Антропный принцип

Рассмотрим мнения ученых относительно одного из наиболее спорных принципов современной постнеклассической картины мира. Область его значения – роль и место разумной жизни во вселенной. Известны три ответа на этот вопрос:

-первый: вселенная антропоморфна, она – целостный организм, а человеком управляют высшие космические силы (учения Аристотеля, Птолемей);

-второй: вселенная – это механизм, созданный богом, который сотворил человека по своему образу и подобию (Декарт, Ньютон);

-третий: существует стандартная космологическая модель, в рамках которой возникновение разумной жизни является проявлением законов случая.

Анализ этой проблемы привел к своеобразному «антикоперниканскому» перевороту в современной картине мира. Прежде всего, оказалось, что во вселенной существует очень тонкая подгонка фундаментальных физических констант друг к другу, и даже малые отклонения от стандартных значений привели бы к такому изменению свойств вселенной, что возникновение в ней человека стало бы просто невозможно. Эта удивительная приспособленность вселенной к существованию в ней человека, получила название антропного принципа.

В наиболее парадоксальной форме, так называемого сильного антропного принципа, эту идею сформулировал в 1973 году Б.Картер, затем Ст.Хокинг.

Фрэнк Типлер, американский астрофизик из Калифорнийского университета, автор книг «Физика бессмертия» (1994) и «Антропный принцип в космологии» (1986, совместно с Джоном Барроу из Оксфордского университета), предложил финалистскую версию антропного принципа, в основе которой лежит постулат вечности жизни, точнее, реализации программы производства информации. Физическая природа носителей информации при этом несущественна, это вовсе не обязательно человек. Цель этого процесса состоит в управлении крупномасштабной структурой вселенной, а его финал – точка Омега, мировой разум, потенциально владеющий бесконечно большим объемом информации. На основании своей концепции Типлер утверждает, что вселенная должна быть закрытой. Она потенциально содержит точку Омега как финал, в котором сливаются все мировые линии событий. Однако с точки зрения синергетики, как полагают некоторые ученые, позиция Типлера не выдерживает критики, ибо это модель эволюционного тупика.

Еще одна, но более рационалистическая концепция в виде принципа целесообразности принадлежит Н.Л.Розенталю, который считает, что основные физические законы подчиняются гармонии, которая обеспечивает существование основных состояний.

Довольно близкую точку зрения высказывает С.П.Курдюмов: сложное связано с иерархическим принципом строения и с необходимостью должно рассматриваться в эволюционном аспекте. Эволюционный постулат антропного принципа таков: сложный спектр структур-аттракторов существует лишь для узкого, уникального класса сценариев с нелинейными зависимостями. Недостаток синергетической интерпретации антропного принципа состоит в том, что его разработчики не могут указать решение задачи морфогенеза, т.е. усложнения, перехода от простых структур к сложным.

Покажем, что стоит за предположениями, обратившись к мнению Алекса Виленкина, выходца из России, а ныне профессора физики из университета Тафтс. (Виленкин А. Мир многих миров: Физики в поисках параллельных вселенных. – М.: Астрель, 2011. – 303с.). Он предлагает новую космологическую теорию, согласно которой любая возможная цепочка событий уже случилась где-то во вселенной – и не однажды, а бесконечное число раз.

Свойства любого объекта вселенной пишет Виленкин, от молекулы ДНК до галактик определяются несколькими числами – фундаментальными постоянными. К числу этих констант относятся массы элементарных частиц и параметры, которые характеризуют силу четырех взаимодействий – сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного. Протон, например, на 0,14% легче нейтрона и в 1836 раз массивнее электрона. Гравитационное взаимодействие между двумя протонами в 10 с 40 нулями раз слабее их электрического отталкивания. На первый взгляд эти числа кажутся совершенно произвольными. Нет никаких признаков, что выбор констант был предопределен.

Посмотрите: масса электрона в 2000 раз меньше, чем масса протона. Почему? Масса протона в 100 раз меньше, чем масса дабл-ю-бозона (w-бозона) — примерно. Почему это так? Масса протона и масса нейтрона примерно одинаковы, не дай Бог нарушить этот баланс. Если мы изменим массу электрона в 2 раза, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим заряд электрона в 2 раза, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим энергию вакуума в 100 раз, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим, рассогласуем соотношение между массой протона и массой нейтрона в несколько раз, чуть-чуть, жизнь нашего типа станет невозможной.

И вот эта Вселенная, этот вариант теории, в котором есть много возможностей, он позволяет ответить на вопросы такого типа. То есть это экспериментальное свидетельство — космологическая постоянная, энергия вакуума ничтожно мала. Единственный способ, который мы сейчас знаем, объяснить это — предположить, что эта теория многоликой Вселенной справедлива.

Выглядит так, что наша Вселенная специально сделана для нас — и это называлось антропным принципом. Первый шаг в этом направлении был сделан Вайнбергом, который исследовал, каким образом космологическая постоянная влияет на образование галактик, и установил антропные границы для этой константы: значение, выше которого энергия вакуума станет доминировать во вселенной слишком быстро, не позволяя образоваться галактикам. Он же вывел из своего анализа следующее предсказание: если между нулем и антропной границей мы возьмем произвольное значение, оно вряд ли будет много меньше этой границы – по той причине, по которой первый встретившийся нам человек вряд ли окажется карликом. По сути, он утверждал, что значение космологической постоянной в нашей части вселенной должно быть сравнимо с антропной границей. Антропная граница, полученная Вайнбергом, была слишком велика – примерно в 500 раз выше средней плотности вещества во вселенной. Позже Виленкиным были выполнены расчеты, которые показали, что космологическая постоянная, измеренная типичным наблюдателем, не должна заметно (более чем в 10 раз) превышать среднюю плотность вещества. Появилась возможность превратить рассуждения в проверяемые предсказания.

Стандартная модель элементарных частиц, которая описывает сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие всех известных частиц, содержит 25 «подстраиваемых» констант. Их значения определяются из наблюдений. При этом значения некоторых из них, в особенности тех, что описывают свойства нейтрино, до сих пор неизвестны. Вместе с космологической постоянной имеется 26 фундаментальных постоянных, которые описывают физический мир. Этот список будет расширяться, если будут открыты новые типы частиц или взаимодействий.

Исследования в различных областях физики обнаружили, что многие существенные особенности нашей вселенной чувствительны к точному значению некоторых констант. Рассмотрим влияние массы нейтрона, которая чуть больше массы протона и это позволяет свободному нейтрону распадаться на протон и электрон. Повернем регулятор массы нейтронов в сторону меньших значений, всего на 0,2%, чтобы соотношение масс протонов и нейтронов изменилось на противоположное. Теперь протоны становятся нестабильными и распадаются на нейтроны и позитроны. Протоны по-прежнему могут оставаться стабильными внутри атомных ядер, но если повернуть регулятор еще сильнее, они будут распадаться и там. В результате ядра потеряют свой электрический заряд, атомы распадутся, поскольку нечему будет удерживать электроны на околоядерных орбитах. Свободные электроны будут образовывать тесные пары с позитронами. Сплетаясь в смертельном танце, они быстро аннигилируют, превратившись в фотоны. В итоге возникает «нейтронный мир», состоящий из изолированных нейтронных ядер и излучения. В этом мире не будет химии, не будет сложных структур и не будет жизни.

Развернем регулятор в другую сторону. С увеличением массы нейтроны становятся нестабильными, начинают распадаться внутри атомных ядер, превращаясь в протоны. Ядра разрываются из-за электрического отталкивания протонов, которые объединяются с электронами и образуют атомы водорода. Возникает теперь уже «водородный мир», в нем не существует никаких других элементов.

Рассмотрим роль сил взаимодействия. Слабое взаимодействие не играет большой роли во вселенной, за исключением возникновения сверхновых звезд. Когда массивная звезда исчерпывает свою ядерное горючее, ее внутреннее ядро коллапсирует под действием собственного веса. Выделяет громадная энергия, которая распространяется в виде слабо взаимодействующих нейтрино. Фотоны и другие частицы, которые участвуют в сильном или электромагнитном взаимодействиях, остаются в ловушке сверхплотного коллапсирующего ядра. По пути наружу нейтрино срывают внешние слои звезды, вызывая колоссальный взрыв. Если бы слабое взаимодействие было существенно сильнее, нейтрино не могли бы вырваться из ядра, а если бы оно было слабее, нейтроны свободно проходили бы сквозь внешние слои, не увлекая их за собой.

Тяжелые элементы, такие, как углерод, кислород и железо, возникают в недрах звезд, рассеиваясь в результате взрыва. Не будь этих разрушительных процессов, эти элементы не участвовали бы в образовании планет и живых существ. А наличие легких элементов, таких как водород, гелий и дейтерий с очень незначительной примесью лития, было бы недостаточно.

Влияние гравитации ощущается только при наличии больших скоплений материи. На самом деле именно слабость гравитации делает звезды такими массивными: они должны быть достаточно велики, чтобы сжимать горячий газ до высокой плотности, необходимой для ядерных реакций. Если бы гравитация была сильнее, звезды стали бы меньше, они прогорали бы быстрее: усиление гравитации в миллион раз уменьшит массу звезды в миллиард раз. Отсюда у солнечных светил не будет хватать времени на производство жизненных процессов: типичная звезда будет иметь массу Луны, а срок ее жизни составит около 10 000 лет.

Все указывает на то, что наше присутствие во вселенной зависит от тонкого баланса, который нарушился бы, если бы фундаментальные постоянные существенно отличались от своих фактических значений.

О чем говорит нам эта тонкая настройка констант? Является ли она указанием на бога, который тщательно отрегулировал постоянные значения, чтобы сделать возможными жизнь и разум?

А, возможно, вместо того, чтобы тщательно проектировать вселенную, бог небрежно творит их одну за другой, порождая огромное число вселенных с различными и совершенно случайными значениями постоянных? Большинство этих вселенных не более интересны, чем нейтронный мир. Но изредка совершенно случайно возникает вселенная с удачно подобранными параметрами, пригодными для жизни.

Если принять эту точку зрения, то нам следует задаться вопросом: в какого типа мирах мы могли бы жить? Все разумные существа обнаружат, что находятся в редких благоприятных вселенных, и будут восхищаться удивительным подбором постоянных, делающих возможным их существование.

Этот ход рассуждений известен как антропный принцип. Название было придумано астрофизиком Кембриджского университета Брэндоном Картером: все наши ожидания в отношении возможных наблюдений должны быть ограничены условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей.

Антропный принцип – это критерий отбора. Он предполагает существование неких отдаленных доменов, где фундаментальные постоянные иные. Эти домены могут располагаться в далеких частях нашей вселенной или принадлежать другим, совершенно не связанным с нашими пространственными и временными характеристиками.

Совокупность доменов с самыми разнообразными свойствами называется мультиверсом. Выделяют три типа мультиверса:

-первый состоит из множества регионов, принадлежащих одной вселенной;

-второй тип состоит из отдельных несвязанных вселенных;

-третий тип представляет собой сочетание первого и второго типов: он состоит из множества вселенных, в каждой из которых содержится множество различных регионов.

Если мультиверс любого типа действительно существует, то неудивительно, что фундаментальные постоянные так хорошо подходят для жизни. В противном случае они с гарантией будут тонко настроены.

Антропную аргументацию также можно применить к изменениям наблюдаемых свойств во времени, а не только в пространстве. Одним из первых приложений антропного принципа стало объяснение современного возраста вселенной. Было показано, что жизнь может возникнуть только после того, как в звездных недрах будут синтезированы тяжелые элементы. Это занимает несколько миллиардов лет. Элементы затем рассеиваются взрывами сверхновых звезд, и нужно еще несколько миллиардов лет для образования второго поколения звезд и их планетных систем из продуктов взрыва и для протекания биологической эволюции. Так что первые наблюдатели не могли появиться ранее, чем через 10 миллиардов лет после Большого Взрыва. Однако все звезды рано или поздно исчерпывают свою ядерную энергию примерно за 10 миллиардов лет, и при этом галактические запасы газа для формирования новых звезд исчерпываются в том же масштабе времени. Примерно через 100 миллиардов лет в наблюдаемой вселенной останется очень мало солнцеподобных звезд. Если предположить, что жизнь исчезнет вместе со смертью звезд, то останется окно между 5 и 100 миллиардами лет, когда могут существовать наблюдатели. Неудивительно, что современный возраст вселенной попадает в этот зазор.

Попытки использовать антропный принцип в качестве объяснения тонкой настройки вселенной вызывает отрицательную реакцию со стороны физиков. Чтобы объяснить тонкую настройку, постулируется существование мультиверса, состоящего из далеких доменов, где фундаментальные постоянные иные. Проблема в том, что нет ни единого свидетельства в пользу этой гипотезы. Похоже, что нет никакой возможности когда-либо подтвердить или опровергнуть ее.

Поппер писал о том, что любое утверждение, которое не может быть фальсифицировано, не является научным. Из этого критерия, признаваемого большинством ученых, следует, что антропное объяснение тонкой настройки является ненаучным. Критики говорят, что антропный принцип может служить для объяснения лишь того, что мы уже знаем. Он никогда ничего не предсказывает и потому не может быть проверен. Даже сам термин «антропный» служит источником недоразумений, поскольку словно бы отсылает именно к человеческим существам, а не к разумным наблюдателям вообще. Стивен Вайнберг, лауреат Нобелевской премии по физике вспоминает, что тот, кто говорил тогда об антропном принципе, подвергался всеобщему осуждению.

Ну, а если одиночки правы? Профессор Стэндфордского университета Андрей Дмитриевич Линде (р.1948) был одним из первых ученых, которые применили антропный подход к проблеме космологической постоянной. Он предложил конкретную модель, которая описывала, каким образом космологическая постоянная может варьироваться и что способно вызвать ее изменения от одного места к другому.

Здесь необходимы пояснения, за которыми мы также обратимся к работе другого русского профессора физики, проживающего в Англии, Алекса Виленкина. Пояснения будут касаться таких понятий, как вакуум, скалярное поле.

Вакуум – это пустое пространство. Его часто используют как синоним слова «ничто». По этой причине идея энергии вакуума выглядела такой странной, когда ее впервые выдвинул Эйнштейн.

Согласно современным теориям элементарных частиц, вакуум – это физический объект, который может быть заряжен энергетически и может находиться в разнообразных состояниях. Взаимосвязь между частицами и вакуумом подобна той, которая существует между звуковыми волнами и материалом, по которому они распространяются. Вакуум, в котором мы живем находится в наинизшем энергетическом состоянии и его называют «истинный вакуум». Сильное ядерное взаимодействие ответственно за связь протонов и нейтронов в атомных ядрах. Электромагнитные силы удерживают электроны на орбитах вокруг ядер. Слабое взаимодействие обеспечивает поведение неуловимых легких частиц, нейтрино.

Свойства элементарных частиц в двух других вакуумах другие. Электрослабый вакуум отличается тем, что электромагнитное и слабое взаимодействия в нем имеют одинаковую силу и проявляются как составляющие одной объединенной силы. Электроны в этом вакууме имеют нулевую массу и неотличимы от нейтрино. Они движутся со скоростью света и не могут удерживаться внутри атомов. Неудивительно, что мы живем не в этом типе вакуума.

Вакуум великого объединения – это вакуум всех трех типов взаимодействия между частицами. В этом высокосимметричном состоянии нейтрино, электроны и кварки (из которых состоят протоны и нейтроны) становятся взаимозаменяемыми. Если электрослабый вакуум почти наверняка существует, то данный тип вакуума – это гораздо более умозрительная конструкция.

Вакуум высокоэнергичный называют еще «ложный вакуум». В отличие от истинного, он распадается в течение доли секунды, превращаясь в истинный. При этом его избыточная энергия (кубический сантиметр содержит колоссальную энергию, равную 10 в 19-й степени тонн, а для вакуума великого объединения плотность массы доходит до 10 в 48-й степени тонн) высвобождается в виде огненного шара из элементарных частиц.

Если вакуум обладает энергией, то, согласно Эйнштейну, он должен иметь и натяжение, которое создает отталкивающий гравитационный эффект. В случае вакуума отталкивание в три раза сильнее, чем гравитационное притяжение, вызванное его массой, так что в сумме получается очень сильное отталкивание.

В работах Алана Гута было предположено, что расширение вселенной вызывается натяжением ложного вакуума. Постоянный темп расширения подразумевает, что существует фиксированный интервал времени, на протяжении которого размер вселенной увеличивается вдвое. Рост, который характеризуется постоянным удвоением, называют экспоненциальным.

Короткий период инфляции делает вселенную большой, горячей, однородной и плоской, создавая как раз такие начальные условия, которые требуются для стандартной космологии Большого Взрыва.

Процесс распада вакуума похож на кипении воды: посреди ложного вакуума случайным образом появляются маленькие пузырьки вакуума истинного. Внутренние области растущих пузырьков остаются пустыми, а вся энергия, которая выделяется при переходе ложного вакуума в истинный, сконцентрирована в расширяющихся стенках пузырьков. Когда пузырьки сталкиваются, их стенки распадаются на элементарные частицы. Конечным результатом становится истинный вакуум, заполненный плотной горячей материей.

Именно так происходит, если пузырьки возникают в бешенном темпе (со скоростью света) и весь процесс распада завершается меньше чем за один период удвоения. Нас же интересует случай, когда темп низкий, так что вселенная может расширяться во много раз, прежде чем пузырьки начнут сталкиваться. Если пузырьки не столкнутся в течение одного периода удвоения от момента возникновения, то в дальнейшем расстояние между ними будет расти, так что они уже никогда не столкнутся. Выходит, что инфляция может никогда не закончиться.

Однако, эта теория не работала. Обнаружилось, что ложный вакуум распадается не так, как ожидалось. Дальнейшие исследования в этом направлении связаны с именем гарвардского физика Сиднея Коулмана, который изучил процесс распада ложного вакуума и описал его в терминах скалярных полей.

Поле – это количественная характеристика, имеющая определенное значение в каждой точке пространства. Его значения могут меняться от точки к точке, а также во времени. Простым примером является температура: Каир, Москва, Луна, Солнце – все точки вселенной имеют определенную температуру. Другой пример – магнитное поле. В дополнение к величине оно обладает также и направлением. Мы не ощущаем магнитного поля, но его присутствие обнаруживается, если взглянуть на компас. Стрелка указывает направление поля, а его напряженность можно определить по тому, насколько сильно оно действует на стрелку, заставляя принять это направление.

Поля, подобно температуре не имеющие направления, называют скалярными. Они описываются одним числом: величиной.

Векторное поле — например, электромагнитное. У него имеется величина и направление. Что такое скалярное поле? У него имеется величина, а направления нет. Вот и вся разница, то есть оно гораздо проще, чем электромагнитное поле. У него нет направления, оно является лоренцовским скаляром. Лоренцовский скаляр — это означает следующее. Если вы побежите относительно него, вы не почувствуете, что вы бежите: ничего не изменилось. Если вы повернетесь, ничего не изменится тоже, вы не почувствуете, что вы поворачиваетесь. Выглядит как вакуум, если оно не движется, если оно постоянно. Но только это специальный вакуум, потому что у него может быть потенциальная энергия. Это первое свойство его. И, во-вторых, если у вас в разных частях Вселенной разный вакуум, то там также разный вес элементарных частиц, разные свойства, поэтому от того, есть или нет это скалярное поле: а) зависят свойства элементарных частиц и б) зависит плотность энергии вакуума во Вселенной, так что это, в принципе, важная вещь. И вот простейшая теория, у которой энергия этого скалярного поля пропорциональна его квадрату.

Рис. 6.2. книги Виленкина на с. 81

Подпись: Энергетический ландшафт скалярного поля с ложным и истинным вакуумом. Поле может туннелировать сквозь барьер, разделяющий два вакуума.

Для иллюстрации физики распада вакуума, Виленкин предлагает рассмотреть единственное скалярное поле и вникнуть, как образом оно влияет на энергию вакуума.

Каждый кубический сантиметр пространства содержит энергию, которая зависит от величины поля. Точный характер зависимости поля пока не известен, но в общих чертах он напоминает холмистый ландшафт, как на рисунке с максимумами на одних значениях и минимумами на других. Поведение скалярного поля очень похоже на поведение шарика, который катится по поверхности с рельефом. В зависимости от начального положения шарик скатится в тот или иной энергетический минимум. Самый нижний минимум имеет почти нулевую плотность энергии, он отвечает истинному вакууму. Более высокий минимум соответствует высокоэнергичному ложному вакууму.

Допустим, мы начинаем с ложного вакуума во всех точках пространства. Это соответствует шарику, который покоится в верхнем минимуме. Он будет лежать там очень долго, пока что-нибудь не подтолкнет его вверх, сообщив энергию, необходимую для того, чтобы преодолеть барьер и попасть в нижний минимум. Однако, согласно квантовой теории, объект может «туннелировать» сквозь энергетический барьер. Когда вы наблюдаете такое событие, то видите, как шарик исчезает и мгновенно материализуется по другую сторону барьера.

Туннелирование происходит к крошечных, микроскопических областях, приводя к появлению маленьких участков истинного вакуума. Это и есть процесс образования пузырьков. Но они никогда не сливаются, так что процесс распада никогда не завершается. Но что произойдет, если мы удалим барьер?

Возьмем маленький шарик, который скатывается по энергетическому ландшафту. Шарик представляет собой скалярное поле, а высота, на которой он находится, это плотность энергии этого поля. Пока шарик катится вниз, его энергия вызывает инфляционное расширение вселенной.

Рис. 6.3 из книги Виленкина на с. 83

Подпись: Энергетический ландшафт без барьера. Скалярное поле быстро скатывается к истинному вакууму.

Если барьера нет, шарик, представляющий поле, скатывается вниз в сторону истинного вакуума. Нет никаких пузырьков, а поле, катясь вниз, остается однородным во всем пространстве. Достигнув нижней точки, оно начинает колебаться вверх и вниз. Энергия этих колебаний быстро рассеивается, порождая огненный шар частиц, а поле успокаивается на минимальной энергии.

Трудность состоит в том, что в отсутствие барьера поле будет скатываться вниз очень быстро, и инфляция прекратится слишком рано. Отсюда возникло предположение о том, что график энергетической функции напоминает по форме холм с очень пологим склоном. Плоский участок наверху холма играет роль ложного вакуума. Если поместить шарик где-то на этом участке, он начнет катиться очень медленно. При этом он будет оставаться практически на одной и той же высоте, поскольку склон очень пологий.

Рис.6.4. книги Виленкина на с. 84

Подпись: Энергетический ландшафт «сплющенного холма». Пока скалярное поле медленно скатывается вниз, инфляция продолжается.

Высота на рисунке соответствует плотности скалярного поля, а ее постоянство – это все, что требуется для поддержания неизменного темпа инфляции.

Ключевая идея Линде состояла в том, что вблизи вершины холма скалярное поле катится очень медленно, и потому пройдет много времени, прежде чем оно пересечет эту область. Между тем вселенная продолжает расширяться, колоссальным образом вырастая в размерах. Попав на крутую часть энергетического склона, поле начинает катиться быстрее, а достигнув наконец минимума, осциллирует и расходует свою энергию на порождение горячей смеси частиц. В этот момент мы получаем горячую расширяющуюся вселенную, которая к тому же является однородной и почти плоской. Проблема изящного выхода была решена.

Таким образом, из состояния первичного хаоса возникает вселенная. Скалярное поле в этом состоянии беспорядочно меняется от точки к точке. В некоторых областях оно оказывается на вершине энергетического холма, и в таких местах происходит инфляция.

Линде понял, что полю не обязательно стартовать в верхней точке энергетического ландшафта. Оно может начинать скатываться вниз и с какой-то другой точки на склоне. Фактически энергетический холм может и не иметь верхней точки, вздымаясь вверх без ограничений, как показано на рисунке.

Рис. 8.4 из книги Виленкина, с. 117

Подпись: Скалярное поле скатывается со склона «безверхого» энергетического холма.

У такого лишенного верха холма есть дно – истинный вакуум, но нет определенного места для ложного вакуума. Его роль может играть любая точка на склоне, куда поле попало в исходном хаотическом состоянии, лишь бы это было достаточно высоко, чтобы обеспечить необходимо для инфляции время скатывания. Ключевой вывод был таков: на больших высотах квантовые флуктуации становятся сильнее и могут толкать поле вверх против сил, тянущих его вниз по склону.

При этом следует различать хаотическую флуктуацию, которая указывает на случайность начального состояния и не имеет никакого отношения к вечному характеру инфляции. Хаотичная инфляция также может быть вечной, но этим связь между теориями исчерпывается. Понадобились годы, прежде чем научное сообщество повернулось к теории вечной инфляции.

Самое главное предсказание вечной инфляции состоит в том, что наблюдаемая вселенная должна быть плоской, то есть иметь евклидову геометрию. Вселенная в целом может быть сферической или иметь более сложную форму, но наш горизонт охватывает лишь крошечную ее часть. Поэтому мы не в состоянии отличить ее геометрию от плоской.

Это утверждение эквивалентно тому, что средняя плотность вселенной должна быть с очень высокой точностью равна критической. Обычное вещество, состоящее из протонов, нейтронов и электронов, обеспечивает лишь несколько процентов от критической плотности (около 4%), а так называемую темную энергию (около 26%) невозможно наблюдать непосредственно, но ее присутствие проявляется гравитационным притяжением, действующим на видимые объекты. Наблюдения за сверхновыми звездами (1998 год) показали, что имеет место некий эффект возрастания скорости космического расширения под действием гравитации. А это говорило уже о том, что вселенная заполнена некой гравитационной отталкивающей субстанцией.

Возникло предположение, что истинный вакуум, в котором мы обитаем, имеет ненулевую плотность массы. Вакуум является гравитационно отталкивающим, и если его плотность превышает половину плотности массы вещества, суммарным результатом будет отталкивание. Плотность массы истинного вакуума – это то, что Эйнштейн назвал космологической постоянной, идея, которую он сам объявил своей величайшей ошибкой. Однако сегодня мы вновь возвращаемся к этой идее.

Итак, Линде рассмотрел модель, в которой различные высоты ландшафта соответствуют различным плотностям энергии. Он предположил существование другого скалярного поля со своим энергетическим ландшафтом. Чтобы не путать его с полем, ответственным за инфляцию, последнее мы будем в дальнейшем «инфлатоном». В наших окрестностях инфлатон уже скатился к подножию своего энергетического холма. Это случилось 14 миллиардов лет назад, в конце эпохи инфляции. Чтобы новое поле не скатилось вниз слишком быстро, Линде ввел условие, что для него склон должен быть чрезвычайно пологим, намного более пологим, чем в модели инфляции. Любой уклон, каким бы малым он ни был, заставит поле скатиться вниз. Уклон был предположен настолько небольшим, что за 14 миллиардов лет поле не изменилось существенным образом. Но если уклон имеет огромную протяженность в обоих направлениях, плотность энергии может достигать очень больших положительных или отрицательных значений.

Рис. 13.2 из книги Виленкина, на с. 181.

Подпись. Скалярное поле на очень пологом энергетическом ландшафте.

Полная плотность энергии вакуума, космологическая постоянная, получается путем добавления плотности энергии скалярного поля к плотностям энергии фермионов и бозонов, которые вычисляются в физике элементарных частиц. Даже если нет никакого чудесного сокращения вкладов разных частиц и их совокупный вклад в энергию вакуума велик, на склоне будет такой участок, где вклад скалярного поля окажется равен по величине и противоположен по знаку, так что полная плотность энергии вакуума окажется нулевой. Предполагается, что в нашей части вселенной скалярное поле очень близко к этому участку.

Если скалярное поле меняется от одной части вселенной к другой, то и космологическая «постоянная» тоже будет переменной, и это все, что требуется для применения антропного принципа. Но что же может вызвать вариации скалярного поля? На этот вопрос Линде тоже сумел найти хороший ответ.

Еще до Большого Взрыва в процессе вечной инфляции поле подвержено случайным квантовым флуктуациям. Поведение поля по-прежнему можно описывать как случайные блужданию людей, расходящихся после вечеринки. В данном случае уклон холма слишком мал, чтобы оказывать на них какое-либо влияние.

Получается, что вечная инфляция естественным образом создает условия для применения антропного принципа. По мере расширения вселенной плотность вещества снижается, и неизбежно наступит время, когда она станет ниже вакуумной. Стивен Вайнберг обнаружил, что после того, как это случится, вещество больше не сможет скучиваться в галактики. Оно станет рассеиваться отталкивающей гравитацией. Чем больше космологическая постоянная, тем раньше наступит эпоха доминирования вакуума. Области, где он начинает доминировать раньше, чем образуются первые галактики, имеют все шансы никогда не обзавестись космологами, которых мучили бы подобные проблемы.

Предлагаемые учеными программы и модели – это и есть антропная составляющая вселенной.

Наука и религия

Что касается Линде, то он особенно интересуется тайной сознания и думает, что вместе с пространством и временем, сознание может быть фундаментальным компонентом вселенной. Он задается вопросом, может ли физическая вселенная, ее законы, и сознательные наблюдатели сформировать интегрированное целое. Полное описание действительности, он говорит, могло потребовать всех трех компонентов, которые, как он установил, появились одновременно. “Без наблюдателя, - считает он, - вселенная мертва”.