Книга О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог

форму окружности. Рис. 30 изображает рождение такой одномерной Вселенной, происходящее при отсутствии границы. Но это только одна частная история расширения, которая представляет собой лишь обрывок волны, не имеющей границы. Окружность на рис. 30 скользит по одному частному гребню волны в квантовой реальности гораздо большего масштаба. Чтобы изобразить безграничную волну во всей ее полноте, пришлось бы вообразить коллекцию окружностей, каждая из которых расширяется своим собственным характерным образом. Я попытался изобразить эту головокружительную картину квантового космоса на рис. 31. Индивидуальные истории расширения из показанной здесь коллекции в каком-то смысле сосуществуют в рамках одной волны, определяемой условием отсутствия границы, эффектно демонстрируя туманную природу пространства-времени в квантовом мире.

Это сосуществование вселенных одновременно захватывает и приводит в замешательство. В классической теории относительности одно пространство-время не имеет никакого отношения к другому. Например, на канонической диаграмме Леметра (рис. 1 на вкладке) каждая кривая описывает отдельную вселенную, и теория Эйнштейна не дает никаких возможностей приписать одной из них больший вес, чем другой. Иное дело квантовая космология, где волновая функция Стивена действует на просторной арене всех возможных космических историй. Так же как квантовомеханическое описание электрона-частицы объединяет его различные возможные траектории в единой сущности – волновой функции электрона, волновая функция отсутствия границы объединяет «под одним зонтиком» различные возможные расширяющиеся вселенные. Потому-то она и способна дать более глубокое понимание вопроса «какая из этих кривых должна быть нашей?» – главного вопроса «тайны замысла Вселенной».

Интересный момент: такое объединение означает, что волновая функция как целое не меняется во времени. На рис. 31 я, конечно, не смог отразить всеобъемлющего понятия времени, универсальных часов, в шкале которых эволюционировал бы весь ансамбль расширяющихся вселенных. В квантовой космологии время теряет свое значение фундаментального организующего принципа[130]. Разумное понятие времени возникает только как свойство, внутренне присущее каждому индивидуально расширяющемуся пространству. Причина этого в том, что мера времени всегда включает в себя изменение одного физического параметра относительно другого. Для нашей собственной Вселенной, например, в качестве часов можно было бы взять равномерное охлаждение космического фонового излучения с ее расширением (хотя в этой шкале нельзя было бы выбрать практической единицы времени для планирования ваших встреч). Но эволюция температуры CMB в одном пространстве-времени, очевидно, бесполезна для устройства часов в другом.

К сожалению, размах крыльев волновой функции, соответствующей условию отсутствия границы, далеко не так широк, чтобы охватить любую из обитаемых вселенных с сильным всплеском инфляции. «Безграничная» вероятностная волна, описывающая вероятность силы инфляционной вспышки, имеет острый пик для вселенной с самой низкой инфляцией и «хвост», экспоненциально падающий в сторону вселенных с более значительным инфляционным всплеском. Следовательно, хотя предложение об отсутствии границы глубоко созвучно идее инфляции – оно основано на том же виде отрицательного давления, создающего пространство-время, – из него также вытекает, что минимальная инфляция, едва достаточная для существования вселенной, во много раз более вероятна, чем интересные истории расширения с более сильной инфляцией.

Рис. 31. Волновая функция частицы в квантовой механике содержит в себе сплав всех возможных путей этой частицы (см. рис. 21). Подобным же образом волновая функция Вселенной в квантовой космологии описывает ансамбль всех возможных историй расширения Вселенной. Форма волновой функции Хокинга при отсутствии границы формально определяется в первую очередь вселенными, испытывающими слабый всплеск инфляции и быстро коллапсирующими обратно в первоначальное состояние. Вселенные с сильным всплеском инфляции, в которых образуются галактики и появляется жизнь, не исключаются этой теорией полностью, но находятся далеко в хвосте волновой функции, составляя почти незаметную ее часть.

Такое положение вещей загадочно. Должны ли мы рассчитывать, что живем в самой маловероятной из всех вселенных? И, что еще важнее, должны ли мы отбросить теорию универсальной волновой функции на том основании, что Вселенная, которую мы наблюдаем, лежит в очень, очень далекой части «хвоста» волны вероятности? Не забудем о том, что для существования наблюдателей, размышляющих, в какой из вселенных они находятся, необходимо вещество в форме атомов. Если наша космологическая теория говорит нам, что самая вероятная вселенная пуста и безжизненна, то мы не должны удивляться что это не та Вселенная, где мы находимся. Более того, если вселенная должна обладать определенными неотъемлемыми свойствами, необходимыми для наличия в ней жизни, такими как существование в ней галактик, нам не следует с порога отвергать универсальную волновую функцию, которая предсказывает, что в самой вероятной вселенной галактик нет. Имеет значение не то, что в этой теории наиболее вероятно, но то, что с наибольшей вероятностью будет наблюдаться. Космологические истории, в которых нет наблюдателей, не идут в счет, когда мы сравниваем наши теории с нашими наблюдениями.

Рассуждая в этом направлении, Стивен и Нил Турок в 1997 году попытались спасти теорию отсутствия границы, дополнив ее антропным условием: во Вселенной должны существовать «мы»[131]. Однако они увидели, что это не вносит почти никакого отличия: оказалось, что теория, дополненная антропным принципом, предсказывает вселенную всего с одной галактикой – нашей, – и ничего, что хоть как-то напоминало бы нашу кишащую галактиками Вселенную. Для Турока этот результат тогда оказался настолько обескураживающим, что он радикально перестроился и принялся придумывать все новые способы вообще избежать начала Вселенной. Стивен, однако, продолжал отстаивать предложение об отсутствии границы; теперь, оглядываясь назад, можно сказать, что он находился еще в самом начале пути.

ЕСЛИ ВСЕЛЕННАЯ ДОЛЖНА ОБЛАДАТЬ ОПРЕДЕЛЕННЫМИ НЕОТЪЕМЛЕМЫМИ СВОЙСТВАМИ, НЕОБХОДИМЫМИ ДЛЯ НАЛИЧИЯ В НЕЙ ЖИЗНИ, ТАКИМИ КАК СУЩЕСТВОВАНИЕ В НЕЙ ГАЛАКТИК, НАМ НЕ СЛЕДУЕТ С ПОРОГА ОТВЕРГАТЬ УНИВЕРСАЛЬНУЮ ВОЛНОВУЮ ФУНКЦИЮ, КОТОРАЯ ПРЕДСКАЗЫВАЕТ, ЧТО В САМОЙ ВЕРОЯТНОЙ ВСЕЛЕННОЙ ГАЛАКТИК НЕТ.

Тем временем появилось конкурирующее представление о происхождении инфляции: работа Андрея Линде и Александра Виленкина, американского космолога украинского происхождения, немногословного, но глубокого мыслителя, работавшего в университете Тафтса. Их предложение было столь радикальным, а его последствия настолько ошеломляющими, что оно и сейчас приковывает к себе внимание космологического сообщества. Это была идея мультивселенной.

Линде и Виленкин перевернули проблему «зажигания» инфляции вверх дном. Они утверждали, что состояние инфляции всегда по умолчанию внутренне присуще Вселенной и что, по сути, остановить ее очень трудно. Инфляционное расширение, говорили они, вечно по своей природе[132]. В их рассуждениях важное место занимали те же квантовые вибрации, из которых в ходе инфляции развиваются галактики, но эти вибрации рассматривались на значительно больших масштабах, далеко выходящих за пределы нашего космологического горизонта. Образование в ходе инфляции такой сверхдлинноволновой ряби означает, что напряженность инфлатонного поля должна случайно флюктуировать на этих огромных расстояниях. В каких-то областях эти флюктуации помогут инфлатону сойти на нет и привести инфляцию к завершению, дав начало горячему Большому взрыву, за которым последует медленное расширение. Однако в удаленных областях, где инфлатон