Дыра в ткани реальности, в теории, может уничтожить Вселенную
Идея, что в некоторых сценариях развития Вселенная будет полностью разрушена расширяющимся пузырем ничего, не вспоминалась с 1982 года, когда физик-теоретик Виттен представил возможность самоедства Вселенной в журнале Nuclear Physics. Он писал: «Дыра самопроизвольно образуется в пространстве и быстро расширяется до бесконечности, поглощая все, что может встретиться на пути».
Учитывая, что пузырь из ничего не разрушил Вселенную ни за 13 миллиардов лет до публикации стати, ни 38 лет спустя, было бы разумно не обращать внимания на подобные теории. Но три физика из Университета Овьедо в Испании и Университета Уппсалы в Швеции утверждают, что мы можем извлечь пользу из идеи всепоглощающего, разрушающего Вселенную пузыря.
То, что наша Вселенная в основном состоит из вакуума, является одной из причин, по которой она существует в относительно стабильном состоянии. В квантовой теории поля, которая связывает квантовую физику и динамику пространства-времени, вакуум понимается как минимально возможное энергетическое состояние.
«Возбужденные» квантовые состояния с энергией выше вакуумного состояния длятся недолго и имеют особенность быстро успокаиваться до более низких энергетических состояний, испуская фотоны. Вакуум же не имеет более низких энергетических состояний, до которых можно продолжать распасться, и поэтому существует в стабильном состоянии.
Поскольку большая часть нашей вселенной находится в вакууме, в состоянии минимальной энергии, нам не нужно беспокоиться о распаде пространства-времени. Однако в теоретической физике подобным предположениям не место.
В начале 1970-х годов несколько российских физиков по отдельности исследовали идею о том, что между устойчивым вакуумом и нестабильным невакуумом есть нечто среднее: вакуумоподобное состояние, которое кажется стабильным из-за очень длительного периода существования до распада. Этот «ложный вакуум» помогает устранить несоответствия в теориях о ранних условиях во Вселенной.
Хотя концепция ложного вакуума была предложена для описания только переходного периода до Большого взрыва, недавние исследования в области поля Хиггса (квантовое силовое поле, обнаруживаемое ускорителем частиц ЦЕРН) предполагают, что мы все еще можем жить в ложном вакууме: то, что раньше считалось стабильным (с наименьшей энергией) состоянием поля Хиггса, может не являться состоянием с самой низкой энергией.
Возможность того, что стабильность нашей Вселенной является очень продолжительной иллюзией, заставила задаться вопросом, как и по какой причине может исчезнуть тонкий ложный вакуум. Один из ответов — из-за «пузыря ничего».
Пузырь из ничего — один из примеров «пузыря пространства-времени», где пространство-время обладает различными свойствами внутри и за пределами пузыря. Если в пространстве ложного вакуума спонтанно образуется пузырь из ничего, то он будет расти, и в конечном итоге поглотит всю Вселенную.
Но почему пузырь ничего до сих пор не сформировался? Ответ следует искать в теории струн — популярном и успешном кандидате на звание «теории всего», которая описывает крошечные струны со свойствами, которых нет у других фундаментальных частиц. В частности, струны имеют колебательное состояние, которое объясняет квантовую гравитацию. Другими словами, теория объединяет явления в квантовой физике с эффектами гравитационных полей. Поэтому теория струн так популярна.
Математика теории струн работает только в том случае, если существует более четырех измерений: три пространственных измерения, временное измерение, а затем множество других измерений, которые настолько малы, что их невозможно обнаружить — они плотно сжаты и скрыты и выведены исключительно математически.
Согласно этой математике, пузыри ничего не будут образовываться в четырехмерном пространстве-времени. Их место только в «неровном» многомерном пространстве-времени.
Другими словами, как замечает чешский теоретик струн Лубос Мотл, пузырь из ничего не опасен, потому что, если это должно было случиться, это должно было уже случиться.
Таким образом, нам не нужно беспокоиться о том, что пузырь ничего поглотит все пространство-время. Но если вам интересно, как выглядела Вселенная до Большого взрыва, то, безусловно, стоит изучить теорию пузырей ничего внимательнее.