Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы

Действие S истории состоит из двух частей. Первая определяется формой истории, другими словами, ее гравитационной энергией. Вторая – полем вещества, φ. Вклад поля вещества будет включать потенциал V – плотность энергии, которую имело бы поле вещества, если бы оно было постоянно. Для простоты я приму, что поле вещества – это скалярное поле массы, m.

Продолжая аналогию с поверхностью Земли, истории, которые удовлетворяют классическим уравнениям поля, будут определяться φ0, величиной поля вещества на Южном полюсе. Можно нарисовать радиус b 3-сферы постоянного времени и поле вещества φ как функцию мнимого времени π в отдалении от Южного полюса. Для действительных значений мнимого времени π истории будут отрицательно искривлены, как анти-деСиттеровское пространство. Существует расширяющаяся вселенная, дуальная к этому отрицательно искривленному пространству, получаемая при мнимом значении радиуса вселенной. Согласно гипотезе об отсутствии границ, это соответствует созданию реального пространства-времени из ничего.

Если φ0, величина поля вещества на Южном полюсе, была очень велика, ранняя вселенная должна была пройти через период так называемой «вечной инфляции», за который ее размеры увеличились очень сильно, так, как растут цены. Квантовые флуктуации поля φ будут противодействовать тенденции к его уменьшению. Со временем флуктуации φ сократятся до уровня ниже порога вечной инфляции и вселенная переключится в состояние, называемое вялотекущей инфляцией, при которой она расширяется почти экспоненциально.

Мировой рекорд инфляции был установлен в Германии после Первой мировой войны. За 18 месяцев цены выросли в 10 миллионов раз. Но это была ерунда по сравнению с инфляцией в ранней вселенной. Вселенная расширилась в миллион триллионов триллионов раз за мельчайшую долю секунды. В отличие от инфляции цен, инфляция в ранней вселенной была очень хорошей вещью. Она создала очень большую и равномерную вселенную, которую мы и наблюдаем сейчас.

В период инфляции поле вещества φ медленно меняется, уменьшая свой потенциал V. Можно представить это поле как медленно катящееся с холма, и это называется вялотекущей инфляцией. В этом случае скорость расширения вселенной H почти постоянна, но медленно снижается. Инфляция заканчивается, когда поле φ подходит к минимуму потенциала и начинает осциллировать вокруг него. Тогда энергия поля φ конвертируется в горячую плазму других частиц, и вселенная, как говорится, разогревается.

С другой стороны, если величина φ0 невелика, вселенная не станет расширяться, но за крошечную долю секунды сколлапсирует в сингулярность. Квантовая гравитация предрекает множество возможных историй и множество возможных состояний в последующее время – то есть во время вроде нашего, много позже их сотворения. Многие из этих состояний сильно непохожи на вселенную, которую мы наблюдаем, и совсем непригодны для существования любых форм жизни. Лишь немногие позволяют существовать существам вроде нас. Таким образом, мы выхватываем из этого огромного массива только те вселенные, которые совместимы с нашим существованием. Хотя мы ничтожны и незначительны по космическим масштабам, это делает нас своего рода хозяевами творения.

Недавние измерения поля Хиггса говорят о высокой вероятности того, что оно не может находиться в нижнем энергетическом состоянии. В таком случае это поле находится в состоянии ложного вакуума. Оно может распасться до истинного вакуума за счет формирования пузыря истинного вакуума квантовыми флуктуациями. Этот пузырь будет расширяться со скоростью света. Мы не увидим его приближения. Но если он достигнет нас, мы будем уничтожены. К счастью, вероятное время жизни ложного вакуума больше возраста вселенной.

Хотя инфляция производит вселенную, которая почти одинакова везде и по всем направлениям, будут и локальные неоднородности, произведенные квантовыми флуктуациями. Возмущения гомогенной и изотропной вселенной бывают двух видов. Есть скалярные возмущения, которые соответствуют колебаниям плотности и скорости расширения, и тензорные возмущения, которые соответствуют гравитационным волнам.

Оба вида возмущений имеют общую причину. В основе у них тот же механизм, что и у так называемого излучения Хокинга, исходящего от горизонтов черных дыр, которое я предсказывал некоторое время назад, – только в этом случае оно идет от космологического горизонта, за которым события не наблюдаются, сколько ни жди. Излучение из-за космологического горизонта имеет температуру H/2π, где H – скорость расширения вселенной.

Хотя флуктуации плотности и гравитационные волны имеют общее происхождение как тепловые флуктуации в очень ранней вселенной, есть важная разница. Скалярные возмущения плотности вызваны квантовыми флуктуациями в поле вещества φ, которые будут сдвигать поверхности постоянных φ с тех мест, где они должны были бы быть. В то же время гравитационные волны не зависят от φ, но появляются непосредственно как флуктуации в расширяющейся вселенной, с температурой H/2π.