Как и зачем создавать вселенную в лаборатории

Одной из самых живучих и модных околонаучных страшилок нашего времени является гипотетическое «случайное возникновение черной дыры в ускорителе». Якобы безответственные физики-теоретики могут случайно вылепить в очередном «сверхбольшом адронном коллайдере» конгломерат частиц, вокруг которых спонтанно образуется радиус Шварцшильда – и новорожденная черная дыра успешно поглотит сначала ЦЕРН, потом Швейцарию, и далее сколько дотянется.

Из-за спекуляций на эту тему обходят вниманием фундаментальную и значительно более интересную работу, которой с начала 1980-х занимается ныне американский, а ранее советский физик Андрей Дмитриевич Линде, а также его единомышленники. Линде (род. 1948) мечтает создать в лаборатории миниатюрную Вселенную, что позволило бы проверить теорию Большого Взрыва – и найти ответы еще на множество вопросов.

Андрей Дмитриевич Линде работает в Стэнфорде с 1990 года. Он родился в Москве и получил образование в МГУ. В 1975 году защитил кандидатскую диссертацию в Физическом институте им. Лебедева в РАН, а в 1984 году — докторскую диссертацию по теоретической физике. Линде наиболее известен как соавтор инфляционной теории Вселенной. Идею инфляции впервые предложил в 1981 году американский космолог Алан Гут, стремясь таким образом объяснить исключительную однородность (анизотропию) реликтового излучения. Тепловая карта реликтового излучения позволяет заключить, что в первые мгновения существования вещество современной Вселенной равномерно распространилось до практически современных размеров, после чего расширение Вселенной продолжается до сих пор, но уже достаточно медленно – настолько, что во Вселенной образуются крупномасштабные структуры. В 1982 году Линде дополнил картину Гута идеей самовоспроизводящегося космоса, сформулировав идею Мультивселенной, где одни вселенные являются продолжениями других.

На этой иллюстрации инфляционные пузыри обозначены разными цветами. Линде полагает, что от пузыря к пузырю могут по принципу мутаций меняться как законы физики, так и значения констант, в том числе, значение космологической постоянной. От этого значения зависит, будет ли вселенная расширяться, либо рано или поздно расширение обернется вспять, и вселенная сколлапсирует.

Тем не менее, предложенная Линде картина была построена «на кончике пера», то есть, совершенно умозрительна. Поэтому он задумался, как можно проверить или фальсифицировать такую гипотезу. В частности, его заинтересовало, какое событие может стать триггером к возникновению новой вселенной, инфляционного пузыря.  

Как инициировать инфляционную вселенную

В 1991 году Линде подал в журнал «Nuclear Physics B» статью под названием «Hard Art of the Universe Creation» (Сложное искусство создания Вселенной). Подзаголовок ее более информативен: «Stochastic approach to tunneling and baby universe formation» (стохастический подход к туннелированию и созданию новорожденных вселенных). Ранее в этом блоге я публиковал переводной пост с обзором современных представлений о квантовом туннелировании. Это явление, при котором элементарная частица проникает через непроницаемый и потенциально непреодолимый барьер – явление безусловно реальное. Более того, квантовое туннелирование позволяет описать возникновение вселенной, не прибегая к идее сингулярности. Сингулярность – это состояние, при котором вся энергия и материя Вселенной были сосредоточены в предельно малом объеме; частным случаем сингулярности считается черная дыра. Но кроме сингулярности исходной точкой для начала инфляции может стать пузырь ложного вакуума, переходящий в инфляцию именно по принципу квантового туннелирования. Впрочем, туннелирование – не единственный квантовый эффект, который  иногда может нарушать энергетические условия, задаваемые общей теорией относительности.

По Линде, при столкновении частиц в ускорителе можно получить не черную дыру, а червоточину, которая из нашей Вселенной будет выглядеть именно как миниатюрная черная дыра. На самом же деле с нее может начаться новый акт инфляции, и она станет раскрываться в параллельное пространство. Через какое-то время (в зависимости от физических законов, которые будут действовать в этом пространстве) по ту сторону червоточины может начаться образование собственных звезд и галактик. 

Вход во вселенную через монополь

Еще в 1980-е американский космолог Алекс (Александр Владимирович) Виленкин, по сей день работающий в Университете Тафтса, штат Массачусетс, описал, каким образом инфляционная вселенная может спонтанно возникать буквально из ничего, и сразу же после появления в ней возникнут свое пространство, свое время, а также масса. Виленкин ссылается на рождение пар – явление, обратное аннигиляции. В таком случае прямо из вакуума возникают частица и античастица, наиболее известная из подобных пар – это электрон и позитрон. Рождение пары является мгновенным, то есть, не требует никакого времени. Экстраполируя такое явление на макромасштаб, можно предположить, что именно так в вакууме может возникнуть пузырек, потенциально способный перейти в инфляционное расширение и разрастись до астрономических масштабов, то есть, стать новой вселенной.     

Еще одним важным следствием из рождения пар является теория о монополях. Монополь – это гипотетическая сущность, которую можно описать как магнит с одним полюсом. Существование монополей спрогнозировал в 1931 году еще Поль Дирак, получивший Нобелевскую премию по физике именно за прогноз о существовании позитрона, сделанный в том же году, и подтвердившийся годом позже.  До сих пор не удалось наблюдать монополь ни в природе, ни в лабораторных условиях (возможно, тема монополей заслуживает отдельной публикации), но есть мнение, что капли сверхтекучего гелия являются точечными источниками магнитного поля, то есть, похожи по свойствам на монополи. Существование магнитных монополей (и, соответственно, «магнитного заряда», аналогичного электрическому заряду) прогнозируется в некоторых теориях поля. Теоретически, при столкновении электрона и позитрона может рождаться пара из монополя и антимонополя. Дирак полагал, что, если магнитный заряд существует, то он должен квантоваться, как и любой электрический заряд – и, следовательно, его можно было бы представить в виде частиц и античастиц. Если нагнетать энергию в монополь, то он может стать скважиной в новую инфляционную вселенную:

При этом из нашей вселенной он будет выглядеть как миниатюрная черная дыра.

В 2006 году физик Нобуюки Сакаи из университета Ямагути вместе с коллегами опубликовал статью «Как создать вселенную из монополя в лабораторных условиях». В статье предполагается, что новорожденная вселенная может разрастись из одного монополя, причем (согласно описанному в статье моделированию) полученная вселенная может относиться к одному из трех типов: стабильная, коллапсирующая и инфляционная. Авторы рассматривают классические и квантовые свойства монополя и приходят к выводу, что на нынешнем уровне технологического развития невозможно даже получить искусственный монополь, так как он должен быть гораздо массивнее электрона и позитрона. У нас в распоряжении еще очень долго не будет ускорителя настолько мощного, чтобы породить в нем искусственный монополь. Тем не менее, Сакаи полагает, что монополь можно попробовать получить в результате серии столкновений частиц в ускорителе. Как ни парадоксально, возникновение нашей Вселенной из монополя косвенно объясняет, почему нам до сих пор не удается такую частицу найти (все известные частицы, в том числе, элементарные частицы с электромагнитными свойствами, имеют два магнитных полюса, то есть, являются диполями). Возможно, в нашей Вселенной находится всего один монополь, тот самый, из которого началась инфляция.  В другой концепции, выдвинутой в 1998 году Арвиндом Борде и коллегами из университета Тафтса, предполагается, что монополь не обязательно должен иметь частицеподобную природу; с тем же успехом свойства магнитного монополя может проявлять замкнутая область пространства.  

Белая дыра

Вакуум может считаться «ложным» и «истинным» именно по квантовомеханическим причинам.  С классической точки зрения две области вакуума могут ничем не отличаться друг от друга, но в результате квантовых событий небольшая область пространства может оказаться на еще более низком энергетическом уровне, чем окружающая. Тогда она станет «истинным вакуумом», а окружающая ее область будет ложным вакуумом.  Проблема вселенных, возникающих из ложного вакуума, не в том, что для их получения «требуется черная дыра» (в конце концов, любой объект можно сжать настолько, что он приобретет радиус Шварцшильда и станет черной дырой), а в том, что они должны начинаться с сингулярности. Такая сингулярность может быть охарактеризована как «белая дыра» — область пространства, из которой в бесконечном количестве льется материя и энергия, а внутрь дыры ничего не попадает. «Белой дырой» она станет именно в той вселенной, которую откроет, а в нашей вселенной (в лаборатории) должна остаться миниатюрной черной дырой, так как вся подаваемая в нее энергия уходит «на ту сторону», в открывшуюся область пространства. Но у нашей лабораторной черной дыры все равно будет горизонт событий, поэтому повлиять на происходящее «на той стороне» мы не сможем.

Этапы возникновения вселенной

Итак, новая вселенная может возникать в результате квантовомеханического события (туннелирования). Переход в новую вселенную случается между двумя областями вакуума, энергетические состояния которых эквивалентны с точки зрения классической физики (и в первом регионе, и во втором энергия предельно низкая, и поэтому они стабильны), а с точки зрения квантовой физики – неэквивалентны. То есть, в результате квантового туннелирования данная область перейдет в еще более низкоэнергетическое состояние. Такой переход имеет вероятностную природу, и поэтому рано или поздно произойдет обязательно. После этого к процессу подключится гравитация, и начнется образование инфляционного пузыря.
Далее наступает момент истины: куда именно пойдет инфляция. Если пространство-время, возникшее в пузыре, не отличается по свойствам от нашего, то расширение пойдет с поглощением нашей Вселенной. Старая Вселенная будет затираться новой с одновременным изменением физических законов. С другой стороны, если пространственно-временные характеристики новой и старой вселенной не совпадают, то инфляционный регион открывается в совершенно новую область пространства, которая не смешивается с нашей Вселенной, а, наоборот, отрывается от нее.

В таком случае полученная в лабораторных условиях червоточина соединяла бы две вселенные как пуповина и с нашей стороны визуально напоминала бы тающую (а не увеличивающуюся) черную дыру. Вот как этот процесс вписывается в общую теорию относительности:

1. Существуют пространственно-временные структуры, которые могут содержать несколько асимптотических регионов, каждый из которых независим от других в причинно-следственном отношении;

2. Разница в пространственно-временной структуре может возникать из-за разницы в энергии вакуума, и энергия, поступающая из ложного вакуума в истинный, становится источником гравитационного поля для новой области, а это поле действует в соответствии с уравнениями Эйнштейна;

3. В ходе расширения нашей Вселенной (ее космологической эволюции) постоянно создается новое пространство-время. Вселенная расширяется именно за счет наращивания собственного пространства-времени, а не потому, что заполняет некоторую «внешнюю полость».

Очевидно, что ключевую роль во всех описываемых процессах играет квантовое туннелирование. Во-первых, именно квантовый туннель обеспечивает переход между двумя состояниями вакуума. Во-вторых, квантовое туннелирование поддается количественной оценке. В 1990 году Эдвард Фархи из Кембриджа, штат Массачусетс, совместно с Аланом Гутом и Джемалем Гувеном предположили, что для создания новой инфляционной вселенной требуется примерно 10¹⁴ ГэВ энергии. В таком случае вселенная возникнет из области ложного вакуума примерно за 10^-35 секунд, ее начальный радиус составит около 10^-24 сантиметров, а масса — примерно 10 кг. В таком случае полигоном для создания вселенной вполне может стать обычный ускоритель частиц (то есть, можно обойтись без монополей), но сперва требуется ответить и на следующие вопросы:

1. Возможно ли найти или синтезировать зерно новой вселенной (участок ложного вакуума), который поддается управляемому квантовому туннелированию в новый космос (а не в наш).

2. Как скоро современные ускорители частиц достигнут уровня, достаточного для запуска инфляционного процесса на основе такого зерна.

3. Если создать новую вселенную все-таки удастся, то как ее засечь и как определить, что у нас получилась именно червоточина в новый космос, а не микроскопическая черная дыра.

4. Возможно ли, что новые вселенные в вакууме возникают постоянно (и нам пока не удалось этого обнаружить из-за того, что они слишком быстро отрываются от нашего вакуума) – и, соответственно, насколько верна гипотеза Линде о самовоспроизводящейся инфляционной Вселенной.

Заключение

С точки зрения фундаментальной науки управляемое создание новых вселенных имело бы огромное значение для проверки и прогнозирования свойств нашей собственной Вселенной. В зависимости от начальных свойств создаваемого «зерна» можно было бы целенаправленно задавать не только основные физические константы для новой вселенной, но и скорость ее расширения, набор элементарных частиц в ней, соотношения свойств элементарных частиц – например, массы протона и массы электрона, соотношение содержания вещества и антивещества в новой вселенной и, возможно, направление хода времени в ней.

С технологической точки зрения от таких опытов нас отделяют еще не менее чем несколько десятилетий. Но надеюсь, что мне удалось показать, насколько далеко мы уже ушли от представлений о «большом взрыве, возникшем из ниоткуда», а также к каким неожиданным и далеко идущим выводам приводит поиск ответов на апокалиптические физические вопросы.