Опубликована одна из последних статей Стивена Хокинга
Стивен Хокинг покинул нас 14 марта этого года, но его работы продолжают выходить: сейчас готовятся к публикации две статьи о черных дырах, а одна из его последних статей, написанная в соавторстве с бельгийским физиком Томасом Гертогом, вышла уже на этой неделе в журнале Journal of High-Energy Physics. Ученые передали ее в редакцию журнала за десять дней до смерти Хокинга.
Статья «Мягкий выход из вечной инфляции» (A smooth exit from eternal inflation?) посвящена одной из фундаментальных и пока не решенных проблем современной физики — событиям, происходившим в первые мгновения после Большого взрыва. Согласно разделяемой сегодня многими ведущими учеными инфляционной гипотезе, на первых стадиях после Большого взрыва Вселенная расширялась намного быстрее, чем сейчас; за очень короткое время она увеличилась в размерах вдвое как минимум шестьдесят раз, а после этого расширение (инфляция) резко (на несколько десятков порядков) замедлилось.
Инфляционная гипотеза была предложена в восьмидесятые; с ее помощью удалось объяснить многие вещи, которые не поддавались объяснению в рамках классической модели горячей вселенной — в частности, однородность реликтового излучения, имеющего во всей наблюдаемой Вселенной одну и ту же температуру. Реликтовое излучение пронизывает самые удаленные друг от друга уголки Вселенной, а этот факт трудно объяснить, учитывая размеры последней: никакое воздействие не могло пройти такие расстояния за те 13,8 миллиардов лет, что существует космос. Инфляционная гипотеза предполагает, что в самом начале всего то, что сейчас очень далеко, было очень близко, и расстояние увеличивалось настолько быстро, что излучение успело его преодолеть.
Парадоксальным образом инфляционная теория позволяет объяснить не только то, почему наша Вселенная везде одинакова (если говорить о реликтовом излучении), но и то, почему она такая разнообразная: в одних местах — черная пустота, в других — галактики с миллиардами звезд. Согласно инфляционной теории, эти различия в плотности вещества обусловлены быстрым ростом изначальной Вселенной, в первые мгновения после Большого взрыва состоявшей из невероятно плотного «теста» из фундаментальных частиц. Квантовые флуктуации между этими частицами и их быстрое удаление друг от друга сделали космос таким, каким мы наблюдаем его сейчас.
Гипотеза инфляционной Вселенной, однако, не только отвечает на старые вопросы, но и заставляет задавать новые, и один из главных ее вопросов — о том, почему быстрое расширение изначальной Вселенной вдруг резко замедлилось. Чтобы объяснить это замедление, ученые прибегают к понятию «ложного вакуума». Привычное нам понимание вакуума в этом случае лучше забыть; речь идет о веществе, более плотном, чем даже вещество нейтронных звезд. Пространство в ложном вакууме росло экспоненциально, и в какой-то момент стало таким большим, что энергия всей системы резко снизилась, а скорость расширения упала.
Эта гипотеза работает, и даже слишком хорошо: по некоторым расчетам, пока ложный вакуум рос по экспоненте, из него могла образоваться не одна, а множество вселенных. Наша Вселенная претерпела переход в состояние с низкой энергией, такие переходы претерпели и другие вселенные, и от того, когда и в каких условиях это произошло, должны зависеть их свойства — в частности, значения физических констант.
Для многих ученых такой расклад дел в мультивселенной — большое разочарование. Какой смысл искать Общую Теорию Всего, если физика в нашем мире зависела от набора случайных показателей, которые оказались другими в других мирах, которые образовывались в первые доли секунды после Большого Взрыва миллионами миллионов? Многим физикам кажется, что мир таков, каков он есть, потому, что иначе быть не может.
Так казалось и Хокингу с Гертогом. В своей статье они предлагают альтернативную версию событий — правда, понять ее довольно сложно. В основу своей версии он положили теорию, сформулированную в 1997 году физиком Хуаном Малкаденой, позволяющей сравнивать пространства с разным числом измерений. Говоря образно, теория Малкадены позволяет описать все, что происходит в банке газировки, описывая только поверхность этой банки.
В качестве банки у Хокинга и Гертога выступает ранняя Вселенная. Согласно инфляционной гипотезе, в первые доли секунды после Большого взрыва она была такой маленькой, что квантовые флуктуации поля, под действием которого она расширялась, были сопоставимы с общей энергией этого поля. Хокинг и Гертог утверждают, что пытаться описать и эту Вселенную, и это поле в понятных современным физикам терминах Общей теории относительности невозможно. Вместо этого следует поступить так, как Малкадена с пресловутой банкой газировки — отбросить одно измерение и рассчитать, что происходит в пространстве, лишенном этого измерения. А происходит, по мысли ученых, рождение одной-единственной, нашей Вселенной, с единственно возможными законами физики — скоростью света в вакууме, гравитацией и взаимоотношением между энергией и массой.
В случае с банкой мы переходили из трехмерного пространства в двумерное — плоскость поверхности банки. По тому же принципу можно отбросить не только пространственное измерение, но и, например, время — так и предлагает сделать Гертог. Юную Вселенную предлагается описывать как трехмерное пространство, в котором времени нет — или как нечто, в котором время имеет, грубо говоря, пространственную природу. Это позволяет доказать, что вместо странной мультивселенной существует всего одна — та, в которой мы живем. Остается только ответить на вопрос, откуда в ней в конце-концов появилось время. Этим вопросом Стивен Хокинг занимался всю жизнь, но ответить на него не успел.
