Стивен Хокинг покинул нас 14 марта этого года, но его работы продолжают выходить: сейчас готовятся к публикации две статьи о черных дырах, а одна из его последних статей, написанная в соавторстве с бельгийским физиком Томасом Гертогом, вышла уже на этой неделе в журнале Journal of High-Energy Physics. Ученые передали ее в редакцию журнала за десять дней до смерти Хокинга.
Опубликована одна из последних статей Стивена Хокинга
На этой неделе увидела свет одна из последних работ Стивена Хокинга, законченная всего за несколько дней до смерти знаменитого физика. В этой статье Хокинг и его коллега Томас Гертог описывают математическую хитрость, которая позволяет отказаться от теории о существовании мультивселенной в пользу одной-единственной Вселенной — той, в которой мы живем. Правда, для этого ученым пришлось буквально забыть о времени.
Статья «Мягкий выход из вечной инфляции» (A smooth exit from eternal inflation?) посвящена одной из фундаментальных и пока не решенных проблем современной физики — событиям, происходившим в первые мгновения после Большого взрыва. Согласно разделяемой сегодня многими ведущими учеными инфляционной гипотезе, на первых стадиях после Большого взрыва Вселенная расширялась намного быстрее, чем сейчас; за очень короткое время она увеличилась в размерах вдвое как минимум шестьдесят раз, а после этого расширение (инфляция) резко (на несколько десятков порядков) замедлилось.
Инфляционная гипотеза была предложена в восьмидесятые; с ее помощью удалось объяснить многие вещи, которые не поддавались объяснению в рамках классической модели горячей вселенной — в частности, однородность реликтового излучения, имеющего во всей наблюдаемой Вселенной одну и ту же температуру. Реликтовое излучение пронизывает самые удаленные друг от друга уголки Вселенной, а этот факт трудно объяснить, учитывая размеры последней: никакое воздействие не могло пройти такие расстояния за те 13,8 миллиардов лет, что существует космос. Инфляционная гипотеза предполагает, что в самом начале всего то, что сейчас очень далеко, было очень близко, и расстояние увеличивалось настолько быстро, что излучение успело его преодолеть.
Парадоксальным образом инфляционная теория позволяет объяснить не только то, почему наша Вселенная везде одинакова (если говорить о реликтовом излучении), но и то, почему она такая разнообразная: в одних местах — черная пустота, в других — галактики с миллиардами звезд. Согласно инфляционной теории, эти различия в плотности вещества обусловлены быстрым ростом изначальной Вселенной, в первые мгновения после Большого взрыва состоявшей из невероятно плотного «теста» из фундаментальных частиц. Квантовые флуктуации между этими частицами и их быстрое удаление друг от друга сделали космос таким, каким мы наблюдаем его сейчас.
Гипотеза инфляционной Вселенной, однако, не только отвечает на старые вопросы, но и заставляет задавать новые, и один из главных ее вопросов — о том, почему быстрое расширение изначальной Вселенной вдруг резко замедлилось. Чтобы объяснить это замедление, ученые прибегают к понятию «ложного вакуума». Привычное нам понимание вакуума в этом случае лучше забыть; речь идет о веществе, более плотном, чем даже вещество нейтронных звезд. Пространство в ложном вакууме росло экспоненциально, и в какой-то момент стало таким большим, что энергия всей системы резко снизилась, а скорость расширения упала.
Эта гипотеза работает, и даже слишком хорошо: по некоторым расчетам, пока ложный вакуум рос по экспоненте, из него могла образоваться не одна, а множество вселенных. Наша Вселенная претерпела переход в состояние с низкой энергией, такие переходы претерпели и другие вселенные, и от того, когда и в каких условиях это произошло, должны зависеть их свойства — в частности, значения физических констант.
Для многих ученых такой расклад дел в мультивселенной — большое разочарование. Какой смысл искать Общую Теорию Всего, если физика в нашем мире зависела от набора случайных показателей, которые оказались другими в других мирах, которые образовывались в первые доли секунды после Большого Взрыва миллионами миллионов? Многим физикам кажется, что мир таков, каков он есть, потому, что иначе быть не может.
Так казалось и Хокингу с Гертогом. В своей статье они предлагают альтернативную версию событий — правда, понять ее довольно сложно. В основу своей версии он положили теорию, сформулированную в 1997 году физиком Хуаном Малкаденой, позволяющей сравнивать пространства с разным числом измерений. Говоря образно, теория Малкадены позволяет описать все, что происходит в банке газировки, описывая только поверхность этой банки.
В качестве банки у Хокинга и Гертога выступает ранняя Вселенная. Согласно инфляционной гипотезе, в первые доли секунды после Большого взрыва она была такой маленькой, что квантовые флуктуации поля, под действием которого она расширялась, были сопоставимы с общей энергией этого поля. Хокинг и Гертог утверждают, что пытаться описать и эту Вселенную, и это поле в понятных современным физикам терминах Общей теории относительности невозможно. Вместо этого следует поступить так, как Малкадена с пресловутой банкой газировки — отбросить одно измерение и рассчитать, что происходит в пространстве, лишенном этого измерения. А происходит, по мысли ученых, рождение одной-единственной, нашей Вселенной, с единственно возможными законами физики — скоростью света в вакууме, гравитацией и взаимоотношением между энергией и массой.
В случае с банкой мы переходили из трехмерного пространства в двумерное — плоскость поверхности банки. По тому же принципу можно отбросить не только пространственное измерение, но и, например, время — так и предлагает сделать Гертог. Юную Вселенную предлагается описывать как трехмерное пространство, в котором времени нет — или как нечто, в котором время имеет, грубо говоря, пространственную природу. Это позволяет доказать, что вместо странной мультивселенной существует всего одна — та, в которой мы живем. Остается только ответить на вопрос, откуда в ней в конце-концов появилось время. Этим вопросом Стивен Хокинг занимался всю жизнь, но ответить на него не успел.