Массу-энергию мы привыкли представлять себе как скопления вещества – звезды, планеты и так далее. Каждая из них вносит свой вклад в виде mc2 в общую массу-энергию вселенной – но не только: столь же важную роль (точно такую же важную роль, если гипотезы Хокинга верны) играет и гравитация. А у гравитационной энергии есть одна странность: она отрицательна.
Чтобы понять, что это значит, физики рассуждают о гравитационной энергии как о гипотетической совокупности частиц. Она равна нулю, если частицы бесконечно рассеяны – разнесены как можно дальше друг от друга. Но если под воздействием гравитации возникает скопление частиц, из которых, вероятно, впоследствии возникнет звезда, оно теряет гравитационную энергию. А поскольку изначально энергия частиц равна нулю, следовательно, к тому времени, когда они скопятся, чтобы образовать звезду или планету, энергия станет отрицательной. И если собрать все вещество со всей Вселенной в одной точке, его отрицательная гравитационная энергия (—mc2) в точности уравновешивает положительную массу-энергию всего вещества (+mc2).
Но ведь именно так мы и представляем себе зарождение Вселенной – вся масса-энергия сосредоточена в одной точке. Сценарии замкнутой вселенной описывают ситуацию, когда точка нулевой энергии делится на вещество с положительной энергией и гравитацию с отрицательной энергией, расширяется до определенного размера, а затем схлопывается обратно в точку нулевой энергии. На первый взгляд это какая-то нелепица. Но на самом деле это не порождение извращенного сознания какого-нибудь чокнутого профессора, а всеми уважаемая космологическая гипотеза, соответствующая уравнениям теории относительности.
Похоже, Вселенная – воплощение принципа, что за все надо платить. Если Вселенная содержит нулевую энергию, сколько энергии требуется, чтобы создать вселенную? Не так уж много – даже меньше, чем количество mc2 в вашем теле или в этой книге. Согласно Алану Гуту и его коллеге Эдварду Фахри, энергии потребуется ровно столько, чтобы сжать сколько-нибудь вещества в черную дыру. И тогда мы автоматически получим новую вселенную: к каждой черной дыре бесплатно прилагается вселенная.
Гут и Фахри проявили недюжинное хитроумие – не хуже великих фокусников – и показали, что две главные линии исследований в жизни Хокинга, черные дыры и большие взрывы, на самом деле одно и то же.
В принципе, зародыши вселенных могут возникать из ничего, примерно как пары виртуальных частиц в результате квантовой неопределенности (вспомним главу 9). Такая дочерняя вселенная существует в виде сверхплотной концентрации массы – меньше протона, – но с нулевой энергией, поскольку масса уравновешена отрицательной гравитационной энергией. Разумеется, по представлениям ученых 1970-х годов и раньше, такие крошечные сверхплотные зародыши должны были сразу же коллапсировать обратно в ничто под собственным весом. Однако инфляция обеспечивает способ раздуть зародыш в расширяющуюся вселенную, и гравитация не успеет схлопнуть ее. После этого у гравитации уйдут миллиарды лет на то, чтобы остановить расширение, а затем уничтожить вселенную Большим Сжатием.
Итак, если мы хотим получить бесконечное количество пузырьков-вселенных, нужно ли для этого постоянно инфляционно расширять ложный вакуум? На первый взгляд из этого следует одно неприятное обстоятельство. Если пузырек-вселенная может возникнуть из обычного вакуума, что произойдет, если она вдруг родится рядом с нами? Не сметет ли нас Большим Взрывом по соседству? Фахри и Гут уверены, что беспокоиться нам не о чем. Если молодая вселенная возникает спонтанно или создается искусственно, с самого момента рождения она никак не взаимодействует с нашей Вселенной. Вспомним, что зародыш пузырька-вселенной должен быть самозамкнутым и обречен рано или поздно коллапсировать – словом, это черная дыра. Фахри и Гут обнаружили, что можно запустить процесс создания вселенной искусственно, сжав небольшое количество вещества в черную дыру при температуре около 1024 K (очень скромная величина по сравнению с условиями в ложном вакууме). Однако свою статью об этом они назвали с долей лукавства: «Почему трудно создать вселенную в лаборатории» («An Obstacle to Creating a Universe in the Laboratory»).
[96] В статье указано, что, хотя у нас есть технические средства, чтобы проделать половину работы и получить нужное количество энергии (водородная бомба), мы пока не знаем, как локализовать полученную при взрыве энергию в пределах черной дыры.
Однако существует ненулевая вероятность, что какая-то цивилизация, более развитая, чем наша, могла бы удержать полученную энергию в достаточно маленьком объеме. Что бы тогда произошло? С точки зрения создателей такой энергетической минидыры – практически ничего. Черная дыра просто возникнет, потом будет несколько миллиардов лет испаряться в результате излучения Хокинга, а затем исчезнет. Но в пределах горизонта черной дыры все будет совсем иначе.
Согласно расчетам американских ученых, условия внутри энергетической минидыры иногда способны вызвать инфляцию. Но когда дочерняя вселенная начнет расширяться, она не просто вырвется из минидыры и захватит соседние области пространства-времени, в котором была создана: все направления, по которым она будет расширяться, перпендикулярны каждому измерению родительской вселенной. В точности то же самое происходит с дочерними вселенными, рожденными в результате естественных квантовых флуктуаций. Поскольку все наборы направлений перпендикулярны друг другу, разные вселенные с момента возникновения не взаимодействуют друг с другом. Однако в этом есть серьезное отличие от гипотезы постоянной инфляции, где пузыри зарождаются независимо и не взаимодействуют вообще. Согласно сценарию, который набросали Фахри и Гут (и который рассматривали и другие ученые, в том числе Андрей Линде), здесь одна вселенная порождает другую. Тогда получается, что наша Вселенная – потомок предыдущей вселенной, и возможно даже, что наш расширяющийся пузырь пространства-времени создан искусственно в чем-то вроде лаборатории в родительской вселенной. Писатель-фантаст Дэвид Брин уже разрабатывает эту идею в цикле произведений, и о соображениях Брина и его коллег мы еще поговорим, когда займемся гипотезой спонтанного возникновения дочерних вселенных.
Наглядно представить себе подобное разрастание измерений очень трудно. В каждой дочерней вселенной заключен собственный вакуум, в нем возникают собственные квантовые флуктуации, что порождает новые дочерние вселенные со своим набором измерений, и каждый набор измерений перпендикулярен всем остальным. Как всегда, чтобы уловить суть происходящего, нам придется прибегнуть к аналогии двух измерений, свернутых вокруг третьего.
Нам поможет старая добрая картина нашей Вселенной как поверхности раздувающегося воздушного шара. Теперь представим себе, что крошечный участок поверхности отщипнули и сделали маленький пузырек, соединенный с нашей Вселенной тоненькой «ножкой»: это черная дыра. И этот пузырек начинает расширяться и достигает огромных размеров, а между тем все обитатели родительской вселенной видят лишь крошечную черную дыру – ту самую «ножку» в ткани пространства-времени. Этот процесс может повторяться сколько угодно и породить бесконечную пену из пузырьков, каждый из которых представляет собой самостоятельную вселенную. Более того, квантовая космология допускает создание не просто одной вселенной, но бесконечного множества вселенных просто из ничего.
