Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную

Таким образом, мы можем вскоре ждать эмпирических сведений об инфляционной эпохе. Даже если нам неизвестны соответствующие физические принципы, мы можем вычислить последствия определенных допущений этой теории (значение Q, гравитационные волны и т. д.). Тогда мы сможем сравнить их с наблюдениями и, таким образом, по крайней мере сузить круг возможных вариантов.

ДРУГИЕ РЕЛИКТЫ

Любые остатки ультраранней эпохи будут важны как необходимые связующие звенья между космосом и микромиром. Одна интересная возможность (которая неясно вырисовывалась еще в сознании Гута, когда он работал над своей теорией) – это мысль о том, что магнитные монополи могли остаться от ранней Вселенной. Фарадей и Максвелл показали тесные взаимосвязи между электричеством и магнетизмом, но было одно ключевое различие (и они это понимали) между этими двумя силами: положительные и отрицательные электрические заряды существуют, но «северный» и «южный» магнитные полюса, по всей видимости, не могут существовать по отдельности. Магниты – это диполи (имеют два полюса), а не монополи (один полюс), и, если мы разрубим диполь пополам, мы никогда не получим два монополя, а только диполи меньшего размера. Несмотря на долгие замысловатые изыскания, никому так и не удалось «поймать» монополь.

Современные физики-теоретики предполагают, что монополи могут существовать, но они должны быть чрезвычайно тяжелыми (в миллион миллиардов раз тяжелее протона). Из-за высокой массы, для того чтобы они возникли, необходима огромная концентрация энергии – т. е. такая энергия, которая властвовала в самой ранней Вселенной и больше никогда. В нашей сегодняшней Вселенной монополей ничтожно мало: магнитные поля пронизывают межзвездное пространство, и их просто «закоротило» бы, если бы монополей было много. Гут был озадачен отсутствием монополей, потому что, по всей видимости, они неизбежно появлялись в ранней Вселенной. В связи с этим его лучшим предположением была мысль о том, что их общая масса составила бы в миллионы раз больше темной материи, чем ее существует на самом деле. Важным преимуществом расширения (если оно началось после того, как сформировались монополи) было то, что оно рассеяло предполагаемые монополи, и это объясняет их очевидное отсутствие сегодня.

Монополи – это нечто вроде «узлов» в космосе. На научном языке такие явления называются «топологическими дефектами». Куда более интересно, что это дефекты в форме линий, а не в форме точек – районы космоса, которые завязаны узлом в трубки тоньше атома. Они могли бы формировать замкнутые петли, как эластичные ленты, вращаясь практически со скоростью света, или же вытягиваться прямо через всю Вселенную. Некоторые специалисты по космологии строят предположения о том, что эти топологические дефекты могут быть ростками космических структур – в результате они вносят свой вклад в значение числа Q. Эта идея привлекла внимание в начале 1990-х гг., но оказалось, что она не согласуется с некоторыми деталями в процессах образования скоплений галактик, выявленными позднее. Однако эти петли все же могут существовать, и они имеют такие необыкновенные характеристики (тоньше атома, но настолько тяжелые, что каждый километр может сравниться по массе с Землей), что астрономы должны приложить массу усилий, чтобы их обнаружить.

Другая интересная возможность – миниатюрные черные дыры. Дыра размером с один атом может быть такой же массивной, как гора. Как мы уже видели в главе 3, есть прямой результат того, что число N так огромно: тяготение так слабо, что не может преодолеть другие силы в масштабе атомов, если только не «упаковать» массу N атомов в размер одного. Очень может быть, что в ультрараннюю эпоху существовало давление, способное сформировать такие маленькие черные дыры. Хотя сегодня никакие процессы не могут обеспечить такую степень сжатия, возможно, какая-нибудь будущая высокоразвитая цивилизация сможет это сделать. Особенно интересные перспективы открываются, если соединить эту мысль с другой – о том, что внутри черной дыры может развиваться новая вселенная, расширяясь в новое (возможно, бесконечное) пространство-время, никак не связанное с нашим.

ИЗ «НИЧЕГО»?

Может показаться парадоксальным, что целая Вселенная протяженностью 10 млрд св. лет (которая, возможно, расширится еще дальше, за пределы нашего горизонта) могла появиться из бесконечно малой крупицы. Это возможно потому, что, сколько бы Вселенная ни раздувалась, ее полная энергия по-прежнему может быть равна нулю. Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна, все имеет энергию, равную mc². Но все также имеет и отрицательную энергию из-за тяготения. Нам нужна энергия, чтобы выбраться за пределы земного притяжения, т. е. нам нужно сжечь достаточно ракетного топлива, чтобы достичь скорости 11,2 км/с. Таким образом, по сравнению с астронавтом в космосе на Земле мы испытываем дефицит энергии. Но этот дефицит (который можно назвать «потенциальной гравитационной энергией») с учетом того, что все во Вселенной складывается, может достичь значения минус mc². Другими словами, Вселенная создает для себя такую глубокую «гравитационную яму», что все в ней имеет отрицательную гравитационную энергию, которая точно компенсируется ее энергией массы покоя. Поэтому энергия, затраченная на раздувание нашей Вселенной, на самом деле может быть равной нулю.

Специалисты по космологии иногда заявляют, что Вселенная могла развиться «из ничего». Но они должны внимательно относиться к своим словами, особенно когда обращаются к философам. Со времен Эйнштейна мы понимаем, что пустое пространство может иметь искривленную и деформированную структуру. Даже сжатая до «точки», она таит в себе частицы и силы, а это куда больше, чем философское «ничто». Когда-нибудь физики-теоретики, возможно, смогут написать фундаментальные уравнения, описывающие физическую реальность. Но физики никогда не объяснят того, что «вдыхает огонь» в уравнения и делает их реальностью в настоящем космосе. Фундаментальный вопрос «Почему есть что-то, а не ничто?» остается в ведении философов. И возможно, мы можем дать им мудрый ответ в духе Людвига Витгенштейна[39]: «О чем невозможно говорить, о том следует молчать».

ЗА ЛИНИЮ ГОРИЗОНТА, К МУЛЬТИВСЕЛЕННОЙ

Долгосрочные прогнозы, описанные в главе 7, на самом деле основаны на предположении, которое мы не можем проверить, а именно на том, что те участки Вселенной, которые сейчас находятся вне нашего горизонта, похожи на то, что мы наблюдаем. Если вы находитесь в середине океана, вы не ожидаете, что земля находится сразу за горизонтом, но знаете, что океан не бесконечен и вы в конце концов причалите к континенту. Подобным же образом мы можем ошибаться, считая, что наша Вселенная бесконечно простирается в любую сторону одинаковым образом. Возможно, мы живем в пузыре с низкой плотностью, достаточно большом, чтобы его край лежал за нашим теперешним горизонтом, но окруженным куда более крупным районом, который в конце концов схлопнется вокруг нас. Не стоит ждать каких-либо резких перемен сразу за горизонтом; с другой стороны, нет никаких гарантий того, что мы можем экстраполировать местные условия на бесконечность.

Одно из самых важных значений раздувания состоит в том, что оно грандиозно и наглядно расширило наши представления о Вселенной. Чтобы объяснить Вселенную, которую мы видим, инфляция должна быть достаточно интенсивной, чтобы объяснить наличие 10⁷⁸ атомов в пределах досягаемости наших телескопов. Но это всего лишь минимум. Возможно, для того, чтобы остановить начавшееся раздувание, потребуется много времени (физики-теоретики говорят об этом как о проблеме «изящного выхода» из инфляции). В самом деле, большинство версий теории инфляции предполагают, что количество «удвоений» должно быть намного больше, чем то, которое нужно, чтобы объяснить наблюдаемую нами Вселенную. В главе 1 мы рассмотрели последовательность «кадров» нашей Вселенной, каждый из которых охватывает в 10 раз больший масштаб. Если начинать с масштабов, привычных нам в обычной жизни, то 25 «кадров» приводят нас к границе того, что мы видим сегодня. Эта граница, по существу, установлена тем, какое расстояние может пройти свет за 10 млрд лет или около того с тех пор, как образовались первые галактики. Но теоретики инфляции представляют себе настолько более крупную Вселенную, что она может вместить в себя миллионы кадров, каждый из которых увеличен в десять раз, пока достигнет какого-то «края». Это колоссальное расширение пространства невозможно охватить умом (для меня, по крайней мере). Разрыв в масштабах между микромиром и горизонтом видимой нами Вселенной – это ничто по сравнению с разрывом с реальными границами Вселенной. Хотя она и не бесконечна, наша территория пространства и времени простирается гораздо дальше того, что мы можем видеть. Для того чтобы записать время, за которое свет с «края» Вселенной доберется до нас, потребуется не просто десять нулей и даже не сотня нулей, а миллионы.

Но это еще не все. Даже эта колоссальная Вселенная, имеющая объем, для выражения которого потребуется число в миллион знаков, может оказаться не «всем, что есть». Это результат одного эпизода инфляции, но этот эпизод – Большой взрыв – может сам по себе быть всего лишь одним событием в бесконечной серии. Можно отметить, что это естественное следствие из «вечной инфляции» особенно поддерживал космолог из России Андрей Линде. По этому сценарию, который требует особых (хотя и по-прежнему умозрительных) предположений о физических процессах при экстремальной плотности, у космоса может быть бесконечное прошлое. Участки, где раздувание не кончается, всегда растут достаточно быстро, чтобы обеспечить семена других Больших взрывов. Есть варианты этих гипотез, согласно которым эпизод инфляции может произойти внутри черной дыры, создав новые участки пространства-времени, не связанные с нашим собственным.

В этом месте позвольте мне добавить одно семантическое замечание по поводу определения слова «вселенная». Его правильное определение – это, конечно, «все, что есть». В этой главе я заявляю, что сущность, традиционно называемая Вселенной, – то, что изучают астрономы, или то, что осталось от Большого взрыва, – может быть одной из целого ряда сущностей, каждая из которых, возможно, началась со своего собственного Большого взрыва. Педанты могли бы захотеть называть Вселенной весь этот ансамбль. Но я думаю, что будет меньше путаницы, если оставить термин «вселенная» для того понятия, которое ему традиционно соответствует, хотя тогда потребуется новое слово «мультивселенная» для обозначения всего ансамбля «вселенных» – к этому понятию я вернусь в главе 11.

ГЛАВА 10

ТРИ ИЗМЕРЕНИЯ (И БОЛЬШЕ)

Земля (орбита Земли) есть мера всех орбит. Вокруг нее опишем додекаэдр. Описанная вокруг додекаэдра сфера есть сфера Марса. Вокруг сферы Марса опишем тетраэдр. Описанная вокруг тетраэдра сфера есть сфера Юпитера. Вокруг сферы Юпитера опишем куб. Описанная вокруг куба сфера есть сфера Сатурна. В сферу Земли вложим икосаэдр. Вписанная в него сфера есть сфера Венеры. В сферу Венеры вложим октаэдр. Вписанная в него сфера есть сфера Меркурия. Теперь у нас есть объяснение количеству планет.

Иоганн Кеплер

ПОЧЕМУ ЗНАЧЕНИЕ D = 3 ОСОБЕННОЕ

У нашего пространства три измерения. Существуют точки (ноль измерений), линии (одно измерение), плоскости (два измерения) и тела (три измерения). Но на этом нам придется остановиться, хотя с точки зрения математики мы можем представить себе пространство, в котором измерений больше. Что же в числе 3 такого особенного? С классических времен геометры заметили любопытные черты разных измерений. Например, в двух измерениях мы можем нарисовать правильный многоугольник с любым количеством равных сторон (равносторонний треугольник, квадрат, пятиугольник, шестиугольник и т. д.). Но в трех измерениях есть только пять платоновских «правильных тел», в которых равны все стороны и углы. В четырех измерениях таких объектов шесть, а в более высоких измерениях – всего по три.

Одно из следствий трехмерного мира состоит в том, что такие силы, как тяготение и электричество, подчиняются закону обратных квадратов, т. е. сила или заряд становятся в четыре раза слабее, если расстояние увеличивается в два раза. Майкл Фарадей в своих новаторских трудах по электричеству использовал графический способ (по сути правильный), чтобы понять это. Он представил «силовые линии», исходящие от каждого заряда или массы, при этом величина силы зависит от концентрации этих линий. На расстоянии r линии распространяются по площади, пропорциональной r²; на бо́льших расстояниях, таким образом, действие силы ослабевает. Ее величина обратно пропорциональна r². Тем не менее площадь четырехмерной «сферы» будет изменяться пропорционально r³, и если удвоить r, то она станет не в четыре, а в восемь раз больше. Так, размышления Фарадея будут выражать закон обратных кубов.