Космологические коаны. Путешествие в самое сердце физической реальности

Как и рисунок в пещере, идея вечной инфляции предполагает, что относительно как пространства, так и времени Вселенная как целое должна быть больше, гораздо, гораздо, ошеломляюще больше и сложнее, чем и так уже гигантская вселенная, доступная для нашего наблюдения. Причем речь должна вестись не только о ее размере, но и, возможно, о разнообразии ее свойств. Хотя в нашей наблюдаемой вселенной происходит много событий, она доступна для нашего понимания в частности потому, что целый ряд ее атрибутов, таких как основополагающие законы физики, фундаментальные постоянные и так далее, во всей вселенной одинаковы. Однако если посмотреть шире (гораздо шире), то становится ясно, что гипотеза о вечной инфляции вовсе не предполагает, что они одинаковы везде. Картина художника кажется поэтической метафорой, но на самом деле это во многом беспристрастное и точное в главном отображение той «мультивселенной», которая может получиться при вечной инфляции, если включить возможность изменения даже таких основополагающих свойств. Попробуем это осмыслить.

«Так много миров! Каждый из этих миров без края, без центра, и везде окраина».

Эти миры — области, в которых инфляция передала свою энергию каким-то иным полям, — возможно, как в нашей наблюдаемой вселенной, фотонам и другим частицам. Поскольку появлению каждого из миров предшествовала инфляция, эти миры, как и шары Али, сглажены и однородны. Это означает, что и для них справедлив космологический принцип, лежащий в основе модели большого взрыва. Если цитировать художника и его современника Джордано Бруно, «их окраина везде, а центры нигде». Каждый из миров настолько велик, что вмещает всю нашу наблюдаемую вселенную. (Насколько велик? Вскоре мы обсудим этот вопрос с Галилеем.)

«То, что мы считали неизменным и постоянным, сказочным образом меняется при переходе от одного к другому».

Считается, что постоянная тонкой структуры а, ответственная за силу электромагнитного взаимодействия, неизменна и одинакова во всей вселенной. Исследования облаков межзвездного газа, образовавшихся миллиарды лет назад и очень далеких от нас, показывают, что и там ее значения неотличимы от тех, которые мы измеряем здесь и сейчас. В ЗАЗЕРКАЛЬЕ мы умозрительно рассуждали о том, что было бы, если бы такие константы как а были другими. Но что бы означало реальное изменение такого рода постоянных от места к месту или их разные значения в разные моменты времени?

Есть достаточно простой подход, позволяющий в этом разобраться. Спустя десять лет после того, как Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, Теодор Калуца, а затем и Оскар Клейн предложили красивую идею, которая, казалось, должна была объединить гравитацию Эйнштейна и электромагнетизм Максвелла. Калуца и Клейн предположили, что на самом деле число измерений в нашем мире равно четырем: к трем пространственным измерениям надо добавить время. Введенное четвертое измерение «свернуто» в крошечное кольцо, так что в каждой точке нашего трехмерного пространства на самом деле есть еще одно скрытое направление, куда, будь вы совсем крошечным, можно было бы направиться. Однако двигаясь в этом направлении, вы скоро оказались бы в исходной точке.

Идея странная, но она приводит к удивительному результату. Калуца и Клейн показали, что (если обойти молчанием микромасштаб свернутого измерения) применение уравнений Эйнштейна в таком четырехмерном мире эквивалентно уравнениям Эйнштейна и уравнениям Максвелла, действующим в трех других измерениях. Интересно, что при этом значение постоянной тонкой структуры а в уравнениях Максвелла прямо связано с радиусом крошечного колечка. Более того, ничто не запрещает этому радиусу меняться от точки к точке.

В этой теории а перестает быть константой природы, а является полем, которое может не только меняться, но даже — как электромагнитное поле или поле инфлатона — обладать динамическими свойствами. Это показывает, что в принципе даже «фундаментальные» постоянные могут меняться в пространстве-времени.

Хотя теория Калуцы-Клейна имеет существенные пробелы, в 1980-е — 90-ые годы о ней вспомнили в связи с теорией струн. В теории струн тоже предполагается, что есть три больших пространственных измерения, но с необходимостью требуются еще шесть или семь компактных, мелкомасштабных измерений, свернутых наподобие колец Калуцы и Клейна. Однако это, скорее, не простые кольца: дополнительное пространство может иметь невероятно сложную геометрическую структуру. И, чтобы описать структуру скрытого пространства, находящегося в каждой точке нашего трехмерного мира, требуется не только один радиус, а, возможно, сотни параметров. Они представляют собой сотни полей, то есть чисел, которые могут плавно меняться от точки к точке. Эти поля определяют не только а, но и большое число других постоянных в стандартной модели физики элементарных частиц.