4.Концепция множественности миров.

 

Легко заметить, что при формулировке проблемы рождения Вселенной из «Ничего» совершенно неясным остается вопрос о возникновении этого «Ничего». Откуда же, из чего возникает такое начальное состояние Вселенной — пустое замкнутое пространство без частиц? Этот вопрос сегодня обсуждается в рамках двух концепций: в концепции дочерних вселенных и в концепции суперпространственной динамики. Отметим, что общая их черта состоит в предположении множественности миров.

Рассмотрим вначале концепцию дочерних вселенных, которая, в свою очередь, также имеет два варианта. Первый из них апеллирует к представлениям о маловероятных, но сильных флуктуациях геометрии пространства-времени в субмикроскопических масштабах. Во втором варианте рассматриваются процессы, происходящие на конечных стадиях эволюции «черных дыр». Первый вариант концепции имеет еще одно название — рождение Вселенной из «пространственно-временной пены».

С точки зрения квантовой теории чисто классической геометрии пространства-времени существовать не может. Строго фиксированные значения геометрических физических характеристик пространства-времени — метрики, связности и кривизны — вступают в противоречие с фундаментальным принципом неопределенности. Поэтому эти геометрические характеристики в действительности флуктуируют около средних значений, определяющих макроскопическую геометрию Вселенной. Характерный пространственно-временной масштаб флуктуаций – планковский, 10^-33 см. Характерное время также планковское — 10^-43 сек. Эти флуктуации имеют место в каждой точке макроскопического пространства-времени. Они не воспринимаются нами непосредственно, во-первых, в силу малости их пространственно-временных масштабов (наши органы чувств и приборы, создаваемые нами, оперируют с гораздо большими пространственно-временными промежутками, поэтому проводят автоматическое усреднение по квантовым флуктуациям на планковских масштабах). Во-вторых, амплитуды этих флуктуации на самом деле, абсолютно малы, т.е. малы отклонения метрики и других геометрических характеристик от средних значений. Но эти флуктуации реально существуют, подчеркнем — они есть следствие фундаментальных принципов квантовой теории. За ними установилось название «пространственно-временная пена». В последние годы был поставлен вопрос: а можно ли убедиться в существовании такой «пены» в прямых экспериментах?

Напомним, что любая постановка вопроса в современной фундаментальной физике предполагает вначале конструирование модели в нашем сознании, а лишь затем создание приборов для фиксации ключевых свойств созданной теоретической конструкции. На последнем этапе происходит непосредственно наблюдение эффекта и его интерпретация в рамках придуманной теории. Теория необходима для выделения интересующего нас эффекта на фоне множества других. Эта же методология, в частности, используется и при постановке задачи о возможном наблюдении «пространственно-временной пены». Идея теоретического прогноза основана на предположении, что во Вселенной имеются источники гамма-квантов (фотонов) сверхвысокой энергии — порядка 10¹⁶ ГэВ, что всего на 3 порядка меньше предельной планковской энергии в 10¹⁹ ГэВ. Это, конечно, только предположение, хотя и достаточно правдоподобное. По крайней мере, все, что нам известно об активных ядрах галактик, квазарах и других астрономических объектах со сверхмощным энерговыделением, позволяет предполагать существование гамма-квантов таких энергий. Вообще говоря, любой гамма-квант при движении в пространстве-времени чувствует его геометрические свойства (напомним, что в классической теории гравитации хорошо известен эффект отклонения солнечных лучей гравитационным полем). На движение фотонов влияют также и флуктуации геометрии пространства-времени, просто для гамма-квантов с большой длиной волны (то есть с малой энергией) этот эффект совершенно не заметен, Чтобы его увидеть, длина волны гамма-квантов должна быть сравнима с характерным масштабом флуктуаций. Наблюдая за фотонами с энергией 10¹⁶ ГэВ, мы имеем шанс заметить их реакцию на флуктуации геометрических характеристик пространства-времени: теперь фотоны будут распространяться с несколько иной скоростью, меньшей их скорости в пространстве-времени с нефлуктуирующей геометрией. Зависимость между энергией и импульсом у таких фотонов также меняется по сравнению с обычными фотонами. В последнее время обсуждаются возможности наблюдения такого эффекта для прямого подтверждения существования «пространственно-временной пены».

Возвращаясь к проблеме рождения Вселенной из «Ничего», отметим, что квантовые флуктуации представляют собой статистическое явление; когда мы говорим, что их величина мала, имеется в виду их малость в среднем, то есть, малы наиболее вероятные значения амплитуд флуктуаций. Но на фоне наиболее вероятных малых флуктуаций могут возникать и так называемые статистические выбросы — очень маловероятные флуктуации большой амплитуды. С этими мощными флуктуациями обязательно будут связаны и мощные локальные гравитационные поля. Такая область мощной флуктуации может гравитационно обособиться, отделиться от нашей Вселенной и сформировать область пространства, топологически не связанную с нашей Вселенной. Эта обособленная область представляет собой 3-мерное пространство планковских размеров, не содержащее внутри себя частиц. Такая область по всем своим характеристикам соответствует объекту, обозначаемому словом «Ничего». После своего гравитационного отделения эта область пространства начнет развиваться автономно, следуя, возможно, сценариям КГД, описанным в предыдущем разделе. Именно так нам представляется сегодня рождение дочерней вселенной из «пространственно-временной пены».

Каковы характерные черты этой гипотезы? Дочерняя вселенная может «отпочковаться» от любой области нашей Вселенной; сам же процесс этого отделения должен сопровождаться весьма кратковременным, но мощным излучением высокоэнергетических частиц без всякой видимой причины. Если бы процесс образования дочерних вселенных происходил часто, мы бы видели вокруг нас беспричинные вспышки высокоэнергетического излучения, что, на первый взгляд, противоречит закону сохранения энергии. Конечно, нарушения закона нет, просто энергия распределяется в пространстве-времени с учетом не наблюдаемой нами дочерней вселенной. Вероятность рождения такой вселенной чрезвычайно мала. Чтобы произошло спонтанное обособление дочерней вселенной от нашей макроскопической Вселенной, оказывается недостаточным всего времени существования последней. Если и был такой процесс, то он явно был случаен и единичен.

Впрочем, не все так безнадежно, ведь сейчас мы говорили о малой вероятности именно спонтанного рождения из «пространственно-временной пены». Есть много возможностей стимулировать этот процесс, сделать его не спонтанным, а индуцированным. Известно, что в областях, где пространство-время сильно искривлено, вероятность рождения дочерней вселенной резко возрастает. Самый простой способ локально сильно искривить пространство-время — столкнуть две сверхвысокоэнергетические частицы так, чтобы они образовали, хотя бы на короткое время, компактный объект — сгусток плазмы элементарных частиц, или файерболл. Если энергии частиц сравнимы с планковскими, а параметры его (размеры файерболла) тоже порядка планковских, то вероятность рождения Вселенной уже будет близка к единице. А если у нас есть частицы меньших энергий, то файерболлы будут менее компактны, и вероятность рождения дочерних вселенных будет, соответственно, меньше. Но в любом случае нужно иметь в виду, что в области соударений частиц высоких энергий вероятность рождения дочерних вселенных повышается. Эти достаточно надежные теоретические прогнозы приводят к выводу о том, что дочерние вселенные все же могут отпочковаться от нашей Вселенной, так как в ней имеются достаточно высокоэнергетические частицы, и за время существования нашей Вселенной в каком-либо ее месте наверняка произошло соударение таких частиц. Поэтому концепция множественности миров, основанная на рождении дочерних вселенных из «пространственно-временной пены», выглядит достаточно правдоподобно.

Отметим также еще один своеобразный вывод теории — как ни парадоксально это звучит, проводя эксперимент на современных ускорителях, мы создаем такие условия в области соударений частиц, при которых рождение новой дочерней вселенной становится более вероятно, чем за пределами ускорителя. Сами того не ожидая, мы сделали первый маленький шаг к созданию искусственных вселенных в лаборатории руками человека. Конечно, энергии, которые у нас имеются, очень малы, и говорить о разумных вероятностях создания дочерней вселенной в лаборатории нельзя. Но важно подчеркнуть, что первый шаг уже сделан, и мы можем сами повысить вероятность рождения вселенной. Наверное, этот вывод из фундаментальной физической теории достоин философского осмысления.

Обсудим теперь и второй вариант — возникновение дочерних вселенных в ходе эволюции «черных дыр». Кратко напомним — «черная дыра» представляет собой сильно сжатый компактный объект, гравитационное поле которого способно удержать любые частицы, включая и фотоны. Размер «черной дыры» с массой М определяется так называемым гравитационным радиусом: . Более детальный анализ показал, что «черная дыра» в действительности не является абсолютно черной, то есть это образование способно не только поглощать частицы, но также излучать их. Несмотря на то, что из-под гравитационного радиуса никакие частицы выйти не могут, пары частиц (с противоположными по знаку зарядами) могут спонтанно рождаться из вакуума в окрестности гравитационного радиуса. При этом одна из частиц находится за гравитационным радиусом, следовательно, может покинуть «черную дыру», а вторая частица находится под радиусом и падает обратно, к центру «черной дыры». Этот эффект в середине 70- годов был открыт С.Хокингом. Отметим, кстати, что эффект Хокинга имеет непосредственное отношение к физике вакуума: эффект «испарения» «черной дыры» является следствием деформации вакуума ее сверхсильным гравитационным полем. Смысл термина «испарение» объясняется тем, что масса-энергия «черной дыры» уносится спонтанно рождающимися частицами. По этим причинам любая «черная дыра» живет лишь конечное время, которое определяется величиной ее массы: .

Наиболее интригующий вопрос связан с конечной стадией эволюции испаряющейся «черной дыры». Существующая теория позволяет проследить эволюцию «черной дыры» до той стадии, когда ее радиус и масса становятся равными планковским значениям. По-видимому, последним актом существования такого объекта в нашем пространстве должен быть всплеск излучения на масштабе планковских энергий, после чего область «черной дыры» становится, образно говоря, пустой. Тогда встает вопрос о дальнейшей судьбе этой области пространства, прежде занимаемой «черной дырой». Заметим, что анализ эволюции «черной дыры» естественно приводит к понятию, которое мы ранее использовали при обсуждении проблемы рождения Вселенной — понятию «Ничего», как пустого замкнутого пространства планковских размеров. Кажется естественным предположение о том, что «Ничего», возникая, как целостный объект на конечной стадии эволюции «черной дыры», является зародышем новой вселенной. Для этого необходимо, чтобы связь остатка «черной дыры» с нашим пространством прервалась, другими словами, чтобы этот остаток ушел в так называемую несвязную область. Нетрудно заметить, что в результате такой цепочки явлений мы получаем ту же ситуацию, которая раньше обсуждалась в связи с флуктуациями в «пространственно-временной пене». Возникновение пустой несвязанной области имеет место и в том, и в другом случае. Причины появления своеобразного «отростка» от нашего пространства, связанного с ним лишь перемычкой, размеры которой меньше гравитационного радиуса, разные, но результат тот же. Дальнейшая эволюция такой пустой области «Ничего» уже обсуждалась.

Насколько реально возникновение дочерних вселенных в процессе квантового испарения «черных дыр»? Легко подсчитать, что за время жизни Вселенной успеют испариться только дыры, массы которых очень малы по сравнению с типичными звездными массами. Весьма проблематичным является и происхождение таких «черных дыр». Единственной разумной гипотезой служит предположение, что эти дыры являются так называемыми первичными, возникшими в ходе катастрофических процессов на некоторых этапах эволюции Вселенной. Сегодня можно указать и конкретные катастрофические процессы, имеющие отношение к проблеме — в частности, это релятивистские фазовые переходы с перестройками структуры физического вакуума. Любая такая перестройка неизбежно сопровождается возникновением сильных флуктуаций плотности космологической плазмы. Поэтому можно допустить, что некоторые из этих флуктуаций способны к гравитационному обособлению и образованию «черной дыры». Если принять эту гипотезу, можно заметить, что дочерние вселенные — это дочери вакуума, который в ходе своих перестроек порождает «черные дыры», затем обеспечивает их квантовое испарение и, в конечном счете, образование дочерней вселенной. Мы много говорили выше о вакууме, как об объекте с чрезвычайно сложной структурой и разнообразными сложными функциями, происхождение которых и цель плохо понятны. Теперь к этим функциям можно добавить и рождение дочерних вселенных. Похоже, что вакуумные структуры не только самоорганизуются, но и размножаются!

Еще одна концепция рождения Вселенной связана с другим типом экстраполяции существующих теоретических конструкций за пределы локальной физики. Имеется в виду следующая аналогия: квантовая теория одной Вселенной, точнее, Вселенной вместе с дочерними, представляет собой аналог квантовой теории одной частицы. Подобно тому, как в простой задаче квантовой механики объектом описания являются квантовые свойства одной микрочастицы, так и в этом варианте КГД объектом описания является одна Вселенная. Мы знаем, что реальный мир состоит из большого числа частиц, и описание системы многих частиц нужно проводить уже в рамках квантовой теории поля, где частицы рассматриваются как кванты поля, а поле — как характеристика пространства-времени. Попробуем эту логику использовать и в КГД. Естественным шагом является следующее обобщение — введение квантового поля Супервселенной, квантами которого будут отдельные вселенные. Само поле определено в суперпространстве и, по-видимому, должно выступать как геометрическая характеристика суперпространства. В теоретической физике эта программа носит название третичного квантования (первичным принято называть теорию отдельных микрочастиц, вторичное квантование – это уже теория поля). Эта программа весьма претенциозна, так как фактически исходит из гипотезы о существовании надпространственной реальности, в которой и существует множество взаимодействующих друг с другом вселенных. Более того, эта программа оформляет наши претензии на познание этой реальности. Претензии явно очень завышены, и поэтому в дальнейшем мы не будем обсуждать конкретные варианты суперпространственной динамики, тем более что сделано в этой области немного. Проблема состоит в том, что нам неизвестна симметрия и, следовательно, геометрия суперпространства. Простейшие предположения об этой геометрии приводят к моделям, в которых процессы рождения новых вселенных при взаимодействии существующих (аналог рождения новых частиц при соударениях частиц в ускорителях) отсутствуют. Конечно, это свидетельствует лишь о недостатке имеющихся знаний.

Итак, какова же на сегодняшний день общая картина? Во-первых, в некотором смысле физический вакуум является носителем всех потенциальных свойств Вселенной, что вполне очевидно из анализа лабораторных экспериментов, астрофизических наблюдений и их теоретического осмысления. Именно на уровне вакуума происходят процессы превращения «Ничего» в макроскопическую Вселенную. Структуры вакуума и происходящие на их уровне процессы обусловливают как сам факт рождения Вселенной, так и ее свойства. Во вторых, мы видим, что вакуум может выполнять функции наблюдателя–участника — в соответствии с концепцией Эверетта-Уилера на вакуумных структурах может записываться и храниться информация о каждом физическом процессе. Также именно на уровне вакуума происходят процессы, которые могут привести к размножению вселенных. Очевидно, что этот эффект определяется наличием у вакуума свойством самоорганизации. Можно уверенно сказать, что у Вселенной в целом, благодаря сложнейшей структуре физического вакуума, есть ряд признаков системы, способной к самопознанию. Не исключено, что Вселенная, как система, не только самоорганизована, но жива, и даже разумна, вследствие наличия в ней активного элемента (вакуума), способного функционировать в режиме, свойственном Разуму. Такая философская концепция вполне совместима с результатами современной фундаментальной физики и космологии. Напомним, что существующая в среде ученых так называемая «вежливая форма религиозности» (по формулировке А.Д.Сахарова) главным образом и порождена категориями и выводами современной космологии. Вершиной наших теоретических экстраполяций представляется гипотеза о надпространственной реальности, о существовании еще одного суперпространственного уровня, который заполнен множеством взаимодействующих между собой вселенных.

Удивительно, но факт, что мы не первыми пытаемся решить проблемы такого рода, концепции такого высокого уровня осмысления и обобщения возникли уже около 4 тысяч лет тому назад. Об этом мы поговорим в следующем разделе.