Многомерные вселенные
Вслед за разработкой теории инфляции и суперструн, в космологии появляется термин " Multiverse" - множественная вселенная. Одним из ее создателей является российско- американский физик, профессор Стэнфордского университета Андрей Дмитриевич Линде. Разработанная им хаотическая теория инфляции напрямую ведет к идее многоликости Вселенной.
Ранняя Вселенная расширялась с большим ускорением, чем сейчас. В вакууме существует определенная плотность энергии и она того же порядка, что плотность энергии вещества Вселенной - десять в минус двадцать девятой степени грамм на сантиметр кубический. В полном бюджете энергии и материи Вселенной картина представлена следующим образом: 74% темной энергии, 23% темной материи и примерно 3% нормальной материи.
Темная энергия.
Что это такое - пока не понятно. То ли энергия вакуума, то ли энергия медленно меняющегося особого скалярного поля. По крайней мере предполагаемый теорией квант этого поля - бозон Хиггса - уже обнаружен на Большом адронном коллайдере. Это какая- то особая субстанция. Она не комкуется, подобно листу бумаги, не сбивается в галактики.
Темная материя.
Она комкуется, сбивается в галактики, но при этом мы ее не видим, она не светится. Ее природа нам не понятна.
Почему так много темной энергии и темной материи содержится в пустоте? А материи, привычной нам, так мало? В простейшей теории инфляции Вселенная раздувается до совершенно невероятных размеров, и это хорошо объясняет однородность, плоскость и изотропность в масштабах наблюдаемого пространства. Скалярное поле, являющееся одним из возможных кандидатов на роль темной энергии, подразумевает наличие множества квантовых флуктуаций. Они быстро возникают и исчезают, подобно волнам. Инфляция растянула и их, заодно со Вселенной. Когда длина волны стала достаточно большой, они замерли, перестали двигаться и исчезать. В результате этого процесса и включившегося трения скалярного поля, Вселенная заполнилась неоднородным скалярным полем. Эти неоднородности и привели к формированию галактик. Иногда флуктуации накапливают энергию скалярного поля в отдельных частях Вселенной. В этих областях инфляция ускоряется, Вселенная самовосстанавливается, процесс инфляции становится вечным. Все новые флуктуации замерзали в процессе инфляции, они не осциллировали, не исчезали, были большими за счет быстрого расширения. Вселенная заполнилась неоднородностями в больших экспоненциально масштабах. В тех местах, где скалярное поле по случайности подскочило очень высоко в пиках, энергия его оказалась такой большой, что расширение в этом месте ускорилось и образовался пузырь.
В реалистических теориях элементарных частиц существует много скалярных полей, их потенциальная энергия имеет множество минимумов. Каждому из них соответствует новое вакуумное состояние. Элементарные частицы имеют разные свойства в этих вакуумах. Во время инфляции квантовые флуктуации могут разбить Вселенную на много частей, содержащие разные скалярные поля и она становится "многоликой", с разными законами физики в каждой. В зависимости от того, куда мы попадем, в один из минимумов на инфляционной стадии, локально она будет выглядеть, как огромная Вселенная./p>
Возможно, существует единый закон физики, как един генетический код, но проявляется он по- разному в различных местах. Его проявление зависит от скалярных полей и от свойств скомпактифицированных (замаскированных) пространственных измерений, которые определяются свойствами вакуума. Это, своего рода, механизм космологической мутации. Но где записан сам код? Давайте воспользуемся теорией струн и многомерности пространства.
Принято полагать, что мы находимся в трехмерном пространстве. Для объектов привычного нам мира характерна длина, ширина и высота. К этим измерениям добавляют четвертую координату - время. Но, по некоторым признакам, все, мягко говоря, не совсем так. В нашей Вселенной десять пространственных измерений. Шесть из них скомпактифициованны, свернуты в клубочки, как испуганные ежики и делают вид, что их нет. Мы любуемся тремя пространственными и одним временным измерением, но скрытые шесть измерений говорят о множественности способов задания реальности. Любой из шести развернувшихся или новых свернувшихся ежиков задаст новую Вселенную со своими законами. Нам трудно представить, как выглядит десятимерное пространство. Графически его интерпретируют как пространство Калаби-Яу, неправильный клубок со множеством дырок.
Если Вселенная многомерна, то ее можно множеством способов свернуть в пространство, которое мы видим. И это объясняет многие вопросы. Например, почему плотность энергии вакуума именно такова. Потому, что этих вакуумов множество, в их число входит и вакуум с именно таким значением энергии. Здесь уже работают законы теории вероятностей. При большой плотности энергии, скалярные поля легко перескакивают из одного состояния в другое, законы физики меняются постоянно. А рядом с минимумами они более-менее стационарны.
Если мы живем в одном таком стационарном мире и хотим попасть в другой, по дороге мы наткнемся на барьер. Это доменная стенка большой величины. Потребуется огромная энергия, чтобы пробить доменный барьер. Но если бы даже и удалось его сломать, жизнь нашего типа тут же погибнет. Частицы нашего типа не существуют или меняют свои свойства во вселенной другого типа. На сверхбольших расстояниях работает неизвестная нам физика.
Там, за туннелем, находится другой пузырь. И он тоже расширяется. Стенка каждого расширяющегося пузыря движется со скоростью света. Между ними - старое возбужденное вакуумное состояние огромной энергии.
В целом, картина выглядит следующим образом. Возникло два пузыря, каждый расширяется очень быстро, но Вселенная между ними раздувается и поэтому расстояние между ними остается большим, и они не сталкиваются. Возникают другие пузыри и тоже расширяются. Изредка некоторые сталкиваются, но большинство - нет. В некоторых из них нет никакой структуры, не образовалась. В других была стадия медленного скатывания инфляции, возникали и замерзали квантовые флуктуации, там возникала структура, рождались галактики. Таких Вселенных с возникшей структурой много. Это означает, что обязательно где- нибудь есть точная копия нашей Вселенной и нас.
Вселенная рядом с нами, по- видимому, собирается распасться, в 1998 году эксперты узнали, что Вселенная вышла на новую стадию экспоненциального раздувания, только малоэнергичную. Впрочем, нашу галактику процесс не затронет. На нее только упадет галактика Андромеды, остальные же попросту от нас улетят. Улетят и прилипнут к горизонту, находящемуся в 13,7 млрд световых лет (горизонт для мира де Ситтера). Масштабированное состояние в конце концов распадется, возникнет пузырек новой фазы. Попробуем представить дальнейшие события. Этот пузырек может быть десятимерным (мир Минковского), нормальное стабильное пустое состояние. Его движущаяся на нас стенка будет последним, что мы сможем увидеть. Впрочем, выжившие и неизвестным образом перестроившиеся, смогут прогуливаться в молодом мире в девяти разных направлениях.
А может быть и другой вариант. Образуется мир анти- де Ситтера, с отрицательной плотностью энергии вакуума. Такой пузырек с отрицательной космологической постоянной будет быстро коллапсировать и уйдет в сингулярность.
Вселенная в целом и жизнь никогда не исчезнут. Они являются самовосстанавливающимися, благодаря воспроизводству все новых частей Вселенной во всевозможных комбинациях. Прогнозы возможности экспериментальных подтверждений теории не очень большие. Только косвенные. Найден бозон Хиггса - квант скалярного поля. Ведется поиск фактов нестабильности протона и, если найдем, сможем объяснить часть теории великого объединения.
Посмотрите, как все связывается. Масса электрона в 2000 раз меньше массы протона. А, собственно, почему? Масса протона, в свою очередь, меньше массы W- бозона в 100 раз. Почему? Почему масса протона примерно равна массе нейтрона? Жизнь нашего типа станет невозможной при небольших вмешательствах в существующий порядок. Ну, скажем, если изменить элементарный заряд в 2 раза. Или массу электрона. Или изменить в 100 раз энергию вакуума. Выглядит так, будто данные кем- то подтасованы, это и есть антропный принцип. Конечно, приятнее жить, зная, что есть кто- то большой и добрый, кто заботливо убрал из реальности все угрожающее и неудобное, создав специально для нашей жизни все условия, взрастив райский сад. К сожалению, картина может оказаться иной. Мы живем в такой Вселенной, в какой можем. Их бесчисленное количество, с разными параметрами, сформировавшимися хаотично и случайно. Где эти характеристики нас устроили, там и возникла наша форма жизни. То есть, единственный способ объяснения нашей жизни именно здесь и сейчас - многомерность Вселенной.
Информация:
Линде А. Д. "Многоликая Вселенная", лекция 10 июня 2007 года, ФИАН
Линде А. Д. "Физика элементарных частиц и инфляционная космология", М., Наука, 1990
www.elementy.ru