Рис. 5. Инфляция – Вселенная накопила положительную энергию (из которой образовалась материя), «скатываясь» с гравитационного «склона» потенциальной энергии, в то же время расширяя свой объем
Другой способ понять, почему гравитационная энергия является отрицательной, иллюстрируется следующим примером: начните с двух масс, находящихся на бесконечном расстоянии друг от друга, между которыми гравитационная энергия равняется нулю. По мере приближения друг к другу они постепенно наращивают гравитационное притяжение, однако эта гравитационная энергия является отрицательной в том смысле, что для того, чтобы их растащить и вернуть к изначальному нулевому энергетическому уровню, вам пришлось бы затратить положительную энергию.
Когда инфляция закончилась, энергия инфляционного поля преобразовалась в нормальную энергию, которая конденсировалась во всю материю, присутствующую вокруг нас. Все вещество Вселенной было создано из энергии, заимствованной у гравитационного поля – важнейшего фактора в создании Вселенной.
Однако то, что инфляционная теория помогает решить эти космологические проблемы, еще не значит, что она верна. Хотя большинство космологов поддерживают эту теорию, есть и такие, кто с ней не согласен, кроме того, остаются и некоторые непростые вопросы, на которые ответов еще нет. Одним из критиков инфляционной теории является давний соратник Стивена Хокинга Роджер Пенроуз. Вместо инфляции Пенроуз предложил свою собственную модель под названием «конформационная циклическая космология», согласно которой Вселенная проходит через бесконечное количество эпох, причем каждая начинается с фазы, напоминающей Большой взрыв. В конце каждого цикла, после того как испаряются даже черные дыры, остается только тепловое излучение. И это, предполагает Пенроуз, похоже на ровное высокоэнергетическое излучение, которое заполнило бы Вселенную сразу после Большого взрыва, а после установления сложной связи между низкой энтропией первоначальной Вселенной и высокой энтропией в конце (ибо ничто не избежит действия второго закона термодинамики) можно присоединить конец одного эона (эры) к другому и увидеть, как все снова начинается с Большого взрыва. Достаточно сказать, что это предположение еще более противоречиво, чем теория инфляции.
Поскольку мы уже далеко залезли в область предположений, зачем останавливаться? В настоящий момент в космологии пользуется популярностью идея вечной инфляции. Согласно этому сценарию, наша Вселенная – просто маленький пузырь в бесконечном пространстве более высокоуровневых измерений, известном как Мультивселенная, которая вечно подвергается инфляции. Тогда Большой взрыв, который создал нашу Вселенную, являлся лишь квантовым колебанием, произошедшим 13,82 миллиарда лет назад. Благодаря этому в вечно расширяющемся пространстве образовался наш пузырь. Пространство внутри него – наша Вселенная – перестало подвергаться инфляции, и расширение его замедлилось до более спокойных темпов, тогда как Мультивселенная снаружи продолжает подвергаться стремительной инфляции. Таким образом, вместо очень короткого периода инфляции, имевшего место после Большого взрыва, теперь наша ситуация изменилась на противоположную: Большой взрыв отмечает конец инфляции в нашей части Мультивселенной.
Более того, вечная инфляция говорит о том, что внутри Мультивселенной могут возникнуть и другие вселенные-пузыри – возможно, бесконечное их количество, – которые будут вечно существовать отдельно друг от друга и стремительно разбегаться из-за постоянно расширяющегося гравитационного поля.
У этой идеи есть еще одна положительная сторона, которую многие физики находят очень привлекательной. Я уже говорил, что физики не любят тонкой настройки, то есть отсутствия каких-либо основополагающих причин для того, чтобы некие физические величины имели именно те значения, которые они имеют. Это хорошо видно при взгляде на наши важнейшие константы: они имеют ровно те значения, которые позволяют существовать такой Вселенной, как наша. Если бы сила притяжения была чуть слабее, галактики и звезды никогда бы не сформировались, а если бы заряд электрона оказался чуть больше, атомы «обвалились» бы и сложная материя не могла бы существовать. Так вот, теория вечной инфляции Мультивселенной отвечает на вопрос: почему наша Вселенная так тонко настроена, что она подходит для существования звезд, планет и самой жизни? Ответ заключается в том, что возможно существование различных вселенных-пузырей, причем все будут подчиняться одним и тем же законам физики, но каждая будет иметь свой собственный набор фундаментальных физических констант. Просто так уж случилось, что мы находимся во Вселенной, абсолютно соответствующей требованиям возникновения жизни, и можем размышлять о том, как нам все-таки повезло.
Чтобы избежать путаницы, здесь я должен добавить, что эти вселенные-пузыри – совсем не то же самое, что параллельные реальности Мультивселенной в одной из интерпретаций квантовой механики, которые обязаны своим существованием различным результатам измерений квантового мира. Вселенные-пузыри в теории вечной инфляции – не параллельные, перекрывающие друг друга реальности; они совершенно не зависят друг от друга.
Рис. 6. Как бесконечное пространство может поместиться в конечном объеме? Два взгляда на нашу Вселенную: «снаружи» у нее всегда конечный объем. А для нас, в нашем пространстве-времени, ось пространства искривлена и направлена по оси времени в бесконечность. Нам же кажется, что все времена совпадают, что и дает нам ощущение бесконечного пространства
И, прежде чем пойти дальше, я хочу еще сказать вот что. Можно озадачиться вопросом, является ли наша Вселенная бесконечной по протяженности (хотя мы и не можем заглянуть за ее горизонт) – это ведь возможно. Тогда как же бесконечное пространство помещается внутри конечного пузыря, плавающего в Мультивселенной наряду с другими вселенными-пузырями? Ответ будет неожиданным: для нас, находящихся внутри, Вселенная может быть бесконечной по протяженности, но конечной во времени. Однако это только потому, что внутри нашего пузыря искаженное представление о пространстве и времени. «Снаружи» наша Вселенная оказалась бы конечной по размеру, но бесконечной во времени (рис. 6). Это очень точный (хотя, уж простите, концептуально непростой) способ понять, как бесконечное пространство может поместиться в конечном объеме.
Информация
Один момент, о котором я еще ничего не говорил, но который объединяет все три столпа фундаментальной физики – квантовую механику, общую теорию относительности и термодинамику, касается роли информации в современной физике. Сейчас стало понятно, что информация – это больше, чем просто абстрактное понятие, ее можно точно измерить (или дать точную количественную оценку).
Некоторое время назад Стивен Хокинг сформулировал вопрос: что происходит с информацией, например с этой книгой, если бросить ее в черную дыру? Книга, конечно, пропадет, а как насчет содержащейся в ней информации? Я имею в виду информацию, которую содержат слова в книге. Дело в том, что согласно законам квантовой механики информацию нельзя уничтожить, она всегда должна сохраняться[34]. Хокинг описывает, как черная дыра медленно испаряется, теряя энергию в виде так называемого «излучения Хокинга», а согласно квантовой механике эта радиация содержит всю информацию, поглощенную черной дырой, включая информацию, необходимую для восстановления этой книги. Уверены ли мы в этом? Опять же только окончательный вариант теории квантовой гравитации позволит нам поставить точку в этом вопросе.
Исследование математики черных дыр также позволило сделать вывод, что максимальное количество информации, которое можно сохранить в определенном объеме пространства, пропорционально не самому объему, как можно было бы ожидать, а площади поверхности, ограничивающей этот объем. Эта идея известна как голографический принцип и превратилась в мощный инструмент теоретической физики. По сути, она обязана своим существованием глубинной связи между информацией и энергией. Наращивая объем информации, хранящейся в определенном объеме пространства, вы увеличиваете его энергию. А поскольку энергия – эквивалент массы, это означает и усиление гравитационного поля до того момента, пока наш пространственный объем не схлопнется в черную дыру. Голографический принцип утверждает, что теперь вся информация будет закодирована на ровном горизонте черной дыры. Считается, что эта идея работает даже для информации, необходимой для описания Вселенной. Похоже, что роль информации при попытке объединения трех столпов физики будет только возрастать.
ЭР = ЭПР
В 2013 году два ведущих физика, Хуан Мальдачена и Леонард Зюскинд, выдвинули еще одну идею, связанную с попыткой унификации гравитации и квантовой механики. Хотя еще очень рано судить об их правоте, я не могу не упомянуть об этой теории. Она известна как ЭР = ЭПР. Ее суть такова: между квантовой запутанностью (двумя связанными в пространстве частицами) и «червоточинами» в пространстве-времени может существовать глубинная связь. Замечу, однако, что ЭР = ЭПР, несмотря на то что в нем стоит знак равенства, – это не алгебраическое уравнение (иначе вам могло бы прийти в голову сократить Э и Р в обеих его частях, получив в результате П = 1, что бессмысленно). На самом деле буквами закодированы имена авторов (Эйнштейн, Подольский и Розен) двух классических работ, опубликованных в 1935 году с интервалом всего в несколько недель.
Эти две работы прежде считались совершенно не связанными друг с другом. ЭР – это Эйнштейн и Натан Розен, которые высказали предположение, что две черные дыры могут быть связаны неким туннелем, находящимся вне нашего измерения, что следует из уравнений общей теории относительности. ЭПР – это код второй статьи, которую первые два автора опубликовали вместе с Борисом Подольским. В ней они высказали свои сомнения относительно идеи запутанности в квантовой механике – того, что Эйнштейн называл жутким дальнодействием. Мальдачена и Зюскинд предположили, что обе эти фундаментальные идеи, о «червоточинах» и о запутанности, могут на самом деле быть двумя сторонами одного и того же явления. Время покажет, на правильном ли они пути.
Кризис в физике?
Удастся ли нам когда-нибудь прийти к полному пониманию реальности, или мы всегда будем снимать слой за слоем с этой луковицы и при этом открывать все новые и новые истины? До сих пор так оно и было. Сначала мы обнаружили, что все состоит из атомов, затем – что все эти атомы состоят из еще более мелких частиц – электронов, вращающихся вокруг плотных ядер. Далее мы заглянули в само ядро и открыли, что оно построено из еще более мелких строительных блоков – протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из мельчайших кварков, причем последние сами являются проявлением энергетических полей или, возможно, еще более мелких вибрирующих струн, находящихся в иных измерениях. Будет ли этому конец?
Некоторые физики-теоретики, ослепленные красотой своих уравнений, двинулись дальше, выдвигая все более экзотические идеи, которые становится все труднее протестировать экспериментально. Можно опираться только на их объяснительную силу и математическое изящество – конечно, очень важные критерии, однако не принадлежащие к традиционным способам обоснования научных теорий. Поэтому вместо того, чтобы одобрительно хлопать друг друга по плечу по поводу того, как далеко мы уже продвинулись, стоит подумать о том, что, возможно, мы слишком далеко ушли от самой физики.