Читаем без скачивания О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний - Маркус дю Сотой

Если Вселенная конечна, это налагает ограничения на некоторые из возможных резонансов. Представим себе Вселенную в виде огромного резонатора наподобие корпуса моей виолончели. Форма виолончели подобрана так, чтобы резонансные частоты вибраций, возможных в таком корпусе, создавали приятное уху звучание. Собственно говоря, одним из отличий произведения Страдивари от виолончели фабричного изготовления является совершенство формы, которое создает более красивое звучание.

Одна из интригующих проблем, долгое время занимавшая математиков, сводилась к вопросу о возможности восстановления формы резонатора по резонансным частотам волн, вибрирующих в нем. В фундаментальной работе Марка Каца этот вопрос был сформулирован так: «Можно ли услышать форму барабана?»[78] Например, существует особый набор частот, который может возникнуть только в квадрате. Однако в 1992 г. математики Каролин Гордон, Дэвид Уэбб и Скотт Уолперт создали две странные формы, которые имеют одинаковые резонансные частоты, хотя сами эти формы различны[79].

С точки зрения моих поисков края Вселенной, тут интересна возможность узнать от таких резонансов, конечна Вселенная или же бесконечна. Если взять конечный резонатор, то длины волн, которые могут резонировать внутри его, ограничены размером резонатора. Если же пространство бесконечно, такого ограничения быть не должно. В середине 1990-х гг. французский ученый Жан-Пьер Люмине с коллегами исследовали реликтовое излучение, пытаясь установить, какие волны остались после Большого взрыва. Согласно их результатам, в спектре недоставало больших длин волн. Значит ли это, что пространство недостаточно велико, чтобы поддерживать такие волны?

Два барабана с одинаковыми резонансными частотами

Более точные данные космического аппарата «Планк», опубликованные в 2013 г., не подтвердили сведений о недостающих длинах волн, которые свидетельствовали бы о конечности Вселенной. Так что вопрос пока остается открытым. И в этом заключается одна из проблем этой дилеммы: если Вселенная конечна, то мы, возможно, когда-нибудь сможем в этом убедиться; если же она бесконечна, мы обречены навечно оставаться в этом эпистемологическом тупике.

Хотя волны, обнаруживаемые в реликтовом излучении, ничего не говорят нам о том, конечна ли Вселенная, они могут позволить нам оценить ее минимальные размеры. Волны, которые мы можем обнаружить, дают нам реальный шанс заглянуть за наш космический горизонт. Как объяснили в своей статье 1978 г.[80] советские физики Леонид Грищук и Яков Зельдович, некоторые волны могут резонировать, только если резонатор, внутри которого мы находимся, достаточно велик. Патрисия Кастро, Мариан Дуспис и Педро Феррейра, используя обнаружимые резонансы, заключили[81], что Вселенная по меньшей мере в 3900 раз больше видимой нами части пространства.

Другой способ получения сведений о пространстве, находящемся за пределами видимой нами Вселенной, заключается в наблюдении событий, которые могут происходить только под влиянием того, что существует по ту сторону нашего космического горизонта. Например, за ним может быть нечто крупное, притягивающее видные нам галактики и создающее необычные смещения в некоторых областях ночного неба. Хотя мы можем чего-то не видеть, мы тем не менее можем ощущать воздействие таких объектов на то, что мы видим. Именно так мы узнали о существовании темной материи. Гравитационное поведение видимых нами объектов можно объяснить только существованием дополнительной материи. Именно так мы открыли Нептун. Хотя в конце концов мы смогли увидеть его собственными глазами, его существование было сначала предсказано математически, по тому воздействию, которое он оказывает на окружающие планеты. Если за нашим космическим горизонтом существуют объекты, которые мы не можем увидеть, они тем не менее могут протягивать свои гравитационные щупальца внутрь доступного нам мира.

Когда я смотрю на представляющую этот мир бумажную модель Вселенной, стоящую на моем столе, меня поражает то, как мы – люди – становимся все меньше и меньше по сравнению с мирозданием. С тех самых пор, когда человек впервые взглянул в ночное небо, поколение за поколением только и занимается корректировкой нашего чувства масштаба. Сначала казалось, что Земля находится в центре мира. Потом нам пришлось пересмотреть свое положение в космосе, так как выяснилось, что в центре находится Солнце, а Земля – всего лишь одна из планет, обращающихся вокруг этого центра. Еще позже мы поняли, что все остальные звезды тоже могут иметь собственные планеты, а Солнце ютится на краю целой галактики таких звезд. Но потом мы были вынуждены еще раз переосмыслить свое место во Вселенной, чтобы как-то приспособиться к тому обстоятельству, что таких галактик в космосе – миллиарды. Млечный Путь не представляет собой ничего особенного.

Наверное, я бы смог привыкнуть к этим гигантским масштабам, хотя их практически невозможно полностью осознать. Но открытия, сделанные в течение моей жизни, уже после того, как я смирился со своим местом во Вселенной, принесли еще одно расширение горизонтов. Прошлые поколения выяснили, что наша планета – лишь одна из многих; теперь мы, по-видимому, должны признать, что и наша Вселенная может оказаться лишь одной из множества вселенных. Первые намеки на существование этих других вселенных проявились в довольно любопытной загадке, зашифрованной в самых первых фотонах, которые стали летать по нашей собственной Вселенной.

Множественные вселенные

У реликтового излучения есть одна странность. Почему оно такое однородное? Спектр излучения, попадающего в наши детекторы, характеризуется одной и той же температурой – на 2,725° выше абсолютного нуля. Когда фотоны отправлялись в свое путешествие, приблизительно через 370 000 лет после Большого взрыва, у них была гораздо более высокая температура, около 3000°, при которой электроны и ядра объединялись в атомы. По мере расширения пространства фотоны охлаждались, то есть их энергия, определяемая частотой их колебаний, постепенно падала, пока не достигла нынешнего уровня, на котором мы обнаруживаем такие фотоны в микроволновой области электромагнитного спектра.

Но почему все фотоны имеют приблизительно одинаковую температуру? Когда два объекта с разными температурами вступают в контакт друг с другом, они передают энергию таким образом, что со временем их температура становится одинаковой. Это объяснение казалось бы подходящим, если бы не одно слово в предыдущем предложении – «контакт». Контакт возможен только со скоростью света. Расстояния в пространстве были такими, что для производимой со скоростью света передачи информации о температуре на другую сторону расширяющейся Вселенной не хватило бы времени.

Единственное кажущееся разумным объяснение таково: две точки пространства могли достичь одинаковой температуры, только если они были в течение достаточного времени расположены ближе друг к другу, чем предполагала наша модель расширяющейся Вселенной. В начале 1980-х гг. американский космолог Алан Гут предложил возможное решение этой проблемы. На ранних стадиях существования Вселенной расширение пространства не было быстрым. Сначала расширение происходило медленно, что и позволило пространству достичь единой температуры. После этого наступил этап чрезвычайно быстрого расширения пространства, называемый теперь стадией инфляции. Предполагается, что такая инфляция была вызвана антигравитационным, так называемым инфлатонным, полем, которое обеспечило экспоненциально быстрое расширение пространства. Согласно современной модели, стадия быстрой инфляции продолжалась недолго – всего около 10–36 секунды, то есть одной миллиардной одной миллиардной одной миллиардной одной миллиардной доли секунды. Однако считается, что за это время инфлатонное поле увеличило пространство в 1078 раз. Как будто бы было высвобождено накопленное давление, а после этого высвобождения скорость расширения Вселенной снизилась до более умеренного уровня, который мы с тех пор и наблюдаем.

Эта модель позволяет объяснить, почему Вселенная представляется нам плоской и по большей части весьма однородной. Наблюдаемые нами крупные отклонения от однородности – галактики и пустые пространства – на самом деле представляют собой результат мельчайших квантовых флуктуаций в малом участке пространства, раздутом этой чрезвычайно сильной инфляцией. Инфляцией также можно объяснить кажущуюся плоскостность Вселенной: она должна была разгладить практически всю заметную кривизну, существовавшую в ранней Вселенной.

Математический аппарат, который разработали для объяснения такой инфляции Андрей Линде, работающий сейчас в Стэнфорде, и Александр Виленкин[82] из университета Тафтса, приводит к поразительному предсказанию. Из него следует, что инфляция может не быть одиночным событием: инфляция пространства, подобная произошедшей в нашей Вселенной, могла случиться и в других областях космоса. Квантовые флуктуации, происходящие во всем пространстве, приводят к возникновению в некоторых местах инфлатонного поля, создающего огромные вселенные. Иначе говоря, могут существовать и другие вселенные, подобные нашей, а пространство тогда должно быть похоже на швейцарский сыр, дырки в котором соответствуют разным вселенным.