Книга Вечность. В поисках окончательной теории времени - Шон Кэрролл

Рис. 15.5. Создание новорожденной Вселенной за счет образования квантовой флуктуации — пузыря ложного вакуума.

Что происходит, когда в пространстве де Ситтера в результате некоей флуктуации появляется пузырь ложного вакуума? И снова, не буду скрывать, окончательного ответа на этот вопрос тоже пока нет.[300] В большинстве случаев поле просто рассеется, снова смешавшись со своим термальным окружением. Внутри ложного вакуума, в который мы флуктуировали, пространство начнет расширяться; но стенка, отделяющая внутренность пузыря от всего, что находится за его пределами, хочет сжиматься, и чаще всего так и происходит: стенка сжимается, прежде чем что-либо серьезное успевает произойти.

Время от времени, однако, нам может улыбнуться удача. Соответствующий маловероятный процесс изображен на рис. 15.5. То, что мы здесь видим, — это одновременно флуктуация поля инфлатона, создающая пузырь ложного вакуума, и флуктуация самого пространства, при которой появляется область, отщепляющаяся от оставшейся части Вселенной. Крохотное горлышко, соединяющее их, — это кротовая нора (мы обсуждали ее в главе 6). Но эта кротовая нора нестабильна и быстро сколлапсирует в ничто, оставив нам лишь два не связанных между собой пространства—времени: исходную родительскую Вселенную и миниатюрного младенца.

Теперь у нас есть новорожденная Вселенная, в которой доминирует энергия ложного вакуума и все подготовлено для инфляции и расширения до невероятного размера. Если ложный вакуум обладает нужными свойствами, то энергия в конце концов преобразуется в обычное вещество и излучение, и мы получим Вселенную, эволюционирующую в соответствии со стандартной историей «инфляция плюс Большой взрыв». Новорожденная Вселенная может вырасти до какого угодно размера; здесь нет ограничений, связанных, скажем, с законом сохранения энергии. Это забавное свойство общей теории относительности: общая энергия замкнутой компактной Вселенной в точности равна нулю, если в дополнение ко всему остальному принимать во внимание также энергию гравитационного поля. Таким образом, инфляция может взять микроскопический шарик пространства и раздуть его до размера нашей наблюдаемой Вселенной (или даже намного больше). По словам Гута: «Инфляция — это эталон бесплатного сыра».

Разумеется, в самом начале энтропия новорожденной Вселенной была очень мала. Это может показаться каким-то жульничеством — ведь мы столько претерпели, доказывая, что все множество степеней свободы в нашей наблюдаемой Вселенной существовало, еще когда Вселенная была молода, и если бы мы случайным образом выбирали из них какую-то конфигурацию, то чрезвычайно маловероятно, что это оказалось бы низкоэнтропийное состояние! Однако все это правда, а процесс создания новорожденной Вселенной просто-напросто не относится к тем, в которых конфигурация нашей Вселенной выбирается случайным образом. Существует один очень специальный способ: это конфигурация, для которой наиболее высока вероятность появиться в форме квантовой флуктуации в пустом фоновом пространстве—времени и которая способна отщепиться и превратиться в автономную Вселенную. Если рассматривать все вместе, то станет очевидно, что энтропия Мультиленной не уменьшается во время этого процесса; начальное состояние представляет собой высокоэнтропийное пространство де Ситтера, и оно эволюционирует в высокоэнтропийное пространство де Ситтера плюс маленькая дополнительная Вселенная. Это не флуктуация равновесной конфигурации в низкоэнтропийное состояние, а превращение высокоэнтропийного состояния в состояние с еще более высокой энтропией.

Возможно, вам кажется, что рождение новой Вселенной — это эффектное и болезненное событие, такое же, как рождение нового человека. Но в действительности это не так. Ситуация внутри пузыря, конечное же, довольно драматична — все-таки новая Вселенная появилась там, где до этого ничего не было. Тем не менее с точки зрения внешнего наблюдателя из родительской Вселенной весь процесс практически незаметен. Выглядит он всего лишь как флуктуация частиц в термальном ансамбле, которые собираются вместе, формируя область очень высокой плотности, — по сути, черную дыру. Однако это микроскопическая черная дыра с невероятно маленькой энтропией, которая затем испаряется в форме хокинговского излучения чуть ли не быстрее, чем сформировалась. Рождение новой Вселенной — процесс куда менее травмирующий, чем рождение человеческого младенца.

Действительно, если эта история — правда, то новорожденная Вселенная могла бы появиться прямо рядом с вами, в той же комнате, где вы читаете эту книгу, и вы бы этого никогда не заметили. Но вероятность этого не очень высока; скорее всего, подобные события никогда не происходили во всем пространстве—времени Вселенной, которое мы в состоянии наблюдать. Однако даже если происходили, то все действие не выходило за пределы микроскопического масштаба. Новая Вселенная может вырасти до невероятных размеров, но она все равно будет полностью оторвана от исходного пространства—времени. Как это бывает и со многими детьми, новорожденная Вселенная совершенно не общается со своим родителем; стоит им разделиться, и они останутся разъединенными навсегда.

Неугомонная Мультиленная

Таким образом, вполне возможно, что даже когда пространство де Ситтера находится в высокоэнтропийном состоянии истинного вакуума, оно не совсем стабильно. Оно может порождать новые младенческие Вселенные, которые затем самостоятельно вырастают до больших Вселенных (и также способны давать жизнь новым малышам). Исходное пространство де Ситтера продолжает существовать, как и раньше, по сути, совершенно не потревоженное.

Перспектива появления новорожденных Вселенных совершенно меняет вопрос стрелы времени. Вспомните нашу основную дилемму: самый естественный вариант Вселенной — это пространство де Ситтера, пустое пространство с положительной энергией вакуума, которое ведет себя как вечный контейнер с газом при фиксированной температуре. Газ большую часть времени пребывает в тепловом равновесии, с редкими флуктуациями в состояния с меньшей энтропией. В таких условиях можно с довольно высокой степенью надежности оценивать как количество флуктуаций разных типов, так и частоту их появления. Какую бы вещь вы ни желали видеть в флуктуации — человека, галактику или даже сотню миллиардов галактик, — данный сценарий надежно предсказывает, что большинство подобных флуктуаций будут выглядеть так, словно они находятся в равновесии, за исключением наличия самой флуктуации. Помимо этого, большинство подобных флуктуаций будут порождаться высокоэнтропийными состояниями и эволюционировать обратно в высокоэнтропийные состояния. Это означает, что большинство наблюдателей будут обнаруживать себя во Вселенной в полном одиночестве в форме случайных сгустков молекул, отпочковавшихся от окружающего высокоэнтропийного газа частиц. То же самое верно для большинства галактик и т. д. Конечно, потенциально возможна и флуктуация во что-то похожее на историю нашей космологии Большого взрыва; но количество наблюдателей внутри такой флуктуации намного меньше, чем количество наблюдателей, находящихся во Вселенной в полном одиночестве.