Встречаем инфляционную мультивселенную

В лоскутной мультивселенной нет резкого раздела между одной параллельной вселенной и другой. Они все являются частями единственного пространства, качественные характеристики которого не сильно меняются от области к области. Сюрприз поджидает нас при более детальном рассмотрении. Большинство из нас никак не ожидают, что миры повторяются; мы не готовы регулярно сталкиваться со своими клонами, клонами друзей и близких. Но если бы мы могли углубиться в космос достаточно далеко, то обнаружили бы именно это.

В инфляционной мультивселенной есть резкий раздел между вселенными. Они являются дырками в космическом сыре, отделёнными друг от друга «сырно-заполненными» областями, в которых значение поля инфлатона остаётся большим. Поскольку «сырно-заполненные» промежуточные области до сих пор испытывают инфляционное расширение, дочерние вселенные, выросшие из пузырьков, быстро удаляются друг от друга со скоростью разбегания, пропорциональной объёму расширившегося пространства между ними. Чем дальше они удаляются, тем выше скорость расширения: в итоге удалённые пузырьки-вселенные разлетаются быстрее, чем скорость света. Даже при неограниченных технологиях и длительности жизни нет никакого способа преодолеть подобный раздел. Более того, нет никакого способа послать хотя бы сигнал.

И всё же мы можем вообразить путешествие к одной или многим дочерним вселенным. Что бы мы обнаружили во время такого путешествия? Поскольку каждая дочерняя вселенная возникает в результате одного и того же процесса — инфлатон скатывается с верхней точки, в результате чего область выходит из инфляционного режима, — все они управляются одной физической теорией, и поэтому подчиняются одному своду физических законов. Но так же как поведение однояйцевых близнецов может в корне отличаться в зависимости от окружения, так и тождественные законы при разных условиях могут проявлять себя огромным количеством способов.

Например, вообразите некую дочернюю вселенную, которая выглядит почти как наша, вся в галактиках, содержащих звёзды и планеты, однако с одним существенным отличием. Эту вселенную пронизывает магнитное поле, в тысячи раз более сильное, чем создаваемое в новейших магнитно-резонансных томографах, но нет такого оператора, который смог бы его отключить. Это мощное поле будет воздействовать на поведение многих вещей. Не только предметы с большим содержанием железа будут следовать привычке плыть по линиям поля, изменятся сами фундаментальные свойства частиц, атомов и молекул. Достаточно сильное магнитное поле настолько разрушительно для клеточных образований, что жизнь в привычном нам виде будет невозможна.

Физические законы одинаковы как внутри магнитно-резонансных томографов, так и снаружи, поэтому фундаментальные физические законы в намагниченной вселенной будут ровно такими же, как у нас. Различия в экспериментальных результатах и наблюдаемых свойствах будут полностью обусловлены внешними условиями — сильным магнитным полем. Талантливые учёные в намагниченной вселенной моментально выделят этот внешний фактор и придут к открытию таких же математических законов, как у нас.

В течение последних сорока лет исследователи разработали модель аналогичного сценария прямо здесь, в нашей с вами Вселенной. Самая известная теория в фундаментальной физике — Стандартная модель физики частиц — постулирует, что мы помещены в экзотический туман, название которому поле Хиггса (в честь английского физика Питера Хиггса, который, опираясь на работы Роберта Брута, Франсуа Энглера, Джеральда Гуральника, Карла Хагена и Тома Киббла, впервые сформулировал эту идею в 1960-х годах). Поле Хиггса и магнитное поле невидимы, и поэтому могут заполнять пространство без прямого указания на своё присутствие. Однако согласно современной теории частиц поле Хиггса маскируется более тщательно. При движении частиц сквозь однородное, заполняющее всё пространство поле Хиггса они не ускоряются, не замедляются, не следуют по каким-то особым траекториям, как в присутствии сильного магнитного поля. Из теории следует, что воздействие на частицы со стороны поля Хиггса более тонкое и глубокое.

При движении сквозь поле Хиггса фундаментальные частицы приобретают и поддерживают массу, о наличии которой говорят эксперименты. Согласно этой идее, когда вы толкаете электрон или кварк, пытаясь изменить его скорость, ощущаемое вами сопротивление возникает благодаря «трению» частицы о патокообразное поле Хиггса. Именно это сопротивление мы называем массой частицы. Если в заданной области пространства вы выключите поле Хиггса, то частицы в ней внезапно станут безмассовыми. А если в другой области пространства удвоите значение поля Хиггса, частицы в ней внезапно удвоят свои массы.[10]

Подобное антропогенное вмешательство гипотетично, потому что энергия, необходимая для существенного изменения величины поля Хиггса даже в малой области пространства, сильно превышает доступную нам энергию. (Другая причина гипотетичности такого вмешательства в том, что существование поля Хиггса до сих пор не доказано. Теоретики усердно предсказывают, что высокоэнергетичные столкновения между протонами на Большом адронном коллайдере смогут отколоть кусочек поля Хиггса — частицу Хиггса — и её можно будет обнаружить в ближайшие годы.) Однако во многих вариантах инфляционной космологии поле Хиггса в разных дочерних вселенных естественно обладает разными значениями.

Подобно полю инфлатона, полю Хиггса соответствует кривая, которая показывает, каким количеством энергии оно обладает при разных значениях. Существенное различие с кривой потенциальной энергии поля инфлатона лишь в том, что поле Хиггса, как правило, находится не в точке ноль (рис. 3.1), а скатывается в одну из ям (рис. 3.6 а). Представьте теперь начальную стадию в двух дочерних вселенных, выросших из пузырьков, одна из которых наша. В обеих разогретых вселенных бурный ажиотаж приводит к тому, что величина поля Хиггса начинает безудержно колебаться. Поскольку каждая вселенная расширяется и остывает, поле Хиггса успокаивается и его значение скатывается в одну из ям (рис. 3.6 а). В нашей вселенной величина поля Хиггса оказывается, например, в левой яме, что приводит к известным экспериментально наблюдаемым свойствам частиц. Но в другой вселенной движение поля Хиггса может привести к тому, что он окажется в правой яме. Если такое произойдёт, то свойства этой вселенной будут значительно отличаться от свойств нашей вселенной. И хотя основополагающие законы в обеих вселенных будут одинаковыми, массы и другие свойства частиц будут отличаться.

Рис. 3.6. а) Кривая потенциальной энергии поля Хиггса с двумя ямами. Известные свойства нашей вселенной обусловлены полем, расположенным в левой яме; однако в другой вселенной поле располагается в правой яме, что соответствует другим физическим свойствам; б) Пример поверхности потенциальной энергии в теории с двумя полями Хиггса

Даже небольшая разница в свойствах частиц приводит к серьёзным последствиям. Если масса электрона в другой дочерней вселенной в несколько раз больше, чем у нас здесь, электроны и протоны будут стремиться объединяться в нейтроны, препятствуя тем самым обильному образованию водорода. Фундаментальные взаимодействия — электромагнетизм, ядерное взаимодействие и (как мы считаем) гравитация — также переносятся частицами. Изменение свойств этих частиц коренным образом изменит свойства взаимодействий. Например, чем тяжелее частица, тем медленнее она движется и тем короче расстояние, на котором действует соответствующая сила. Образование и устойчивость атомов в нашей вселенной основано на свойствах электромагнитных и ядерных взаимодействий. Если существенно изменить эти взаимодействия, атомы развалятся или, что более вероятно, вообще не смогут образоваться. Таким образом, ощутимое изменение свойств частиц приведёт к нарушению самых фундаментальных процессов, обеспечивающих привычные свойства нашей вселенной.

На рис. 3.6 а показан самый простой случай, когда имеется всего одна разновидность поля Хиггса. Однако физики-теоретики исследовали более сложные сценарии с участием нескольких полей Хиггса (мы скоро увидим, что такие возможности обязательно возникают в теории струн), что даёт ещё больший набор различных дочерних вселенных. Пример с двумя полями Хиггса показан на рис. 3.6 б. Как и прежде, различные ямы соответствуют значениям полей Хиггса, где могут находиться те или иные дочерние вселенные, выросшие из пузырьков.

Вселенные, заполненные полями Хиггса с непривычными значениями, будут сильно отличаться от нашей (рис. 3.7). Поэтому путешествие сквозь инфляционную мультивселенную может оказаться опасной затеей. Сомнительно, чтобы вам захотелось непременно посетить большинство вселенных, ведь условия там могут оказаться несовместимы с биологическими процессами, критичными для жизнедеятельности; что придаёт новый смысл высказыванию, что дома лучше. В инфляционной мультивселенной наша Вселенная может вполне оказаться райским островком в огромном, но в основном не пригодном для жизни космическом архипелаге.

Рис. 3.7. Поскольку поля Хиггса могут обладать разными значениями в разных дочерних вселенных, вселенные в сценарии инфляционной мультивселенной могут иметь разные физические свойства, хотя все они и подчиняются одним и тем же физическим законам