Возвращение времени. От античной космогонии к космологии будущего

Смолин Ли

Таким образом, популяция Вселенных может быть разнообразной, состоящей из видов, и каждый из них более или менее плодороден. Состав популяции всевозможных Вселенных будет постоянно меняться по мере того, как обнаруживаются новые способы достижения более плодородных состояний.

Это метод работает в биологии. Не существует абсолютно приспособленных видов, которые живут всегда. Вместо этого каждая эпоха характеризуется своим набором видов, и каждый из них относительно приспособлен. Жизнь не достигает равновесия. Аналогично любые законы, типичные для популяции Вселенных, будут изменяться по мере развития популяции. Если бы существовало конечное состояние, достигнув которого состав популяции Вселенных остался бы вечным, понятие времени потеряло бы смысл и мы смогли бы сказать, что достигнуто вневременное равновесие. Но естественный отбор не предполагает такого состояния. В сценарии космологического естественного отбора время присутствует всегда.

Кроме того, этот сценарий требует, чтобы время было и универсальным, и

реальным. Популяция Вселенных быстро растет, увеличиваясь всякий раз, когда какая-нибудь Вселенная порождает черную дыру. Если мы желаем сделать теоретические предсказания, мы должны установить, сколько Вселенных в каждый момент имеют определенные свойства. Это время должно иметь значение не только в отдельной Вселенной, но и в популяции. Таким образом, нам необходимо понятие времени, картина одновременности в пределах каждой Вселенной по всей популяции [90] .

90

Заметьте, что идея эволюции законов не требует глобальной одновременности. Изменение законов может произойти в событии, которое влияет лишь на будущие события, связанные с ним причинно-следственной связью. Как описано в главе 6, причинно-следственный порядок соответствует относительности одновременности. Но космологический естественный отбор требует глобального времени, и это противоречит относительности одновременности.

Сравним это с теорией хаотической инфляции. Ранняя Вселенная быстро расширяется, потому что квантовые поля, соответствующие частицам и их взаимодействиям, находятся в фазе, в которой темная энергия имеет высокую плотность. Это заставляет Вселенную расширяться экспоненциально быстро. Расширение, как правило, прекращается, когда в результате фазового перехода формируется “пузырь”, аналогичный пузырю в кастрюле с кипящей водой. Пузырь содержит газовую фазу воды. В космологическом сценарии “пузырь” содержит фазу квантового поля, в которой недостаточно темной энергии, и поэтому расширение замедляется.

Виленкин и Линде заметили, что в окружающей среде по-прежнему содержится много темной энергии и она будет продолжать быстро расширяться. При этом формируется все больше “пузырей”, которые становятся Вселенными. Они обнаружили, что при определенных условиях этот процесс может продолжаться вечно, потому что инфляционная среда не исчезает, даже если она производит бесконечное число Вселенных. Если так, то наша Вселенная – один из бесконечного множества “пузырей” в вечно расширяющейся среде.

В самом простом варианте, который я предлагаю для целей нашей дискуссии, законы внутри каждого “пузыря” отбираются случайным образом из ландшафта возможных законов [91] . Во многих дискуссиях предполагается, что этот ландшафт определяется в рамках струнных теорий, но для этого годится любая теория с переменными параметрами, включая стандартную модель (СМ). В простейшем случае пропорции “пузырей”, которые выбирают конкретный закон, постоянны. По мере того, как появляется все больше “пузырей” Вселенных, вероятности для разных законов в популяции остаются такими же. В этом случае время и динамика не играют роли в процессе, в котором в нашей Вселенной устанавливаются законы, отбираемые среди всех (возможно, бесконечного количества) возможностей. Распределение Вселенных (то есть вероятности приобретения Вселенной различных законов или свойств) достигает своеобразного равновесия и остается навсегда. Этот сценарий в некотором смысле вневременной. Это делает его годным для сравнения с космологическим естественным отбором.

91

Основанием для этого является то, что масштаб физических процессов при рождении пузырей, как правило, принимается порядка масштаба Великого объединения, что по крайней мере на 15 порядков больше, чем массы кварков и лептонов стандартной модели. Таким образом, вполне вероятно, что эти легкие фермионы произвольно выбраны при формировании пузыря-Вселенной.

Поскольку законы в каждом “пузыре” выбираются случайным образом, Вселенные с точно настроенными законами, необходимыми для жизни, чрезвычайно редки. Поэтому наша Вселенная – атипичный вид в популяции пузырьковых Вселенных.

Чтобы сопоставить этот сценарий с наблюдениями, космологам приходится привлекать антропный принцип. Он оставляет крошечную долю гостеприимных Вселенных. Удивительно, но есть много общего в наборах свойств, необходимых в мире для зарождения жизни и для высокой плодовитости в отношении черных дыр. Поэтому космологический естественный отбор и антропный принцип, как оказалось, объясняют одни и те же настройки параметров СМ. Но обратите внимание, как различаются их объяснения. В теории космологического естественного отбора наш мир – типичная Вселенная, и большинство представителей популяции будет иметь похожие свойства, которые характеризуются высокой приспособленностью, а в теории хаотической инфляции такие миры, как наш, встречаются крайне редко. В первом случае мы имеем подлинное объяснение, в последнем – лишь принцип отбора. Две теории различаются и в отношении предсказаний еще не наблюдаемых свойств Вселенной. Космологический естественный отбор уже подразумевает несколько оригинальных предсказаний. А сценарии, основанные на антропном принципе, пока не представили ни одного научного предсказания, которое можно было бы проверить. И я сомневаюсь, что когда-либо представят.

И вот почему. Рассмотрим любое свойство нашей Вселенной. Это свойство либо необходимо для жизни, либо нет. Если верно первое, то это свойство уже объясняется нашим существованием, так как оно должно иметь место в любой из очень малой доли Вселенных с разумной жизнью. Теперь рассмотрим второй класс свойств, которые не требуются для разумной жизни. Поскольку законы в каждом “пузыре” выбираются случайно, эти свойства случайно распределены в популяции Вселенных. Но так как эти свойства не имеют ничего общего с жизнью, они будут распределены случайным образом в коллекции обитаемых Вселенных. Таким образом, теория не дает предсказания относительно того, что мы должны наблюдать в нашей Вселенной.

Масса электрона является хорошим примером свойства первого класса. Есть убедительные свидетельства того, что условия жизни будут ухудшаться, если масса электрона будет резко отличаться от наблюдаемого значения [92] . Пример свойства второго класса – масса топ-кварка (t– кварка). Насколько мы знаем, она может варьировать в большом диапазоне, не затрагивая жизненно важных свойств Вселенной. Следовательно, антропный принцип не может объяснить наблюдаемое значение массы топ-кварка. Теория хаотической инфляции все-таки делает потенциально проверяемое предсказание: кривизна пространства в каждом “пузыре” Вселенной принимает небольшое отрицательное значение. (При отрицательном значении кривизны пространство изгибается как седло, а при положительной кривизне оно подобно сфере.) Если наша Вселенная появилась как “пузырь” в расширяющейся мультивселенной, кривизна нашего пространства будет немного отрицательной. Это оригинальное предсказание, но существует несколько проблем, связанных с его проверкой. Во-первых, отрицательная кривизна очень близка к нулевой, а нуль трудно отличить от небольшого числа, положительного или отрицательного. Такое значение кривизны лежит в пределах ошибки эксперимента. Даже более точные данные, которые ожидаются в экспериментах, едва ли позволят сказать, является ли искривление равным нулю, слегка отрицательным или слегка положительным. Как и в любом эксперименте, всегда будет присутствовать неопределенность в измерениях. Учитывая это, маловероятно, что какое-либо наблюдение позволит скоро подтвердить или опровергнуть указанное предсказание.

92

Carr, B. J., and M. J. Rees The Anthropic Principle and the Structure of the Physical World // Nature 278: 605–12 (1979); Barrow, John D., and Frank J. Tipler The Anthropic Cosmological Principle. New York: Oxford University Press, 1986.

Даже если мы убедимся в том, что пространственная кривизна Вселенной немного отрицательна, это не докажет, что наша Вселенная – одна из огромного набора. Есть много космологических моделей и сценариев, согласующихся с небольшим отрицательным значением кривизны. Один гласит, что наша Вселенная уникальна и является просто решением уравнения Эйнштейна с отрицательной кривизной. Такие решения существуют, и они не требуют инфляции. Другой сценарий предполагает, что в результате инфляции образовалась одна-единственная Вселенная. И ни одно наблюдение не может подтвердить гипотезу о свойствах предполагаемого набора других Вселенных, которые никак не влияют на нашу.

Сценарий хаотической инфляции требует множества всевозможных теорий, и их можно выбрать из огромного количества струнных теорий. То, что и раньше имелся простор для струнных теорий, очевидно из статей Эндрю Строминджера 1986 года, но положение усугубилось в 2003 году, когда было доказано существование астрономического числа (около 10⁵⁰⁰) струнных теорий с малыми положительными значениями космологической постоянной [93] . Однако это число хотя и огромно, но измеримо. В 2005 году Вашингтон Тейлор из Массачусетского технологического института и его коллеги смогли найти доказательства существования бесконечного числа струнных теорий с небольшой отрицательной космологической константой [94] .

93

Kachru, Shamit, et al. De Sitter Vacua in String Theory // arXiv: hep-th/0301240 v2 (2003).

94

DeWolfe, Oliver, et al. Type IIA Moduli Stabilization // arXiv: hep-th/0505160v3 (2005); Shelton, Jessie, Taylor, Washington, and Brian Wecht Generalized Flux Vacua // arXiv: hep-th/0607015 (2006).