Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
Первыми проблесками понимания, какова вселенная вне нашей галактики, мы обязаны Эдвину Хабблу. Как мы уже видели, он не просто показал нам масштабы вселенной, но и открыл, что почти все галактики во вселенной, похоже, от нас отдаляются.
Идея о расширении вселенной, вероятно, заронило в вас ошибочную мысль, что у вселенной будто бы есть центр. Нет, центра у вселенной нет. Чтобы понять, почему, нужно немного поговорить об относительности. Мы уже убедились, что специальная теория относительности предполагает тесные взаимоотношения между временем и пространством. А гениальность общей теории относительности заключается в том, что согласно ей гравитация способна искривлять и пространство, и время, а также и то, и другое одновременно.
Расширяющаяся Вселенная как лист резины
Если у вас нет интуитивного ощущения, что такое искривление пространства, не терзайтесь. Запутаться в уравнениях и формулах очень просто. Однако, к счастью, Международная гильдия популяризаторов космологии подобрала прекрасную аналогию, и если вы дадите мне слово не понимать ее чересчур буквально, я последую примеру коллег.
Приклейте на огромный лист резины горстку маленьких пластмассовых галактик.
Найдите компанию силачей и вместе с ними возьмитесь за лист со всех сторон.
Потяните как следует.
Муравей, живущий в одной из галактик, сочтет себя пупом вселенной, поскольку все остальные галактики с его точки зрения будут удаляться. Более того, чем больше расстояние между двумя галактиками, тем быстрее — с точки зрения муравья — они будут удаляться друг от друга: именно этот эффект и наблюдал Хаббл.
Я могу забросить вас в любую галактику, и если у вас достанет эгоцентризма, вы сочтете себя центром вселенной. Однако — и это и есть самое главное — то же самое увидит любой наблюдатель в любой галактике.
Поверните часы вселенной в обратную сторону, и расстояния между всеми галактиками сожмутся до нуля. Где произошел Большой взрыв? А везде!
Однако понимать эту аналогию слишком буквально опасно. Особенно упорный муравей, того и гляди, построит прелестный звездолетик и отправится, например, искать край резинового листа. А вот в нашей (не-резиновой) вселенной достигнуть края в принципе невозможно, нечего даже и мечтать. У вселенной нет центра — и краев тоже нет. Так что у нас остается всего два варианта.
Первый, честно скажу, леденит душу. Может статься, что вселенная и в самом деле бесконечна. То есть не просто очень-очень велика, а действительно бесконечна. Вдумайтесь — бесконечна!
Тороидальная вселенная
Мы еще вернемся к практическим различиям между великанской и бесконечной вселенной, но лично меня гораздо больше утешает вариант номер два: возможно, вселенная замкнута сама на себя. Это как Пак-Ман, который исчезает на одном краю экрана и тут же появляется с противоположной стороны. С точки зрения Пак-Мана, он идет все вперед и вперед и не может дойти до конца.
Не волнуйтесь — Земля ведет себя точно так же. Если не обращать внимания на произвольно установленные нашими собратьями демаркационные линии вроде Линии перемены даты, можно шагать на восток бесконечно — и не дойдешь ни до края, ни до центра. Будешь постоянно проходить одни и те же места — и все.
С практической точки зрения между бесконечной и повторяющейся вселенной нет большой разницы. Расширение вселенной и ограниченная скорость света сговорились не пускать нас даже облететь вселенную и вернуться в исходную точку. Но это не мешает нам задать следующий вопрос: а какого вселенная размера?
Вселенная: одна или множество?
Космос большой. Очень.
А вот какого точно он размера, мы сказать не можем, честное слово. Всю вселенную мы не в состоянии окинуть взглядом, поскольку она существует всего 14 миллиардов лет, а скорость света такая, какая есть. На Земле мы называем линию, дальше которой нам не заглянуть, горизонтом, и ко вселенной в целом это тоже относится.
В принципе, мы можем вписать в этот горизонт триллионы галактик, но нигде не сказано, что на этом все и кончится. Есть вполне реальная вероятность, что вселенная за горизонтом, там, где мы ее не видим, совсем не такая, как поблизости. Мало того, что мы не в состоянии разглядеть, что происходит в сотнях миллиардов световых лет от нас, поскольку вообще все движется либо со скоростью света, либо медленнее: все, что находится за горизонтом, никак не подвержено влиянию происходящего здесь, на Земле.
Но и этого мало: поскольку вселенная расширяется с ускорением, выясняется, что со временем из нашего поля зрения будет исчезать все больше и больше галактик. Галактики в пределах нашего горизонта находятся от нас на расстоянии всего-то 60 миллиардов световых лет. А все, что происходит дальше, навеки останется тайной.
Все, что находится вне нашего горизонта, — это с любой практической точки зрения иная, независимая вселенная, а следовательно, хотим мы этого или нет, мы живем во множественной вселенной — в определенном смысле. Если вы знаток научной фантастики[45], то по крайней мере поверхностно знакомы с идеей множественной вселенной, однако словосочетание «множественная вселенная» каждый понимает по-своему. К счастью для нас, физик из Массачусетского технологического института Макс Тегмарк разработал подробную иерархическую классификацию множественных вселенных. Положа руку на сердце, все в этой классификации, кроме первого уровня, в котором мы и так не сомневаемся, крайне спекулятивно — и чем дальше, тем спекулятивнее. Так что давайте уговоримся, что пока что мы просто навскидку раскладываем все по полочкам.
Множественная вселенная первого уровня. Вселенная очень велика, но это можно понятьС практической точки зрения вполне можно рассматривать любой участок вселенной размером в 100 миллиардов световых лет как остров. Однако если острова не связаны друг с другом, возникает резонный вопрос, почему так вышло и почему каждый отдельный участок обязан быть похожим на все остальные.
Представьте себе, на этот вопрос вполне можно получить ответ. Однако сперва констатируем факт, подтвержденный наблюдениями: нас окружает излучение, оставшееся с начала вселенной, и это излучение однородно с точностью примерно до одной стотысячной. Этот факт становится еще страннее, если вспомнить, что свет, попадающий в нас «сверху» и «снизу» — со стороны северного и южного полюсов — приходит из невероятно отдаленных точек вселенной. Два фотона из этих потоков, скорее всего, никогда не находились в областях, когда-либо бывших в термическом контакте друг с другом.
Это один из самых глубоких и болезненных вопросов в космологии. Первоначально вселенная была очень мала, но длилось это совсем недолго. Похоже, что области, находящиеся на небосводе на расстоянии больше градуса, не имели возможности смешаться друг с другом — и все же вселенная в целом выглядит на удивление однородной. Напомню, что это одно из предположений космологического принципа.
В 1980 годы Алан Гут, который тогда работал в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, выдвинул гипотезу инфляции, позволяющую обойти проблему горизонта. И хотя она плохо укладывается в голове, заранее предупреждаю, что на данный момент инфляционная модель для большинства космологов стала догмой. Она позволяет объяснить огромное количество явлений во вселенной в том виде, в каком мы ее наблюдаем.
В первые мгновения существования множественной вселенной здесь царила кипучая активность, особенно в первые 10–35 секунд. За этот краткий миг вселенная претерпела колоссальное расширение по экспоненте, и отдельные участки пространства — отдельные пузырьки — выросли в 1060 и более раз.
Если гипотеза инфляции верна, а мы, повторяю, практически убеждены, что так и есть, то за пределами видимого пространства есть еще много пространства. Каждый пузырек — вселенная в себе, и легко вообразить, что если их достаточное количество, то многие из них могли бы быть похожи на наш, вероятно, даже в точности, как наш. Согласно большинству моделей инфляции пузырьки порождают другие пузырьки — и т. д. до бесконечности, и в результате получается бесконечная вселенная, которая поначалу так сильно нас пугала.
Каких же размеров должна достигнуть множественная вселенная первого уровня, чтобы у каждого человека на Земле появился точный двойник? Просто чудовищных. По оценкам Тегмарка, отсюда до тождественной вселенной примерно 10 в степени 1029 метров — на страницах этой книги не будет чисел больше этого, кроме самой бесконечности. Имеется в виду, что каждый атом во вселенной-дубликате находится в точности на том же месте и движется с той же скоростью с точностью до квантовой неопределенности, что и в нашей собственной вселенной. А это означает, что если биография вашего двойника и отличается от вашей, мозг двойника устроен так, чтобы он думал, будто у него именно такая биография.
