Туго свернутая вселенная
“Великая загадка: почему квантовые флуктуации не свертывают вселенную в тугой шар”, – рассуждал Хокинг
[242]. Это одна из тех великих загадок, которые необходимо разрешить на подступах к теории всего.
Физики называют эту загадку энергии в (так называемом) вакууме проблемой космологической константы. Как вы помните, еще Эйнштейн обдумывал возможность космологической константы, уравновешивающей гравитацию и препятствующей изменению размеров вселенной. Позднее он счел эту мысль “величайшим заблуждением своей жизни”. Но термин сохранился, хотя изменил значение: теперь “космологической константой” называется число, указывающее на плотность энергии в вакууме, энергетическая плотность вакуума. Здравый смысл шепчет: нет там никакой энергии, но, как мы убедились, в силу принципа неопределенности и “пустое” пространство не вовсе пусто. Оно лопается от энергии. Космологическая константа (энергетическая плотность вакуума) должна быть огромна, и общая теория относительности утверждает, что масса или энергия такой величины должна плотно свернуть вселенную.
Однако вопреки принципу неопределенности и общей теории относительности вселенная не сворачивается. Напротив, к тому времени, когда Хокинг взялся разрабатывать теорию кротовых нор, величина космологической константы уже была установлена – и это подтвердилось в наблюдениях – близко к нулю. Это же подтверждается и скоростью расхождения галактик, и самим фактом нашего существования. “Большая космологическая константа, как положительная, так и отрицательная, сделала бы вселенную непригодной для жизни”, – напоминает Хокинг
[243]. Размер космологической константы – один из примеров “гармонизации”, о которой мы говорили в главе 9. Выходит, Эйнштейн поспешил с признанием своей “ошибки”. Но этого в начале 1990-х никто не знал.
Но почему же теория сулит нам огромную космологическую константу, а мы наблюдаем маленькую? Вспомним еще раз пары частиц в излучении Хокинга. В теории супергравитации, о которой Хокинг говорил в своей Лукасовской лекции, пары фермионов (частиц материи) испускают в вакууме отрицательную энергию и уравновешивают положительную энергию бозонов (частиц-вестников). Это может послужить хотя бы частичным объяснением, но не все тут просто. Во-первых, эти частицы взаимодействуют не только с гравитацией. И даже если нас окружает огромное количество плюсов и минусов, которые взаимно нейтрализуют друг друга, трудно поверить, чтобы они в точности уравновесились и дали ноль. Сидни Коулмен, разделявший интерес Хокинга к кротовым норам, признавался: “Ноль – число подозрительное. Представьте себе, что на протяжении десятилетий вы тратите, не считая, миллионы долларов, а когда наконец заглянули в строку прихода, оказалось, что приход с расходом сходится до цента”
[244]. Еще менее вероятно, чтобы точно в ноль вышла космологическая константа.
Справятся ли с этим парадоксом кротовые норы? Хокинг предполагал, что ветвящиеся в каждой точке кротовые норы превращают космологическую константу, энергетическую плотность вакуума, в “квантовую переменную”, подобную массе частиц. Размер ее может быть любым. Какова вероятность, что он окажется около нуля? Представьте момент рождения вселенной, когда “малышка” отделяется от существующей вселенной. Теория кротовых нор предполагает существование множества вселенных, и гораздо больших, чем наша нынешняя, и невообразимо малых, и так далее. Новорожденная вселенная через кротовую нору скопирует величину космологической константы одной из этих вселенных, как бы “унаследует” ее. В момент рождения человека непринципиально, унаследовал ли он музыкальный слух, – этот талант проявится позже. Так и при рождении вселенной несущественно, “унаследовала” ли она космологическую константу, близкую к нулю. Ее константу вообще нельзя будет измерить, пока вселенная не подрастет. При таком разнообразии вселенных все же наиболее вероятно, что крошка унаследует космологическую константу через кротовую нору, связывающую ее с одной из полноразмерных вселенных, а такие возникают лишь при условии, что все плюсы и минусы вакуума в сумме дали ноль. Коулмен исследовал вероятность существования вселенной (согласно теории кротовых нор), в которой космологическая константа близка к нулю, то есть вселенной, похожей на нашу. Оказалось, что куда менее вероятно существование любого другого вида вселенной.
Кротовые норы и теория всего
Кротовые норы и малышки-вселенные захватили воображение многих ученых. Начались оживленные споры, посыпались альтернативные версии. Это хороший признак. “Наука о младенчестве вселенных сама переживает младенчество, – шутил Хокинг, – но она быстро взрослеет”
[245]. Поможет ли гипотеза о кротовых норах и малышках вселенных построить полную теорию вселенной?
Прежде всего, как мы уже убедились, эта теория предлагает новый взгляд на проблему космологической константы, на мучительный вопрос о плотности энергии в вакууме – почему же вселенная не съеживается, хотя вроде бы должна? Верил ли Хокинг в то, что теория кротовых нор поможет преодолеть этот парадокс на стыке общей теории относительности и квантовой механики? “Я бы не стал заходить так далеко, – осторожничал Хокинг. – Фундаментального противоречия здесь нет, но имеются технические проблемы, которые с помощью кротовых нор преодолеть не удалось”
[246].
Во-вторых, теория кротовых нор не разваливается, если проследить ее “до начала”. Если вернуться к Большому взрыву, то, согласно теориям Эйнштейна, там мы столкнемся с сингулярностью, в которой все известные нам законы физики отменяются. Предположение Хокинга об отсутствии граничных условий привело к выводу: в воображаемом времени сингулярности нет. Теория кротовых нор предполагает, что в мнимом времени наша вселенная могла зародиться как крошка-вселенная, отпочковавшаяся от другой вселенной.
В-третьих, теория кротовых нор увязывает квантовую механику и теорию относительности, позволяя нам достаточно наглядно, геометрически представить себе квантовые флуктуации, квантовые кротовые норы и маленькие вселенные как нечто похожее на свертывание пространства-времени и черные дыры на астрономическом уровне. Фундаментальные числа нашей вселенной, массы и заряды частиц и космологическая константа, обусловлены формой, геометрией лабиринта взаимосвязанных вселенных.
Другие теории не могут предсказать размеры и заряды частиц. Во всех теориях присутствуют произвольные элементы. Житель иного мира, никогда не видевший нашей вселенной, не мог бы воспользоваться этими теориями, чтобы вычислить фундаментальные числа, – ему пришлось бы всмотреться в “реальную” вселенную. Как мы видим, продолжается спор о том, поможет ли нам теория кротовых нор понять и вычислить фундаментальные числа или же именно из-за кротовых нор маловероятно точное предсказание этих чисел внутри любой теории.
