Глава ю Бесконечные острова

Я бы и в ореховой скорлупе считал себя властелином необъятного пространства. Шекспир, "Гамлет" (Пер. К.Р. (Константина Романова)

Будущее цивилизаций

В

опрос, заставивший меня думать о вечной инфляции, больше напоминает научную фантастику, чем физику. Он касался будущего разумной жизни во Вселенной. Отдаленные перспективы любой появившейся цивилизации выглядят довольно мрачными. Даже если она избежит природных катастроф и самоуничтожения, она в конце концов лишится энергии. Звезды рано или поздно умирают, и все остальные источники энергии тоже исчерпываются. Но теперь вечная инфляция, похоже, дает некоторую надежду.

Умрут звезды в наших космических окрестностях, но беско нечное число новых звезд появится в будущих больших взрывах бесконечной инфляции. Видимая нам область — это лишь крошечная часть одного острова Вселенной, затерянного в ин-

фЛЯЦИ°^н

ном море ложного вакуума (см. рис. 8.3). Посреди о моря постоянно возникают новые островные вселенные с мириаД^ами новых звезд.

На самом деле образование звезд будет продолжаться всегда даж^е внутри нашей собственной островной вселенной. Ее границы все время наступают на инфляционное море. Их неумолимое продвижение вызвано распадом ложного вакуума в прилегающих инфляционных областях. Фактически эти границу — это области, где Большой взрыв происходит прямо сейчас¹. Вновь образовавшиеся вселенные микроскопически малы, но с возрастом они безгранично растут. Центральные части больших островов Вселенной очень стары. Они темны и пустынны: все звезды здесь давно умерли, а жизнь исчезла. Но области по краям островов совсем молодые и должны быть полны сияющих звезд.

Высокоразвитая цивилизация может захотеть отправить миссию для колонизации вновь образовавшихся звездных систем у границы своего острова. На худой конец, они могут хотя бы послать сообщение новым цивилизациям, развивающимся вблизи границы или в других островных вселенных. Те цивилизации могут, в свою очередь, послать сообщения следующим, и так далее. Если мы пойдем по этому пути, то можем стать ветвью вечно растущего "древа" цивилизаций, и наша аккумулированная мудрость не будет полностью потеряна.

' Эти сценарии предложил Андрей Линде в статье "Жизнь после инфляции"¹, и мне захотелось узнать, возможен ли хоть один из них в действительности, по крайней мере в принципе. Линде проанализировал различные аспекты этой проблемы, ^н° не пришел к какому-то определенному выводу. Тот факт, что ^гДе-то во Вселенной звезды образовались позже, чем здесь,

Фляц^МНИМ' ^{ЧТ0 мы} Д°^Г0В0Р^ИЛИСЬ отождествлять Большой взрыв с концом инеще не означает, что мы можем попасть туда за доступное вр_е мя. С другой стороны, благодаря Эйнштейну мы знаем, что п₀ нятия "раньше" и "позже" не абсолютны и могут зависеть наблюдателя. Чтобы продвинуться в решении данной зада_Чи мне надо было понять структуру пространства-времени вечн' инфлирующей Вселенной.

Как говорилось в главе 2, пространство и время в теории от носительности объединены в четырехмерную сущность, назы ваемую пространством-временем. Точка в нем — это событие имеющее определенное положение и время. Рассмотрим д_Ва события, которые могли бы привлечь ваше внимание, — например, встречу выпускников вашего класса здесь, на Земле, и межзвездный матч по суперболу, запланированный через 3 года на альфе Центавра, удаленной от нас примерно на 4 световых года. Вопрос: можете ли вы успеть на оба эти мероприятия?

Ответ можно найти, вычислив так называемый пространственно-временной интервал между двумя событиями. В пространстве-времени он играет роль, аналогичную расстоянию между точками в пространстве. Его математическое определение сейчас несущественно; зато важно, что интервалы могут быть двух типов: пространственно-подобные и времени-по-добные. Интервал времени-подобен, если материальный объект может добраться от одного события до другого, не нарушая базового принципа теории относительности — невозможности двигаться быстрее скорости света". В этом случае все наблюдатели согласятся, какое из двух событий произошло раньше, а какое — позже. Напротив, если добраться от одного события АР другого невозможно (то есть если это требует сверхсветовой скорости), — интервал пространственно-подобный. Ни одно их этих двух событий не может быть причиной другого. Эйнштейн показал, что временной порядок таких событий зависит от на блюдателя и всегда можно найти наблюдателя, для

которого

они происходят одновременно.

В нашем примере с альфой Центавра интервал оказыва-пространственно-подобным, так что вам придется вы-✓ оть какому событию отдать предпочтение. Конечно, в дан-_ноМ случае нетрудно получить ответ, даже не вычисляя интервал За три года свет проходит путь в три световых года, а чтобы преодолеть четыре — расстояние до альфы Центавра, — вам пришлось бы двигаться быстрее света. В искривленном пространстве-времени вселенной с бесконечной инфляцией анализ несколько усложняется, и вычислять интервал все-таки приходится.

Пространство-время островной вселенной схематически изображено на рисунке юл. Вертикальное направление соответствует времени, а горизонтальное — одному из трех пространственных измерений; два других измерения опущены. Каждая горизонтальная линия — это мгновенный снимок вселенной в некоторый момент времени. Историю островной вселенной можно проследить, начиная с горизонтальной пунктирной линии, помеченной "до", в нижней части рисунка и постепенно двигаясь вверх. (Момент времени, соответствующий этой линии, относится к инфлирующей части пространства-времени, где островная вселенная еще не образовалась.) Толстая сплошная линия, помеченная словами "Большой взрыв", — это граница между островной вселенной и инфлирующей частью пространства-времени. Точка, отмеченная черной галактикой, — это "здесь и сейчас", а белыми галактиками обозначены области, где условия похожи на те, что сегодня мы наблюдаем во-^кРУг себя. Горизонтальная пунктирная линия, помеченная сейчас", изображает настоящее время. Она соответствует островной вселенной с пустынным центральным регионом и областями звездообразования вблизи границ.

Несложный расчет показывает, что все Большие взрывы, Расположенные вдоль сплошной линии на рисунке, разделены "Ространственно -подобными интервалами. Для меня это стало

i^{s ми}р многих миров I Часть II. Вечная инфляция | Глава ю |

важнейшим наблюдением, которое позволило сформулировать мой собственный ответ на вопрос о будущем цивилизаций. Оно также полностью изменило мои представления об островных вселенных.

Пространственно-подобный тип интервалов говорит о невозможности попасть от одного события Большого взрыва к какому-либо другому. Иными словами, вы не можете держаться на краю островной вселенной, поскольку ее края раздвигаются быстрее света. Выходит, мы никогда не сможем достичь берегов инфляционного моря и погреться в лучах новых солнц, которые будут там рождены. И мы не можем послать никакого сообщения будущим цивилизациям, которые разовьются вокруг этих солнц, поскольку никакой сигнал не может распространяться быстрее света. Печально, но вечная инфляция, похоже, не благоприятствует долгосрочным перспективам человечества.

Возможно, вас удивляет сверхсветовое расширение ост-

^_штейновскому запрету на движение быстрее света. Однако _т запрет весьма избирателен: он относится только к движе-_нцЮ материальных объектов (включая излучение, такое как цветовые или гравитационные волны) друг относительно друга, тогда как границы островной вселенной — это геометрические (ущности, которые не обладают какой-либо массой или энергией. Сверхсветовое расширение границ означает, что последовательные Большие взрывы не могут быть причинно связаны между собой. Они не похожи на домино, где падение одной костяшки вызывает падение следующей. Распространение распада вакуума предопределяется рисунком скалярного поля, порожденным во время инфляции. Поле меняется в простран-стве очень плавно, и в результате вакуум в соседних областях распадается почти одновременно. Вот почему Большие взрывы следуют друг за другом в такой быстрой последовательности, а граница расширяется столь стремительно.

 

Время не имеет значения

Признаюсь Тебе, Господи, я до сих пор не знаю,

что такое время. Святой Августин

Но что же мы все-таки имеем в виду, говоря о том, что Большой взрыв у границы островной вселенной случился поз-чем в ее центральной области? Раз все интервалы между всеми событиями Большого взрыва пространственно-подоб-^Нь', значит, между наблюдателями будут разногласия по вопро-°V ⁰ том, какое из этих событий случилось раньше, а какое поз-Кому из них мы должны верить? Сейчас мы постараемся

прояснить этот вопрос. Наш анализ может показаться довольн_с запутанным, но его стоит проделать, поскольку он приведет н_ас к некоторым далеко идущим выводам.

В качестве разминки рассмотрим сначала однородную все ленную, описываемую одной из моделей Фридмана. В любой момент времени материя в ней однородно распределена в пространстве. Может показаться, что это тривиально, но должны определить, что значит "момент времени".

Когда космологи говорят о "моменте времени", они пред. ставляют себе огромное число наблюдателей, снабженных часами и разбросанных по всей вселенной. Каждый наблюдатель видит лишь небольшую область непосредственно вокруг себя, так что для описания вселенной в целом необходимо все сообщество наблюдателей. Мы можем считать себя одним из его членов. Наши часы сейчас показывают 14 миллиардов лег ПБВ¹. "То же самое время" в другой части вселенной наступит, когда на часах находящегося там наблюдателя появятся те же показания. Мы должны решить теперь, как наблюдателям, находящимся за горизонтом друг друга, синхронизировать свои часы.

В случае фридмановской вселенной ответ очевиден: в ней Большой взрыв — это естественное начало времен, так что каждый наблюдатель должен отсчитывать время от него². При таком определении одновременности плотность материи, измеренная всеми наблюдателями в одно и то же время, окажется одинаковой, а значит, вселенная будет однородной.

В принципе допустимо рассматривать совокупность наблюдателей, чьи часы выставлены по-разному. Например, мы мо-

1 Как и раньше, ПБВ означает "после Большого взрыва".

2 Состояние движения наблюдателя также влияет на показания его часов. Еще Р^аз подчеркнем, что во вселенной Фридмана существует естественный выбор: наблюдатели, которые покоятся по отношению к галактикам (или частицам вещества) в местах своего размещения. Это так называемые "сопутствующие наблюдатели".

сместить начало отсчета времени на некоторую величину осительно Большого взрыва и сделать так, чтобы эта величина менялась от одной области пространства к другой. Тогда _селенная будет выглядеть очень сложной и неоднородной. Разумеется, никто в здравом уме не станет использовать такое описание. Оно значительно усложняет анализ и скрывает истинную природу фридмановской вселенной. Но не всегда все бывает так просто.

Возвращаясь к вселенной с бесконечной инфляцией, рассмотрим сначала крупную область, подобную той, что показана на рисунке 8.3, включающую как островные вселенные, так и зоны, охваченные инфляцией. В такой области нельзя естественным образом выбрать начало отсчета времени. Поэтому определение "момента времени" становится в значительной мере произвольным, единственное условие состоит в том, что все события "момента" должны быть разделены пространственно-подобными интервалами. Если выбрать начальный момент достаточно рано, когда вся область находится в состоянии ложного вакуума, в дальнейшем в ней, как мы уже обсуждали в предыдущей главе, появятся и станут расширяться островные вселенные. Однако порядок их появления, а также темп и формы, приобретаемые ими по мере расширения, могут весьма сильно меняться в зависимости от выбора начального момента.

• Допустим теперь, что мы интересуемся одной конкретной островной вселенной и хотим описать ее с точки зрения ее обитателей. Тогда ситуация оказывается совершенно иной. Как и в случае фридмановской вселенной, существует естественный выбор для начала времени. Все населяющие островную вселенную наблюдатели могут отсчитывать его от Большого взрыва — каждый в своем месте. Другими словами. Большой взрыв Можно выбрать в качестве начального "момента времени". Такой выбор ведет к новой, радикально отличающейся картине ^0стР°вной вселенной. Чтобы различать описания большой об

ласти и отдельного острова, договоримся называть их соответственно внешним (глобальным) видом и внутренним (локальным).

Инфляция

Рис. Ю.2. Внутренний вид пространства-времени островной вселенной.

Внутренний вид островной вселенной представлен на рисунке ю.2. Как и раньше, момент Большого взрыва изображен сплошной кривой, помеченной "Большой взрыв". Плотность вещества во всех событиях на этой кривой практически одинакова и определяется плотностью распадающегося ложного вакуума. Таким образом, на локальном виде островная вселенная почти однородна. Настоящий момент времени здесь представлен пунктирной линией, помеченной "сейчас", которая совпадает с рядом галактик на рисунке. Все точки на этой линии характеризуются одинаковой средней плотностью вещества и одинаковой концентрацией звезд — такой же, как наблюдается вблизи нас. Но самое замечательное — с локальной точки зрения островная вселенная бесконечна!

На глобальном виде островная вселенная растет по мере распространения Большого взрыва по ее границам, и, если по-

оЖД^ать Д°^{статочно} долго, она станет сколь угодно большой, однако с локальной точки зрения Большой взрыв случился единомоментно, а островная вселенная была бесконечно велика с самого начала. На рисунке 10.2 этой бесконечности соответствует тот факт, что сплошная линия Большого взрыва нигде не заканчивается. Если продолжить эту кривую, то ее отданные точки будут соответствовать все более поздним событиям Большого взрыва с глобальной точки зрения и все более да-пеким областям в начальный момент — с локальной. Бесконечность времени в рамках одного взгляда трансформируется в эесконечность пространства в рамках другой.

Большая картина

П

опробуем подвести краткие итоги. Если бы каким-то образом нам удалось извне наблюдать Вселенную бесконечной инфляции, подобно тому как наблюдают Землю из космоса, мы увидели бы множество вселенных, разбросанных по обширному инфляционному морю ложного вакуума. В случае замкнутости Вселенной открывшийся перед нами вид мог бы чем-то напоминать глобус с континентами и архипелагами, окруженными океаном¹. Этот глобус с ошеломительной скоростью расширяется, островные вселенные тоже чрезвычайно быстро увеличиваются, а между ними постоянно появляются крошечные новые острова и немедленно принимаются расти. Число островных вселенных быстро умножается и становится бесконечным в пределе бесконечного будущего.

Обитатели островных вселенных, подобно нам, видят совершенно иную картину. Их вселенная не воспринимается ими ^как конечного размера остров. Она представляется им само-

той оговоркой, что замкнутая Вселенная подобна трехмерной сфере, тогда как ^оверхность Земли имеет только два измерения.

стоятельной бесконечной вселенной. Граница между их вселенной и инфляционной частью пространства-времени — _ЭТо Большой взрыв, случившийся в определенный момент в пр₀. шлом. Мы не можем добраться до инфляционного моря просто потому, что невозможно переместиться в прошлое.

Весьма примечательно, что "большая" Вселенная, содер. жащая все бесконечные островные вселенные, может быть замкнутой и конечной. Кажущееся противоречие разрешается, если принять во внимание, что понятие внутреннего времени в островных вселенных отличается от "глобального" времени, которое надо использовать для описания пространства-времени в целом. В глобальном времени внешние части островных

_селенных еще не образовались и завершат свое формирование лишь в бесконечно отдаленном будущем, тогда как во вну-_{т е}ннем времени островная вселенная возникает единомо-^ентно. Структура пространства-времени замкнутой Вселенной бесконечной инфляции изображена на рисунке 10.3.

Неожиданная особенность островных вселенных, состоящая в том, что изнутри они выглядят бесконечными, оказалась весьма важной: в дальнейшем она привела меня к выводу, который, возможно, является самым поразительным следствием вечной инфляции.

Дата добавления: 2015-07-12