Принцип заурядности

Новейшие разработки в области космологии показывают, что большая часть Вселенной находится в состоянии взрыва, ускоренного расширения, называемого инфляцией. Мы живем в «пузыре», где инфляция закончилась, а другие пузыри с различными свойствами постоянно формируются. Большинство, если не все, из этих пузырей находятся за пределами нашего космического горизонта и не могут быть непосредственно наблюдаемыми. Я обсуждаю происхождение этого нового мировоззрения, его возможные наблюдательные тесты, и его последствия для начала и конца Вселенной.

Космическая инфляция

Вселенная, как мы знаем, возникла в результате так называемого Большого Взрыва. На протяжении почти столетия космологи изучали последствия этого взрыва: как Вселенная расширялась и охлаждалась, как галактики постепенно стягивается под действием силы тяжести и т.д. Характер взрыва самого по себе попал в центр внимания космологов лишь сравнительно недавно, что и стало предметом теории инфляции, которую разработали в начале 1980-х годах Алан Гут (Alan Guth), Андрей Линде (Andrei Linde) и другие, и привела к принципиально новой глобальной картине Вселенной. В соответствии с этой новой картиной, отдаленные районы за пределами нашего горизонта разительно отличаются от того, что мы здесь наблюдаем, и может даже подчиняются законам физики, отличным от наших. Здесь я буду обсуждать происхождение нового мировоззрения, его возможные наблюдательные тесты, и его последствия для начала и конца Вселенной.

Я начну с краткого обзора теории инфляции. Ключевую роль в этой теории играет своеобразный объект, называемый "ложный вакуум". Обычно под вакуумом понимают просто пустое место, но согласно современной физике частиц он сильно отличается от "ничего". Это физический объект, наделенный плотностью энергии и давлением, и может находиться в ряде различных состояний. Физики рассматривают эти состояния, как различные вакуумы. Свойства и типы элементарных частиц отличаются в разных вакуумах. Гравитационная сила, индуцированная ложным вакуумом, довольно своеобразна: это отталкивающая сила. Чем выше энергия вакуума, тем сильнее отталкивание. Слово «ложь» надо понимать в том смысле, что такого рода вакуум неустойчив. Он распадается на низко энергетический вакуум, подобный нашему, а избыток энергии идет на производство горячего огненного шара из частиц и излучения. Я должен подчеркнуть, что ложные вакуумы с этими странными свойствами не были изобретены специально для теории инфляции; их существование следует из физики элементарных частиц и общей теории относительности.

Теория инфляции предполагает, что в некоторое раннее время в своей истории Вселенная была в состоянии с высокой энергией ложного вакуума (Почему это так? Это хороший вопрос, и я скажу об этом позже в этой статье). Отталкивающая сила тяготения, производимая таким вакуумом, стала причиной сверхбыстрого, экспоненциального расширения Вселенной. Существует характерное время удвоения, за которое размеры Вселенной удваиваются. Это похоже на экономические инфляции: если уровень инфляции постоянен, то цены удваиваются, скажем, каждые 10 лет. Космическая инфляция гораздо быстрее: в зависимости от модели, время удвоения может быть порядка 10−37 сек. Неважно, каким был ее первоначальный размер, но Вселенная очень быстро станет огромной. Так как ложный вакуум неустойчив, то он в конечном итоге распадается, производя горячий огненный шар, и это конец инфляции. Огненный шар продолжает расширяться по инерции и развивается в русле стандартной космологии Большого Взрыва. Распад ложного вакуума играет роль Большого Взрыва в этом сценарии.

Теория инфляции объяснила некоторые ранее таинственные особенности Большого Взрыва, которые до нее просто постулировались. Она объяснила расширение Вселенной (это связано с отталкивающей гравитацией ложного вакуума), высокую температуру (из-за высокой плотности энергии ложного вакуума), и ее наблюдательную однородность (ложный вакуум очень однородный: помимо квантовых флуктуаций, он имеет постоянную плотность энергии). Теория также сделала ряд проверяемых предсказаний. Она предсказала, что на крупнейших наблюдаемых масштабах Вселенная должно точно описываться плоской, евклидовой геометрией. Она также предсказала почти масштабно-инвариантный спектр малых гауссовских возмущений плотности. Эти предсказания были эффектно подтверждены наблюдениями. К настоящему времени инфляция стала ведущей космологической парадигмой.

Вечная инфляция

Теперь, когда теория инфляции поддерживается данными наших наблюдений, хотелось бы узнать еще больше - о большей картине - о структуре Вселенной за пределами нашего космического горизонта.

Завершение инфляции вызвано квантовыми, вероятностными процессами и не происходит везде одновременно. Области, где распады ложного вакуума происходят несколько позже, "вознаграждены" большим инфляционным расширением, поэтому области ложного вакуума, как правило, размножаются быстрее, чем они распадаются. В нашей космической окрестности инфляция закончилась 13,7 миллиардов лет назад, но она, скорее всего, все еще продолжается в отдаленных уголках вселенной, а в других «нормальных» регионах, как наш, она постоянно формируется. Это бесконечный процесс называется вечной инфляцией. Практически все модели инфляции, которые обсуждались до сих пор, предсказывают вечную инфляцию. Подробности распада ложного вакуума зависят от модели, здесь я остановлюсь на моделях, где это происходит через образование зародышей в виде пузырей. Низкоэнергетические области появляются как крошечные микроскопические пузыри и сразу же начинают расти, быстро приближаясь к скорости света. Пузыри продолжают расти неограниченно, в то же время они обособленно инфляционно расширяются, создавая место для формирования большего количества пузырей.

Спектр мощности реликтового фона

Реликтовое излучение дает нам массу информации о ранней Вселенной. Само излучение имеет красное смещение порядка тысячи, но приносит данные и о гораздо более далеких этапах жизни Вселенной. Дело в том, что хотя излучение почти однородно распределено по небу (отклонения составляют менее одной тысячной от сигнала), тем не менее практически на всех угловых масштабах проявляется анизотропия (см. большой обзор в astro-ph/0209215). Для того, чтобы ее заметить, надо измерять температуру фона с точность в несколько десятков микроградусов! За последние 15 лет проведено множество экспериментов, посвященных измерению анизотропии. Самые свежие и подробные данные получены на спутнике WMAP. Так вот, наблюдения анизотропии показывают нам Вселенную такой, какой она была спустя триллионные доли секунды после своего "рождения" (многие подробности можно найти в свежем обзоре Лайнвивера astro-ph/030517). Для иллюстрации анизотропии на разных угловых масштабах используют рисунки, подобные приведенным. По горизонтальной оси отложены т.н. номера мультиполей. По сути дела - это обратный угловой размер неоднородностей: l=10 грубо соответствует 10 градусам, l=100 - одному градусу (это очень важный масштаб - угловой размер горизонта на момент рекомбинации). Вертикальная ось - с точностью до константы отложено произведение l(l+1)Cl, где l- номер мультиполя, а Cl- т.н. момент мультиполя.
Попробуем более популярно описать, что отложено по вертикальной оси (с неизбежными упрощениями). Мы хотим посмотреть, как флуктуирует температура фона на всем небе на каком-то угловом масштабе. Допустим, нас интересует масштаб в один градус. Сделаем два "телескопа" (рупорные антенны), которые одновременно показывают два участка неба размером по одному градусу. Будем наводить наши телескопы в произвольных (разных) направлениях, записывать данные об отклонении температуры от средней и усреднять эти данные. В итоге, мы будем иметь величину, характеризующую флуктуации на этом масштабе (ясно, что если флуктуаций нет, то будет ноль). Так вот, отложенная по вертикальной оси хитрая величина связана известными соотношениями с описанной нами процедурой.
На самом деле в жизни все сложнее. Вы не можете для каждого угла (т.е. для каждого номера мультиполя) изменять конструкцию, да в этом и нет необходимости. Кроме того есть некоторая диаграмма направленности "телескопа" - грубо говоря, его угловое разрешение. Именно угловое разрешение определяет максимальное значение l, т.е. минимальный угловой масштаб (см. детали в astro-ph/0209215). Реально всегда происходит сложный пересчет (в рамках некоторых предположений - в первую очередь о гауссовости флуктуаций) измеренного сигнала в моменты мультиполей.
До WMAP было несколько (наземных и баллонных) экспериментов, которые давали информацию о спектре мощности реликтового излучения на масштабах от градусов до нескольких угловых минут (на меньших масштабах флуктуации "замываются"). Важно понять, насколько надежны все эти измерения на разных l. Эксперименты можно разделить на две категории: высокочастотные и низкочастотные. У них свои особенности, свои недостатки. Каролина Одман и ее коллеги попытались понять, как соотносятся друг с другом их результаты.
Ни один эксперимент сам по себе не даст такую красивую кривую, как показано на рисунке. Эксперимент дает "точки" - данные (с какими-то неопределенностями) для нескольких угловых масштабов. Затем эти "точки" можно прописывать какой-то кривой - получать спектр. Обычно берут какую-то космологическую модель (с множеством параметров), и с ее помощью получают спектр (варьируя эти самые параметры, добиваясь наилучшего соответствия с наблюдениями). Но если мы хотим "исследовать исследования", то нужно взять какую-то простую четкую модель, и смотреть, что будет получаться при работе с данными разных экспериментов.

Мы живем в одном из пузырей и можем наблюдать лишь небольшую его часть. Независимо от того, насколько быстро мы путешествуем, мы не можем догнать расширяющиеся границы нашего пузыря, так что практически мы живем в автономном пузыре Вселенной. Неограниченное количество пузырей будет сформировано в течение вечной инфляции. (Обзор по теории инфляции, в том числе вечной инфляции, см., например, Guth & Kaiser 2005.)

Метафизическая интерлюдия

Сейчас я хотел бы упомянуть замечательное и, на мой взгляд, несколько тревожное следствие представленной выше картины Вселенной (Garriga & Vilenkin 2001).

Так как число пузырей-вселенных не ограничено, и каждый из них расширяется неограниченно, они будут содержать неограниченное число областей размером с наш горизонт. В каждой такой области, начальные условия при большом взрыве устанавливают случайные квантовые процессы во время инфляции, так что все возможные начальные условия будут реализовываться с некоторой вероятностью. Теперь, ключевым моментом является то, что число различных состояний, в которых любая такая область может находиться конечна. Как это возможно? Я могу, например, переместить стул на один сантиметр, на половину сантиметра, на четверть сантиметра, и так далее, и, кажется, что у меня имеется бесконечное число возможных состояний - потому что я могу передвинуть стул на бесконечное число возможных перемещений, которые становятся все меньше и меньше.

Тем не менее, состояния, которые слишком близки друг от друга не отличаются в принципе, из-за квантовой неопределенности. Так квантовая механика говорит нам, что число различных состояний (в конечном объеме) является конечным. Число квантовых состояний в нашей видимой области было оценено как N∼ехр(10122). Это невообразимо большое число. Но важным моментом является то, что оно не бесконечно.

Таким образом, мы имеем конечное число состояний в бесконечном количестве областей. Неизбежен вывод, что каждое состояние, имеющее ненулевую вероятность возможно в бесконечном количестве. В частности, существует бесконечное количество планет Земля идентичных нашей. Это означает, что множество Ваших точных копий сейчас читают это предложение. А также должны быть области со всеми возможными вариациями. Например, есть некоторые области, где имя вашей собаки другое, а в других, динозавры все еще бродят по Земле. Вы можете задаваться вопросом: «Происходит ли все это в одно и то же время?» Этот вопрос не имеет однозначного ответа, так как время и одновременность не определены однозначно в общей теории относительности. Если, например, мы используем плотность вещества в качестве переменной времени в пузыре Вселенной, то в каждый момент времени внутренность пузыря есть бесконечное гиперболическое пространство, и каждый из нас имеет бесконечное количество дублей ныне живущих в нашем пузыре.

Обратите внимание, что бесконечность пространства (или времени) не является само по себе достаточным основанием для этих выводов. Мы могли бы, к примеру, взять одну галактику и бесконечно повторить ее в бесконечном пространстве. Таким образом, нам нужен некий стохастический механизм, который выбрал бы начальные состояния для различных областей из множества всех возможных состояний. Даже тогда, весь набор может и не быть исчерпан, если полное число состояний бесконечно. Так конечность N имеет важное значение как аргумент. В случае вечной инфляции, как конечность N так и случайность начальных условий гарантированы квантовой механикой.

Мультивселенная

Пока я предполагал, что другие вселенные-пузыри похожи на наши с точки зрения их физических свойств. Но это не обязательно должно быть так. Теория струн, которая в настоящее время является наилучшим кандидатом в фундаментальную теорию природы, разрешает огромное количество решений описывающих вакуумы с различными физическими свойствами. Эти решения характеризуются разнообразными компактификациями дополнительных измерений. Число возможных комбинаций может быть выше, чем 10500 (Lerche et al. 1987, Bousso & Polchinski 2000). Каждое решение соответствует вакууму с собственным набором элементарных частиц и собственными значениями для констант природы.

Теперь совместим это с теорией инфляции. Везде, где они происходят во вселенной, высоко энергетические вакуумы будут управлять экспоненциальным инфляционным расширением. Переходы между различными вакуумами будут происходить через пузыри, так что там будут пузырьки внутри пузырьков и внутри пузыри. Каждый тип пузыря имеет определенную вероятность формироваться в инфляционном пространстве. Так неизбежно, неограниченное количество пузырьков всех возможных типов будет сформировано в ходе вечной инфляции.

Эта картина вселенной, или мультивселенной, как ее еще называют, объясняет давнюю загадку, почему константы природы так хорошо приспособлены для возникновения жизни (См., например, Linde, 1990). Я приведу вам только один пример: масса нейтрона. В нашей Вселенной нейтроны немного тяжелее, чем протоны. Изолированный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, но нейтроны в атомных ядрах стабилизируются ядерными силами. Предположим теперь, что мы уменьшаем массу нейтрона на 1%. Тогда нейтроны станут легче, чем протоны, и это привело бы к распаду протонов в нейтроны и легкие частицы. В результате атомные ядра будут терять электрический заряд и уже ничто не удержит электроны в атомах, и они улетят. Таким образом, если массу нейтрона уменьшить на 1%, то мы, в конце концов, окажемся во Вселенной без атомов, и трудно представить себе, как жизнь похожая на нашу, могла бы существовать в такой Вселенной.

Если же мы увеличим массу нейтрона на 1%, то он станет настолько массивен, что будет распадаться даже внутри ядра, превращаясь в протон.

Электрическое отталкивание между протонами разорвет ядра на части, и только один атом водорода сможет существовать. Снова трудно понять, как может быть возможна жизнь во Вселенной, без каких-либо химических элементов, кроме водорода.

Аналогичная ситуация и с другими константами. Если вы измените их на относительно небольшую величину, то в итоге вы получите вселенную, которая не пригодна для жизни. Это наводит на мысль, что константы так тонко настроены творцом, с тем, чтобы сделать био-дру- жественную вселенную для нас. Это именно то, что сторонники теории разумного замысла говорили нам все вместе!

Картина мультивселенной предлагает другое объяснение. Константы природы варьируются в широком диапазоне значений, изменяясь от одного пузыря к другому. Интеллектуальные наблюдатели существуют только в тех редких пузырях, в которых, по чистой случайности, константы оказались пригодными для развития жизни. Остальная мультивселенная остается бесплодной, но никого нет, чтобы жаловаться об этом. (Для не технического обзора идей мультивселенной, смотрите Vilenkin 2006, Susskind 2006, Greene 2011.) Некоторые из моих коллег находят теорию мультивселенной подозрительной. Любая теория в физике возникает или отмирает в зависимости от того как ее предсказания согласуются с опытными данными. Но как мы можем проверить существование других пузырей-вселенных? Разные космологи, подобно Paul Steinhardt и George Ellis, даже утверждают, что теория мультивселенной не научна, потому что она не может быть проверена, даже в принципе.

Удивительно, но наблюдательные тесты для картины мультивселенной на самом деле могут оказаться возможными. Одна из возможностей - это искать наблюдаемые следы столкновений пузырей. Так как наш пузырь расширяется, то он будет время от времени сталкиваться с другими пузырями.

На самом деле, он будет испытывать бесконечное число столкновений в ходе своей истории. Каждое такое столкновение будет производить отпечаток в космическом микроволновом фоне (КМФ) - круглое пятно большей или меньшей интенсивности излучения (Aguirre & Johnson 2011, Kleban 2011). Поляризация КМФ внутри пятна также по прогнозам, должна иметь характерную структуру (Czech et al. 2011). Выявление места, которое имеет предсказанные характеристики дало бы прямые доказательства существования других вселенных-пузырей. Поиск в настоящее время ведется (Feeney et al. 2011), но, к сожалению, нет никакой гарантии, что столкновение с каким либо пузырем произошло в нашем космическом горизонте. Таким образом, неспособность найти следы столкновений пузырей на микроволновом небе не может рассматриваться в качестве аргумента против вечной инфляции.

Еще одной интересной возможностью является то, что наш пузырь-Вселенная могла бы туннелироваться из раздувающегося вакуума, где некоторые из наших трех пространственных измерений были компактифицированы. Можно тогда надеяться обнаружить некоторую остаточную асимметрию в скорости расширения или во флуктуациях спектра температуры реликтового излучения. В простой модели с одним первоначально компактным измерением этот эффект оказывается слишком малым, чтобы быть обнаруженным (Blanco-Pillado & Salem 2010, Graham et al. 2010), но в других моделях ситуация может быть более благоприятной.

Принцип заурядности

Как и в уголовном процессе, в отсутствие прямых доказательств мультивселенной, можно искать косвенные доказательства. Идея состоит в использовании нашей теоретической модели мультивселенной, чтобы предсказать константы природы, которые мы можем ожидать измерить в нашей локальной области. Один критерий выбора это так называемый антропный принцип, впервые введенный Brandon Carter (1974). Есть много различных формулировок этого принципа в литературе, но большинство людей понимает это как утверждение о том очевидном факте, что мы можем ожидать при измерении только такие значения констант, которые согласуются с существованием жизни. Это "принцип", однако, гарантируется автоматически, чтобы быть правдой, так что он не очень полезен для проверки теории.

Для того, чтобы найти проверяемые предсказания, мы должны принять несколько иной подход (Vilenkin, 1995). Мы можем использовать теорию для получения распределения вероятностей для констант измеряемых случайно выбранным наблюдателем в мультивселенной. Предполагая, что мы типичные наблюдатели - предположение, которое я назвал принцип заурядности - мы можем предсказать ожидаемый диапазон значений для констант в нашем пузыре. Ширина этого диапазона будет зависеть от уровня доверительной вероятности, на котором мы хотим сделать предсказание. Например, если желаемый уровень достоверности составляет 95%, мы должны отказаться от 2,5% на обоих хвостах распределения. Подобные идеи были предложены Gott (1993), Leslie (1989), Page (1996), Bostrom (2002). Я должен добавить, что собственная интерпретация Картером (Carter) антропного принципа была близка к принципу заурядности.

Эта стратегия была применена к плотности энергии нашего вакуума pV, также известная как темная энергия. Стивен Вайнберг (Steven Weinberg) (1987) (см. также Linde 1987) отметил, что в областях, где pV велико, там Вселенной расширяется очень быстро, не давая материи скучиваться в галактики и звезды. Наблюдатели не могут появиться в таких областях. Значения pV гораздо меньше, чем необходимо для формирования галактик оставляют ненужными тонкую настройку и также маловероятны. Расчеты показали, что большинство галактик (и, следовательно, большинство наблюдателей) появляются в областях, где плотность темной энергии, пример - но такая же, как плотность вещества в эпохи формирования галактик. Таким образом, предсказанное аналогичное значение должно быть наблюдатся в нашей части Вселенной (обзор и ссылки см. Vilenkin 2007).

По большей части, физики не приняли эти идеи всерьез, но, к их удивлению, примерно ожидаемая величина темной энергии и была обнаружена в астрономических наблюдениях в конце 1990 года. На сегодняшний день, нет альтернативы объяснению наблюдаемого значения pV. Это может быть нашим первым свидетельством того, что действительно есть огромная мультивселенная. Возможно это остудит многие горячие головы.

Неужели мы действительно типичны?

Принцип заурядности был предметом многочисленных споров. Он утверждает, что мы типичные наблюдатели, но всегда найдутся несчастные существа в мультивселенной кто будет измерять атипичные значения констант. Как мы можем быть уверены, что мы это не они? Hartle & Srednicki (2007) утверждают, например, что мы никогда не должны считать себя типичными в некотором классе наблюдателей, если у нас нет веских доказательств для такого предположения. Принцип заурядности выставляет противоположное требование - что мы должны считать себя типичными в любом классе, которому мы принадлежим, если есть нет данных, приводящих к очевидным противоречиям (Garriga & Vilenkin 2008). На самом деле, я удивлен, что этот вопрос является настолько спорным, так как можно легко убедиться, что принцип заурядности обеспечивает выигрышную стратегию. Я проиллюстрирую это на простом примере. Представьте себе, что, как только Вы прибыли на заседание Королевского общества, организаторы одели на Вашу голову белую или черную шляпу. Они убрали все зеркала, так что Вы не знаете цвета шляпы на Вашей голове. Но Вы замечаете, что 80% людей вокруг вас носят белые головные уборы и 20% носят черные шляпы. Возможно и нет ни какой системы, как шляпы распределены. Например, цвет может быть соотнесен с Вашим полом, возрастом, ростом и т.д. Но Вы этого не знаете.

Теперь, для того, чтобы зарегистрироваться для участия в конференции, Вы должны поставить 100 фунтов на цвет Вашей шляпы. Как Вы собираетесь делать ставку? Одна стратегия заключается в предположении, что Вы типичный среди участников и, тогда, держу пари, что ваша шляпа белая. Другой подход в том, что Вы действительно не знаете - типичный Вы или нет. Тогда Вы бросаете монету и делаете ставку наугад. В первом случае, 80% людей, победит, а во втором только 50% выигрыша. Очевидно, что Принцип Заурядности обеспечивает лучшую стратегию. С дополнительной информацией вы можете улучшить свои шансы за счет сужения класса выбора. Например, если вы женщина, и вы заметите, что большинство женщин носят черные шляпы, вы должны держать пари, что ваш шляпа черная.

Проблема меры

Более серьезным вызовом для теории мультивселенной является так называемая проблема меры. Как мы уже обсуждали ранее, любое событие, имеющее ненулевую вероятность будет происходить в ходе вечной инфляции бесконечное число раз. Статистические предсказания основаны на относительных частотах событий в пределе t→∞. Можно заметить, однако, что исход чувствительно зависит от процедуры предельного перехода. Точнее, он зависит от того, какой переменной мы пользуемся в качестве времени t. Одним из возможных выборов является "собственное время", которое измеряется часами, сопутствующими наблюдателям. Другим естественным выбором является коэффициент расширения (или масштабный фактор) Вселенной. Суть проблемы в том, что объем раздувающейся Вселенной растет со временем экспоненциально и количество всевозможных событий в ней растет соответственно также экспоненциально. Как результат, большая часть событий всегда будет рядом с моментом отсечки времени, поэтому не удивительно, что в результате вероятность измерения зависит от того, как проводится эта отсечка времени. С позитивной стороны, прогнозы на мультиполи КМФ и темную энергию не очень чув - ствительны к выбору меры. Но в принципе, теория будет оставаться не законченной, пока эта мера не будет полностью определена.

Проблема меры существует уже в течение почти двух десятилетий. За это время были предложены различные меры и были изучены их свойства (недавний обзор смотрите у Freivogel 2011). Эта работа показала, что некоторые из предложений приводят к парадоксам или противоречат данным наблюдений и поэтому должны быть отброшены. Например, измерения собственного времени выполняются довольно плохо, а масштабный фактор все еще находится в разработке. Вряд ли, однако, что такого рода феноменологический анализ даст уникальный рецепт определения меры. Это говорит о том, что некоторый важный элемент может быть отсутствует в нашем понимании космической инфляции. Некоторые считают, проблема настолько серьезна, что она ставит под сомнение серьезную применимость теории инфляции (например, Steinhardt 2011). Но такого взгляда придерживается только незначительное меньшинство космологов. Лично я думаю, что ситуация с теорией инфляции похожа на ситуацию с теорией эволюции Дарвина около 100 лет назад. Обе теории значительно расширили диапазон научных изысканий, предложив объяснение того, что ранее считалось невозможным объяснить. В обоих случаях объяснение было очень убедительно, и не были предложены жизнеспособные альтернативы. Теория Дарвина была широко принята, хотя некоторые важные аспекты оставались неясными до открытия генетического кода. Теория инфляции может быть так же неполна и может потребовать дополнительных новых идей. Но она неизбежна и необходима как воздух.

Начало и конец Вселенной

Если инфляция не имеет конца, то может быть она и начала не имеет? Это позволило бы нам избежать многих озадачивающих вопросов, связанных с началом Вселенной. После того как у Вас появилась Вселенной, ее эволюция далее описывается законами физики, но как вы сможете описать начало? Что стало причиной появления Вселенной? И кто устанавливает начальные условия для Вселенной? Было бы замечательно, если бы мы могли сказать, что вселенная всегда была в состоянии вечной инфляции,- без начала и без конца. Эта идея, однако, наталкивается на неожиданное препятствие. Арвинд Борде (Arvind Borde), Алан Гут (Alan Guth) и я (2003) доказали теоремe, в котороq говорится, что, хотя инфляция вечна в будущем, она не может быть вечной в прошлом - это означает, что инфляция должна была иметь какое-то начало. Точнее, теорема утверждает, что все геодезические в инфляционном пространства-времени, за исключением множества меры нулю, являются неполными в прошлом. Тогда мы сталкиваемся с вопросом: «а, что случилось прежде, чем началась инфляция?» Это один из вечных вопросов, потому что мы всегда можем спросить: «А что было до этого?» Так что представляется, что один из самых основных вопросов космологии - Что было в начале Вселенной? - не имеет удовлетворительного ответа.

Единственный способ обойти эту проблему бесконечных вопросов, это принять идею, что Вселенная может спонтанно возникать из ничего. Мы часто слышим, что ничто не может возникнуть из ничего. В самом деле, вещество имеет положительную энергию и закон сохранения энергии требует, чтобы любые начальные состояния имели одинаковые энергии. Тем не менее, и это математический факт, что энергия замкнутой Вселенной равна нулю. В такой Вселенной, положительная энергия материи в точности компенсируется отрицательной энергией гравитационного поля, поэтому полная энергия равна нулю. Другой сохраняющейся величиной является электрический заряд, но как и с энергией, полный заряда должен обращаться в нуль в замкнутой Вселенной. Это не трудно для понимания. Предположим, что Вселенная имеет форму 3-мерной сферы, и представьте положительный заряд размещенный на "Южном полюсе" этой сферы. Силовые линии исходящие от заряда будет сходиться в точке Северного полюса, указывая тем самым, что там должно быть равный по величине, но отрицательный заряд. Таким образом, вы не можете добавить электрический заряд в замкнутую Вселенную, не добавив противоположный заряд куда-нибудь еще.

Если все сохраняющиеся числа замкнутой Вселенной равны нулю, то ничто не мешает таким вселенным стихийно появляться из ничего. В квантовой механике, любой процесс, который не является строго запрещенным законами сохранения может произойти с некоторой вероятностью. Новорожденные вселенные могут иметь различные размеры и могут быть заполнены вакуумами различных типов. Анализ показывает, что наиболее вероятны вселенные с наименьшим начальным размером и высокой энергии вакуума (более подробно см. Vilenkin 2006 , гл. 17 Образование вселенных из ничего). Сразу после образования Вселенная начинает быстро расширяется, из-за высокой энергии вакуума. Это дает толчок для начала сценария вечной инфляции.

Вы можете спросить: Что стало причиной того, чтобы вселенная выскочила из ничего? Удивительно, но причины для этого не требуется. Если у вас есть радиоактивный атом, оно будет распадаться, и квантовая механика дает вероятность распада в заданном интервале времени. Но если вы спросите, почему атом распался в этот конкретный момент, а не в какой другой, то ответ прост: «нет никакой причины, процесс происходит совершенно случайно». Аналогичным образом, нет необходимости в причине квантового рождения Вселенной.

Я хотел бы закрыть этот раздел некоторыми важными новостями о конце мира. Часто говорят, что если темная энергия является космологической постоянной, то Вселенная будет продолжать расширение всегда. Это относится и к нашему пузырю Вселенной в целом, но не для нашей местной области. В картине мультивселенной должно быть большое количество вакуума отрицательной энергии, и пузыри такого вакуума будут неизбежно формироваться в пределах нашего (с почти нулевой энергией) вакуума. В определенный момент, вероятно, в очень отдаленном будущем, наш район будет охвачен пузырем с отрицательной энергией. Расширение тогда локально превратиться в сжатие, и наш регион коллапсирует. Пузырь прибудет без предупреждения, так как он расширяется почти со скоростью света. На самом деле, он может быть уже торопится к нам в этот самый момент.

Прогноз В общем, я описал новое мировоззрение, которое возникло от инфляционной космологии. Согласно этой точке зрения, инфляция - бесконечный процесс, постоянно производящий новые "пузыри вселенных" с различными свойствами. Эта картина мультивселенной может быть проверена как путем прямого наблюдения столкновений пузырей, так и косвенно, используя принцип заурядности. Прогноз по темной энергии, основанный на этом принципе уже подтвержден. Сейчас же я упомяну некоторые другие наблюдательные тесты, которые были предложены в литературе.

Потенциально проверяемой особенностью пузырей-вселенных является их отрицательная пространственная кривизна, а параметр кривизны |Ωk| различен для разных пузырьков, в зависимости от количества инфляции внутри пузыря. Распределение вероятностей для Ωk изучался Freivogel и соавт. и De Simone & Salem (2010). Они обнаружили, что диапазон возможных значений кривизны (|Ωk|>10−4) имеет заметную вероятность, но в то же время широкий хвост распределения простирается до значений, которые слишком малы, чтобы быть обнаружены. Кроме кривизны, квантовые флуктуации в родительском вакууме также могут производить характерные особенности в спектре гравитационных волн внутри пузыря. Обнаружение любого из этих эффектов будет представлять дополнительные доказательства вечной инфляции. Принцип заурядности применяется также для объяснения количества темной материи во Вселенной. Состав темной материи неизвестен, но по одной из наиболее мотивированных гипотез она состоит из очень легких частиц, называемых аксионами. Плотность аксионой темной материи определяется квантовыми флуктуациями во время инфляции и различно в разных областях Вселенной. Его значение влияет на формирование галактик и, следовательно, появляется эффект антропного выбора. Tegmark и соавт. (2006) (см. более ранние работы Linde 1988 год) вычислили результирующее распределение вероятностей и обнаружили, что наблюдаемое значение плотности темной материи близко к пику распределения. Если действительно темная материя состоит из аксионов, то это может быть расценено как успех теории. Прогнозы, связанные с идеей Мультивселенной, для масс нейтрино были разработаны Tegmark и соавт. (2005) и Pogosian и соавт. (2004), с выводом, что сумма масс нейтрино должна быть порядка 1 эВ. Любопытно отметить, что недавние эксперименты по нейтринным осцилля- циям, а также космологические данные, указывают на существование у нейтрино массы порядка 1 эВ (например, Hamann и соавт. 2010).

Основная нерешенная проблема инфляционной космологии - проблема меры. Ее разрешение может потребовать радикально новых идей. Одной из возможностей, которая была недавно предложена, (Garriga & Vilenkin 2009) является то, что динамика инфляционной мультивселенной имеет двойное, "голографические" описание, в форме квантовой теории поля, определенной на границе пространства-времени. Мера мультивселенной может быть тогда связана с микромасштабным обрезанием в этой теории. Эта и другие возможности, в настоящее время изучаются.

Благодарность

Эта работа была частично поддержана грантом PHY-0855447 от Национального научного фонда.

Александр Виленкин

Институт космологии, кафедра физики и астрономии Университет Тафтса, Медфорд, штат Массачусетс 02155, США