся шкалу расстояний, которая росла в том же темпе, что и область инфляции. Если пользоваться такой растягивающейся линейкой, величина объема инфлирующего ложного вакуума не меняется во времени, и он зани мает постоянную площадь на экране. В аналогии с экономической.инфляцией, которую мы использовали в главе 5, этот способ измерения соответствует выражению цен в "первоначальных долларах", благодаря чему эффект инфляции исключается.

iii М. Aryal and A. Vilenkin, "The fractal dimension of the inflationary universe" ("Фрактальная размерность инфляционной вселенной"), Physics Letters, vol. B199, p. 351 (1987).

iv A.D. Linde, "Eternally existing self-reproducing chaotic inflationary universe" ("Вечно существующая самовоспроизводящаяся хаотическая инфляционная вселенная"). Physics Letters, vol. В175, p. 395 (1986). Термин "вечная инфляция" был введен Линде в этой статье.

Глава 9. Говорящие небеса

i Ускоренное расширение Вселенной было открыто Группой по сверх новым с большими красными смещениями (High-Z Supernova Search Team) под руководством гарвардского астронома Роберта Киршнера (Robert Kirshner) и Брайана Шмидта (Brian Schmidt) из обсерватории Сайдинг Спрингс в Австралии, а также Проектом по сверхновым в космологии (Supernova Cosmology Project), возглавляемым Солом Перлмуттером (Saul Perlmutter). Из первых рук об этом открытии можно прочесть в остроумной книге Роберта Киршнера "Экстравагантная Вселенная: взрывающиеся звезды, темная энергия и ускоряющийся космос" (The Extravagant Universe: Exploding Stars, Dark Energy, and the Accelerating Casmos, Princeton University Press, Princeton, 2004).

ii Инфляцию можно примирить с плотностью ниже критической ценой увеличения сложности и уменьшения привлекательности теории. Для этого требуется энергетический ландшафт скалярного поля строго определенного вида. В нем должен быть барьер, как в первоначальной модели Гута (рис. 6.2). Однако вместо крутого спада к минимуму за этим барьером должен быть очень пологий спуск. Получаемая модель сочетает особенность старого инфляционного сценария Гута с усовершенствованным сценарием Линде и других. Поле туннелирует под барьером, приводя к появлению пузырьков, а затем медленно катится вниз в каждом отдельном пузырьке. В своем анализе вакуумных пузырей Сидней Коулман показал, что изнутри они выглядят как открытые фридмановские вселенные с плотностью ниже критической. Тщательно подобрав высоту и уклон холма, можно добиться плотности близкой, но все же отличной от критической. Физикам такая тонкая подстройка кажется безвкусицей, и они надеются, что прибегать к ней не потребуется.

Если же, с другой стороны, наблюдения покажут, что плотность превышает критическую более чем на одну стотысячную, следствием будет то, что Вселенная представляет собой относительно небольшую трехмерную сферу, ненамного крупнее современного горизонта. Для инфляции это создаст очень серьезные проблемы.

iii Происхождение гравитационных волн аналогично появлению возмущений плотности (см. главу 6). Они порождаются квантовыми флуктуациями в ходе инфляции, амплитуда которых не зависит от линейно го масштаба. Предсказание относительно гравитационных волн вытекает из работы Алексея Старобинского, выполненной в 1980 году, еще до того, как Гут предложил идею инфляции.

iv QUIET начал работу в ноябре 2009 года. Он способен детектировать гравитационные волны, порожденные инфляцией, но только если ложный вакуум имел энергетический масштаб Великого объединения. Для не столь энергичного вакуума потребуются более чувствительные инструменты.

Глава 10. Бесконечные острова

i A.D. Linde, "Life after inflation" ("Жизнь после инфляции"), Physics Letters, vol. B211, p. 29,1988.

ii В плоском пространстве-времени квадрат интервала между двумя событиями определяется как (разность во времени)² — (расстояние в пространстве)². За исключением знака "минус" это очень похоже на вычисление квадрата гипотенузы по теореме Пифагора. Для вычисления интервала расстояния в пространстве и времени должны выражаться в совместимых единицах. Например, если время измеряется в годах, то мерой длины должны быть световые годы. Интервал вре-мени-подобен, если его квадрат положителен, и пространственно-подобен, если отрицателен. Для встречи класса и матча по суперболу, которые обсуждаются в тексте, разница во времени составляет з года, а расстояние в пространстве — 4 световых года. Значит, квадрат интервала будет 32 — 42 = -7. Поэтому интервал является пространственно-подобным.

Глава 11. Да здравствует король!

i J. Garriga and A. Vilenkin, "Many worlds in one" ("Много миров в од ном"), Physical Review, vol. D64, p. 043511 (2001).

ii A.D. Sakharov, in Alarm and Hape (в сб. "Тревога и надежда"), eds. Yankelevich and A. Friendly (Knopf, New York, 1978).

iii G.F.R. Ellis and G.B. Brundrit, Life in the infinite universe ("Жизнь в бесконечной Вселенной"), Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, vol. 20, p. 37 (1979).

iv Глубокое обсуждение многомировой интерпретации, стимулирующее ее дальнейшее осмысление, можно найти в книге David Deutsch, The Fabric of Reality (Дэвид Дойч, "Ткань реальности"), Penguin, New York, 1997-

v Цитируется no: G. Edelman, Bright Air, Brilliant Fire: On the Matter of the Mind, Penguin, New York, 1992, p. 216.

vi По выражению Дэвида Мермина (David Mermin), см. Physics Today, April 1989, p. 9.

vii Из свидетельских показании президента Клинтона перед большим жюри 17 августа 1998 года.

viii Пример энергетического ландшафта, предназначенного для того, чтобы избежать вечной инфляции, показан на следующем рисунке (сравните с рис. 6.4).

Плоская вершина холма, ответственная за вечную инфляцию, заменена крутым пиком. В то же время пологий склон должен быть сохранен, поскольку без него инфляции не будет вовсе. Такие ландшафты

вряд ли могут появиться в физике элементарных частиц. Практически во всех предложенных на сегодня моделях инфляция вечна, ix Некоторые этические следствия новой картины мира обсуждаются в статье "Philosophical implications of inflationary cosmology" ("Философские следствия инфляционной космологии"), написанной мною в соавторстве с философом Джошуа Ноубом (Joshua Knobe) и моим коллегой по Тафтсу Кеном Оламом (Ken Olum), которая опубликована в марте 2006 года в The British Journal of the Philosophy of Science.

Часть III. Принцип заурядности

Глава 12. Проблема космологической постоянной

i Первое надежное измерение флуктуации электромагнитного вакуума выполнено только в 1990-х годах методом, предложенным десятки лет назад голландским физиком Хендриком Казимиром. Две металлические пластины помещают в вакууме параллельно друг другу. Металл подавляет электромагнитные колебания, и это приводит к уменьшению вакуумных флуктуации между пластинами. Давление флуктуирующих полей на внешние поверхности пластин оказывается больше, чем на внутренние, что приводит к появлению силы, прижимающей пластины друг к другу. Эта сила очень мала и быстро спадает с увеличением расстояния между пластинами. Измерения проводились с пластинами, разделенными интервалом в один микрон (миллионную долю метра).

| Примечания |

ii Именно это происходит в тех теориях элементарных частиц, где есть особый вид симметрии, называемый суперсимметрией. Бозоны и фермионы в таких теориях появляются парами, так что каждая бозе-частица имеет фермионного партнера и наоборот. Частицы-партнеры в каждой паре имеют одинаковую массу, а ваккумные энергии фермионов и бозонов в точности сокращаются. Поэтому полная плотность энергии вакуума равна нулю.

Это могло бы оказаться изящным решением проблемы космологической постоянной, но беда в том, что наш мир определенно не суперсимметричен. В противном случае на ускорителях наблюдалось бы рождение многочисленных партнеров электронов, кварков и фотонов. Кроме того, даже в суперсимметричном мире космологическая постоянная сокращается только в отсутствие гравитации. Если же принять ее в расчет, то энергия вакуума приобретает большое отрицательное значение.

Глава 13. Антропные владения

i Craig J. Hogan, "Quarks, electrons and atoms in closely related universes", in Universe or Multiverse, ed. by B.J. Carr, Cambridge University Press, Cambridge, 2006 (Крэйг Хоган, "Кварки, электроны и атомы в тесно связанных вселенных" в сб. "Вселенная или мультиверс" под редакцией Б.Дж. Карра).

ii Многочисленные наглядные примеры тонкой настройки фундаментальных постоянных обсуждаются в статье Бернарда Карра и Мартина Риса в журнале Nature (Bernard J. Carr and Martin J. Rees in Nature, vol. 278, p. 605,1979), и в книгах "Случайная Вселенная" Пола Дэвиса (Paul C.W. Davies, The Accidental Universe, Cambridge University Press, Cambridge, 1982), "Антропный космологический принцип" Джона Барроу и Фрэнка Типлера (John D. Barrow, Frank J. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle, Oxford University Press, Oxford, 1986) и "Вселенные" Джона Лэсли (Universes, Routledge, London, 1989). Легко доступные для понимания популярные обзоры даны в книгах Мартина Риса "До начала: наша Вселенная и другие" (Martin Rees, Before the Beginning: Our Universe and Others, Addison-Wesley, Reading, 1997) и "Всего шесть чисел" (Martin Rees, just Six Numbers, Basic Books, New York, 2001).

iii В. Carter, "Large number coincidences and the anthropic principle in cosmology", in Confrontation of Cosmological Theories with Observational Data, ed. By M.S. Longair, Reidel, Boston, 1974, p. 132. (Б. Картер, "Совпадение больших чисел w антропный принцип в космологии" в сб. "Сопоставление космологических теорий с наблюдательными данными" под ред. М.С. Лонгэйра).

iv Звезды менее массивные, чем Солнце, живут дольше. Однако они склонны к нестабильности и подвержены вспышкам, способным уничтожить жизнь на планетах. Мы предполагаем, что планеты, обращающиеся вокруг таких звезд, не годятся на роль дома для потенциальных наблюдателей.

v Дикке обнародовал этот аргумент в 1961 году в ответ на захватывающую гипотезу, выдвинутую знаменитым британским физиком Полом Дираком. Дирак был поражен слабостью гравитации, которая в 1040 раз слабее электромагнитного взаимодействия. Он также заметил, что видимая Вселенная в 1040 раз больше протона. Мысль Дирака состо-

. яла в том, что это не может быть простым совпадением, и предположил, что эти два числа должны быть каким-то образом связаны. Но размер наблюдаемой Вселенной увеличивается во времени, и поэтому его отношение к размерам протона в последующие эпохи будет расти. Это привело Дирака к заключению, что другое число, выражающее слабость гравитации, тоже должно увеличиваться: гравитация должна становиться все слабее.

Аргумент Дикке дал совершенно иной взгляд на совпадение больших чисел. Мы наблюдаем Вселенную не в произвольную эпоху, а в то время, когда ее возраст сравним со временем жизни звезд. Дикке показал, что именно в это время дираковские большие числа действительно близки друг к другу. (Это не совпадение: видимая Вселенная велика, поскольку велика продолжительность жизни звезд, а она, в свою очередь, связана со слабостью гравитации, что и задает связь между двумя большими числами.) Таким образом, совпадение автоматически обеспечивается в эпоху, когда могут существовать наблюдатели, и не требуется постулировать никакого ослабления гравитации. Точные астрономические измерения позднее показали, что сила гравитации остается постоянной с очень высокой точностью. Если и есть изменения, они должны быть меньше, чем 1 к 1011 в год, — гораздо меньше, чем требует гипотеза Дирака.

vi N. Bostrom, Anthropic Bias (Ник Востром, "Антропный уклон"), Routeledge, New York, 2002.

vii Цитируется no: A.L Macay, A Dictionary of Scientific Quotations (А.Л. Maкей, "Словарь научных цитат"), Institute of Physics Publishing, Bristol, 1991, p. 244.

viii Дэвид Гросс (David Gross), цитируется no статье Денниса Овербая "Мириады вселенных? Или нашей повезло?" в газете "Нью-Йорк Тайме" (Dennis Overbye "Zillions of universes? Or did ours get lucky?", The New York Times, October 28, 2003).

ix Пол Стейнхардт (Paul Steinhardt), цитируется по статье "Холодный прием" Маркуса Чоуна (Marcus Chown, "Out in the cold", New Scientist, June 10, 2000).

Глава 14. Заурядность, возведенная в принцип

i Аргумент судного дня — захватывающий и противоречивый предмет. Более глубоко он обсуждается в книгах Джона Лесли "Конец света" (John Leslie, The End of the World, Routeledge, London, 1996) и Ричарда Готта "Путешествия во времени в эйнштейновской вселенной" (Richard Gott, Time Trave in Einstein's Universe, Houghton Mifflin Company, Boston, 2001).

ii.................................... В бесконечной вселенной коэффициент объема можно определить как долю, занятую областями данного типа. Но это определение приводит к неоднозначности. Чтобы проиллюстрировать природу про блемы, зададимся вопросом: какова доля нечетных чисел среди це лых? Четные и нечетные числа чередуются в последовательности 1, 2, 3, 4, 5,и можно подумать, что ответом, очевидно, будет половина. Однако целые числа можно упорядочить другим способом. Например, так: 1, 2, 4, з, 6, 8.................................. Эта последовательность по-прежнему

включает все целые числа, но теперь за каждым нечетным числом следует два четных, и кажется, что только треть целых чисел являются нечетными. Такого же рода неопределенность возникает при вычислении объемного коэффициента в моделях вечной инфляции. Чтобы справиться с этой проблемой, был предложен ряд интересных идей, но пока она остается неразрешенной.

iii Это, конечно, чрезмерное упрощение. Галактики бывают разных размеров — от карликовых до гигантских, с весьма различным числом звезд, а значит, и наблюдателей. Тем не менее абсолютное большинство звезд находится в гигантских галактиках, подобных нашей. Так что задачу можно решить, подсчитывая только такие галактики и не обращая внимания на остальные

Более серьезная проблема связана с тем, что плотность вещества и другие характеристики галактик могут меняться из-за вариаций бионейтральных констант. Например, если параметр плотности возмущений Q делается больше, галактики образуются раньше и имеют более высокую плотность вещества. Как результат, тесные сближения звезд, нарушающие орбиты планет и уничтожающие жизнь, становятся чаще. (На это указали Макс Тегмарк (MaxTegmark) и Мартин Рис в статье, опубликованной в 1998 году в Astrophysical Journal)- Даже если сближения не настолько тесны, чтобы влиять на планеты, они могут возмущать облака комет на окраинах звездных систем, посылая смертельные кометные дожди на внутренние планеты. Еще одна опасность в более плотных галактиках — это потенциально опустошительное воздействие близких взрывов сверхновых. Количественно оценить влияние всех этих факторов на плотность обитаемых звездных систем — крайне сложная, хотя в принципе разрешимая задача. Но пока в этом деле трудно пойти дальше порядковых оценок.

iv A. Vilenkin, "Predictions from quantum cosmology" (А. Виленкин, "Предсказания квантовой космологии"), Physical Review Letters, vol. 74, p. 846,1995.

v Подход Эфстатиу несколько отличался от моего. Он предполагал, что мы типичны только среди ныне существующих наблюдателей (галактик), тогда как я считал нужным учитывать всех наблюдателей — современных, прошлых и будущих. Если мы действительно типичны и живем в ту же эпоху, что и большинство наблюдателей, эти методы должны давать сходные результаты, как фактически и получается. Но в общем случае выбор референтного класса наблюдателей, в котором мы ожидаем оказаться типичными, — это важный вопрос. Он подробно обсуждался философом Ником Бостромом.

vi На самом деле мощность сверхновых типа 1а несколько варьируется, вероятно, из-за различий в химическом составе белых карликов. Но эти вариации можно учесть, измеряя длительность вспышки: зависимость мощности от длительности хорошо изучена.

vii Доплеровское смещение — это изменение частоты электромагнит ных волн при движении источника и приемника волн друг относительно друга. Если вы приближаетесь к источнику света, частота волн увеличивается, подобно тому как лодка встречает больше волн, когда движется им навстречу. Такой же эффект имеет место, когда источник света приближается к неподвижному наблюдателю: важно только их относительное движение. Подобным же образом частота света, испускаемого галактикой, становится ниже (свет смещается к красному концу спектра), когда она удаляется от наблюдателя.

viii Цит. по R. Krishner, The Extravagant Universe (P. Кришнер, "Экстравагантная Вселенная"), University Press, Princeton, 2002, p. 221.

ix Возможность благодаря космологической постоянной избавиться от несоответствия возрастов старейших звезд и Вселенной отмечал еще в 1980-х годах Жерар де Вокулер (Gerard de Vaucouleurs). Позднее на это наряду с другими потенциальными преимуществами указывали Лоуренс Краусс (Lawrence Krauss) и Майкл Тернер (Michael Turner) в статье "Космологическая постоянная возвращается" ("The cosmological constant is back", General Relativity and Gravitation, vol. 27, p. 1137, 1995)-

x Популярный обзор идеи квинтэссенции содержится в книге Лоурен-са Краусса "Квинтэссенция: Загадка недостающей массы" (Lawrence Krauss, Quintessence: The Mystery of the Missing Mass, Basic Books, New York, 2000).

xi Другое затруднение модели квинтэссенции состоит в том, что плоское подножие холма, как считается, лежит на нулевом уровне плотности энергии. Это эквивалентно предположению о том, что энергии флук туирующих фермионов и бозонов чудесным образом компенсируют друг друга (см. главу 12).

хм По-видимому, мы не случайно обитаем в диске гигантской галактики. Образование галактик — это иерархический процесс, в ходе которого небольшого размера плотные объекты сливаются, формируя более крупные и рыхлые. Ранние плотные галактики меньше подходили для жизни по причинам, отмеченным в примечании ii.

xiii Такое объяснение совпадения приведено в статье, написанной мной совместно с Хауме Гарригой и Марио Ливио (Mario Livio) "Космологическая постоянная и время ее доминирования" (Physical Review, vol. D61, p. 023503, 2000). Независимо эта идея была предложена Сиднеем Бладменом (Sidney Bludman) в Nuclear Physics, vol. Аббз, p. 865, 2000.

Г лава 15. Теория Всего

i Цит. по книге Найджела Калдера, "Ключ ко Вселенной" (Nigel Calder, The Key to the Universe, Penguin Books, New York, 1977, p. 69).

ii В 1970-1980-х годах физики пытались достичь более единообразного описания частиц и их взаимодействий в рамках так называемых теорий Великого объединения. Первая модель этого типа была пред ложена Говардом Джорджи (Howard Georgi) и Шелдоном Глэшоу из Гарварда, которые показали, что всю Стандартную модель вместе с ее отдельными симметриями для сильного и электрослабого взаимодействий можно элегантно вписать в теорию, которая имеет одну, но более мощную симметрию. Более того, эта модель дала единое описание для трех фундаментальных взаимодействий. Великое объединение — очень привлекательная идея, и многие физики верят, что она сохранится как часть окончательной теории. Однако в теории Великого объединения сохраняются почти все недостатки Стандартной модели. В частности, она требует еще большего числа подстраиваемых параметров, а гравитация по-прежнему остается за бортом.

iii Широкий круг вопросов, касающихся существования (или несуществования) окончательной теории, обсуждается в книге Стивена Вайнберга "Мечты об окончательной теории" (Steven Weinberg, Dreams of a Final Theory, Vintage, New York, 1994).

iv Космология дает интересную возможность наблюдательной проверки теории струн. В результате высокоэнергетических процессов в конце инфляции могли образоваться струны астрономического размера. Подобно "обычным" космическим струнам (см. главу 6) эти фундаментальные струны будут впоследствии доступны для наблюдения. Струны не испускают света и потому непосредственно не видны, но их присутствие может быть обнаружено по гравитационным эффектам. Световые лучи далеких галактик, расположенных позади длинной струны, искривляются ее притяжением, и мы можем видеть по соседству два изображения галактики, образованных лучами, прошедшими с двух сторон от струны. Колеблющиеся струнные петли служат мощными источниками гравитационных волн. Существующие и перспективные детекторы гравитационных волн будут искать характерные для них сигналы.

v Недавние работы Наймы Аркани-Хамеда (Nima Arkani-Hamed) из Гар варда, Гии Двали (Gia Dvali) из Нью-Йоркского университета и Саваса Димипоулоса (Savas Dimipoulos) из Стэнфорда говорят о том, что компактные измерения могут быть гораздо больше, чем считалось прежде. В этом случае размеры вибрирующих струнных петель также значительно возрастают. Это означает, что следующее поколение ускорителей может оказаться достаточно мощным, чтобы открыть "струнную" природу частиц.

vi Яркое изложение этой философии, а также более подробное описание теории струн можно найти в книге Брайана Грина "Элегантная Вселенная" (Brian Greene, The Elegant Universe, Vintage Books, New York, 2000).

vii В присутствии бран струны могут образовывать замкнутые петли, но могут также быть и открытыми, с концами, присоединенными к бранам. Такие открытые сегменты струн могут двигаться вдоль бран, но никогда их не покидают. Браны играют центральную роль в так называемом "мире бран" — космологической модели, которая предпола гает, что мы живем на трехмерной бране, плавающей в многомерном пространстве. Знакомые нам частицы, такие как электроны и кварки, представляются тогда открытыми струнами, концы которых присоединены к нашей бране.

viii Пространственно-временная структура расширяющихся пузырьков напоминает островные вселенные, описанные в главе ю. Пузырьки конечны, когда рассматриваются снаружи, но изнутри каждый пузырек выглядит самодостаточной бесконечной вселенной. Вечная ин фляция с пузырьками островных вселенных упомянута Ричардом Готтом в 1982 году, а более реалистичная ее модель обсуждалась в 1983 году Полом Стейнхардтом.

ix Цит. по статье Davide Castelvecchi, "The growth of inflation" ("Рост инфляции"), Free Republic, December 2004.

x Интервью с Джоном Брокманом (John Brockman), Edge, 2003.

xi Там же.

Часть IV. До начала Глава 16. Было ли у Вселенной начало?

i Интересные параллели между древними мифами и современной космологией обсуждаются в книге Марчело Глизера "Танцующая Вселенная: от мифов о творении до Большого взрыва" (Marcelo Gleiser, The Dancing Universe: From Creation Myths to the Big Bang, Dutton, New York, 1997).

ii Эта же критика применима к идее Вселенной, рождающейся из хаоса, как в модели хаотической инфляции. Этот момент обыгрывается в "шутке", приводимой в книге Тимоти Ферриса "Целая история" (Timothy Ferris, The Whole Shebang, Simon & Schuster, New York, 1997). Атеист заявляет, что мир появился из хаоса, на что верующий отвечает: "Но кто же навел этот хаос?"

iii Для реализации этого сценария Стейнхардт и Турок ввели скалярное поле с тщательно подобранным энергетическим ландшафтом. Космологи обычно скептически относятся к их модели, поскольку этот ландшафт выглядит довольно искусственно. Кроме того, значение плотности энергии вакуума, которое играет ключевую роль в этой модели, просто устанавливается "руками" без всякого объяснения, почему оно столь мало или почему оно доминирует во Вселенной в эпоху формирования галактик.

iv Этот метод доказательства неполноты пространства-времени путем демонстрации того, что определенные истории имеют конечную длительность в прошлом или будущем, восходит к работам Хокинга и Пенроуза 1960-70-х годов.

v Один из способов обойти вывод данной теоремы — допустить, что по мере движения назад во времени темп расширения все замедляется и замедляется и в бесконечном прошлом вселенная становится статической. Но тогда вселенная должна была бы оставаться статической в течение бесконечного времени и достигла бы термодинамического равновесия.

vi Другая интересная попытка избавиться от начала Вселенной предпринята в 1998 году в статье принстонских ученых Дж. Ричарда Готта и Ли-Синь Ли "Может ли Вселенная создать саму себя?" С- Richard Gott, Li-Xin Li, "Can the universe create, itself?", Physical Review D, vol. 58, p. 023501.) Готт и Ли предположили, что при движении в прошлое мы попадаем во временную петлю, прокручивая снова и снова одни и те же события. Эйнштейновская теория относительности действительно в принципе допускает существование временных петель. (Увлекательное обсуждение этого см. в отличной книге Ричарда Готта "Путешествия во времени в эйнштейновской вселенной".) Однако, как отмечают сами Готт и Ли, вдобавок к историям, закрученным в петлю, придуманное ими пространство-время с необходимостью содержит некоторые неполные истории, подобные истории космического путешественника, обсуждаемой в основном тексте. Это означает, что само пространство-время неполно в прошлом, а значит, не обеспечивает удовлетворительной модели для вселенной, не имеющей начала.

vii A. Borde, A.H. Guth, A. Vilenkin, "Inflationary spacetimes are not past complete" ("Инфляционное пространство-время не является полным в прошлом"), Physical Review Letters, vol. 90, p. 151301 (2003).

viii E.A. Milne, Modern Cosmology and the Christian Idea of God ("Современная космология и христианская идея Бога"), Clarendon, Oxford, 1952.

ix Pope Pius XII, Address to the Pontifical Academy of Sciences, November 1951; перевод на англ. в P.J. McLaughlin, The Church and Modern Science ("Церковь и современная наука"), Philosophical Library, New York (1957). He все духовенство разделяло энтузиазм папы. В частности, Жорж Леметр, который был одновременно католическим священником и знаменитым космологом, считал, что религия должна ограничиться духовным миром, оставив материальный науке. Леметр даже пытался отговорить папу от одобрения Большого взрыва. Похоже, что позднее папа изменил свое мнение. Ни он сам, ни его последователи больше не предпринимали попыток прямой научной верификации религии.

Глава 17. Сотворение вселенных из ничего

i A. Vilenkin, "Creation of universes from nothing" ("Создание вселенных из ничего"), Physics Letters, vol. 117B, p. 25,1982. Позднее я узнал, что возможность спонтанного зарождения Вселенной из ничего обсуждалась примерно годом раньше Леонидом Грищуком и Яковом Зельдовичем в Московском государственном университете. Однако они не предложили никакого математического описания процесса зарожде ния.

Примерно в то же время идею, очень похожую на трайоновскую, высказал Петр Фомин из Харьковского государственного университета на Украине. Фактически последовательность шагов, показанная на рис. 17.3, не была четко изложена Трайоном и впервые появилась именно в статье Фомина. К сожалению, Фомин не смог найти журнал, который опубликовал бы его работу. В итоге он напечатал ее в малоизвестном украинском физическом журнале.

Е.Р. Тгуоп, "Is the universe a vacuum fluctuation?" ("Является ли Вселенная вакуумной флуктуацией?"), Nature, vol. 246, p. 396,1973. В конце 1970-х и начале 1980-х было предпринято несколько попыток разработки математических моделей квантового творения из вакуума. Ричард Броут (Richard Brout), Франсуа Энглер (Francois Englert) и Эдгар Гунциг (Edgard Gunzig) из Брюссельского университета предположили в 1978 году, что в вакууме может спонтанно возникнуть сверхтяжелая частица с массой в 1020 раз больше, чем у протона. Такая частица искривила бы пространство, растущая кривизна запустила дальнейшее рождение частиц, и процесс стал бы распространяться все дальше и дальше, как расширяющийся пузырь. Внутри пузыря тяжелые частицы будут быстро распадаться на более легкие и излучение, заполняя материей расширяющуюся вселенную. Эта модель сталкивается с той же проблемой, что и сценарий Трайона: в действи тельности она не объясняет происхождение Вселенной. Если пустое плоское пространство действительно настолько неустойчиво, оно быстро заполнилось бы растущими пузырями. Такое нестабильное про странство не могло бы существовать вечно, а значит, не могло бы служить начальной точкой творения.

Дэвид Аткац (David Atkatz) и Хайнц Пейджелс (Heinz Pagels) из Рокфеллеровского университета в статье, написанной в 1982 году, предположили, что перед Большим взрывом Вселенная существовала в форме своеобразного "космического яйца" — маленького сфериче ского пространства, заполненного необычной высокоэнергичной материей. Они построили модель, в которой "яйцо" было классически стабильным, но могло туннелировать в состояние с большим радиу сом и расшириться. (Насколько я знаю, это было первое упоминание о квантовом туннелировании вселенной как целого.) И вновь проблема в том, что нестабильное "яйцо" не могло существовать вечно, следовательно, оставалась проблема, откуда оно взялось.

v А.Н. Guth, The Inflationary Universe ("Инфляционная Вселенная"), Addison-Wesley, Reading, 1997, p. 273.

vi St. Augustine, Confessions (Святой Августин, "Исповедь"), Sheed and Ward, NY, 1948.

vii A. Vilenkin, "Quantum origin of the universe" ("Квантовое происхождение Вселенной"), Nuclear Physics, vol. B252, p. 141,1985.

viii Я благодарен Эрнану Макмаллину (Ernan McMullin) который обратил мое внимание на важность требования, что вселенные ансамбля должны существовать реально, а не быть только возможными вселенными.

ix J.В. Hartle, S.W. Hawking, "The wave function of the universe" ("Волновая функция Вселенной"), Physical Review, vol. D28, p. 2960,1983. Хокинг наметил основную идею этой работы примерно годом раньше в сб. "Астрофизическая космология: доклады недели космологии и фундаментальной физики" (Astrophysical Cosmology: Proceedings of the Study Week on Cosmology and Fundamental Physics, edited by H.A. Bruck, G.V. Coyne, and M.S. Longair, Pontifica Academia, Vatican, 1982), но тогда он не раскрыл никаких математических подробностей.

x Познакомиться с предположением об отсутствии границ можно в бестселлере Хокинга "Краткая история времени", Амфора, 2003. (Hawking S., A Brief History of Time, Bantam, New York, 1988, p. 136). (О современном состоянии этих идей рассказывается в новой научно-популярной книге Хокинга "Мир в ореховой скорлупке", Амфора, 2007. — Примеч. перев.).

xi Следует сделать оговорку, что ландшафт теории струн состоит из нескольких не связанных доменов и пузыри из одного домена не могут зарождаться в другом. В таком случае пузыри, возникающие в ходе бесконечной инфляции, будут содержать только вакуумы, принадлежащие тому же домену, что и первоначальный вакуум, заполнявший вселенную в момент ее возникновения. В этом случае природа мультиверса будет зависеть от начального состояния, и проверка квантовой космологии становится принципиально возможной.

Глава 18. Конец света

i Физические процессы в отдаленном будущем Вселенной среди про чих анализировали Мартин Рис и Дон Пейдж (Don Page). Популярный обзор дан в книге Пола Дэвиса "Последние три минуты: догадки о конечной судьбе Вселенной" (Paul Davies, The last three minutes: conjectures about the ultimate fate of the universe, Basic Books, New York, 1994)-

ii Этот сценарий основан на анализе К. Нейджамайна и А. Лоэба в ста тье "Будущая эволюция окружающей крупномасштабной структуры во Вселенной с доминирующей космологической постоянной" (Nagamine К., Loeb A., "Future evolution of nearby large-scale structure in a universe dominated by a cosmological constant", New Astronomy, vol. 8, p. 439, 2003).

iii Предсказание о том, что местная область Вселенной подвергнется коллапсу и большому сжатию, сделано в статье "Проверяемые антропные предсказания для темной энергии", написанной мною с Хауме Гарригой ("Testable anthropic predictions for dark energy", Physical Review, vol. D67, p. 043503, 2003). Мы отмечали, однако, что это предсказание вряд ли удастся проверить в обозримое время.

Глава 19. Огонь в уравнениях

i Alan L Mackay, A Dictionary of Scientific Quotations ("Словарь научных цитат"). Institute of Physics Publishing, Bristol, 1991.

ii P.A.M. Dirac, "The evolution of the physicist's picture of nature" ("Эволюция физической картины мира"), Scientific American, May 1963.

iii Интересную дискуссию о красоте научных теорий можно найти в книге Марис Ливио "Ускоряющаяся Вселенная: бесконечное расширение, космологическая константа и красота космоса" (Mario Livio, The Accelerating Universe: Infinite Expansion, the Cosmological Constant, and the Beauty of the Cosmos, Wiley, New York, 2000).

iv M. Tegmark, "Parallel universes" ("Параллельные вселенные"), Scientific American, May 2003.

v Тегмарк не делает различии между математическими структурами и вселенными, которые они описывают. Он полагает, что математичес

кие уравнения описывают все аспекты физического мира, так что каждый физический объект отвечает определенной сущности платоновского мира математических структур и наоборот. В этом смысле два мира эквивалентны друг другу, и, согласно Тегмарку, наша собст венная Вселенная есть математическая структура, vi Чтобы справиться с этой проблемой, Тегмарк предполагает, что не все математические структуры равноценны; им можно назначить разные "веса". Если веса быстро убывают с нарастанием сложности, то наиболее вероятными могут оказаться простейшие структуры, которые все же способны содержать наблюдателей. Это введение весов может разрешить проблему сложности, но тогда мы встаем перед вопросом: кто определяет веса? Должны ли мы вернуть из изгнания Творца? Или нам следует еще больше расширить ансамбль, чтобы включить все возможные назначения весов? Я даже не уверен, что представление о весах на множестве всех математических структур логически не противоречиво: оно похоже на введение дополнительной математической структуры, но все они, как предполагается, уже включены в рассматриваемое множество.

И менной и предметно-тематический указатель

Алхимия 51, 52 Альфа, Центавра 130,131 Альфер Ральф 53, 57, 58, 59 Альфонс Мудрый, король Кастилии 265

Андреас, Олбрехт 87, 90, аннигиляция пар 50 Анрух, Билл 257 антигравитация 20, 21,70, 73, 104,105, юб антикварки 51 античастицы 50, 51, 207 антропная селекция

космологическая постоянная

и 187

предсказания, вытекающие

из 188,190,195

теория струн и 220, 221, 222 аргумент "судного дня" 192, 286 Аристотель 24, 25 Архимед 268

Astrophysical Journal (журнал) 287

Аткац, Дэвид 293 атомные ядра

образование 18 последствия разогрева 48 атомы

образование 51, 57

см. также атомные ядра

бактерия, воспроизводство 112

Бардин, Джим 90

Барроу, Джон 284

Барселонский университет 141

Бекенштейн, Якоб 148

Bell Telephone Laboratories 58

белые карлики 197,198, 259, 287

Бете, Ганс 52

Бладмен, Сидней 289

Блаженный Августин 248, 249

Бог

и сценарий космического яйца 225, 226, 293, 294

как математик 267-269

Бозе, Шатьендранат 167

бозоны 167,183, 213, 284, 288

Больцман, Людвиг 39

"большое схлопывание" 34, 41

Большой взрыв

послесвечение 12,125 образовавшиеся элементы 53. 54. 56

решения Фридмана для уравнений Эйнштейна 35, 36, 37, 41, 50

инфляционная Вселенная 6

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: