Воспоминания - Андрей Сахаров

В современных теориях элементарных частиц предполагается, что вакуум может существовать в различных состояниях: устойчивом, обладающем плотностью энергии, с большой точностью равной нулю, и неустойчивом, обладающем огромной положительной плотностью энергии (эффективной космологической постоянной). Последнее состояние иногда называют «ложным вакуумом».

Одно из решений уравнений общей теории относительности для таких теорий таково. Вселенная замкнута, т. е. в каждый момент представляет собой «гиперсферу» конечного объема (гиперсфера — трехмерный аналог двухмерной поверхности сферы; гиперсферу можно представлять себе «вложенной» в четырехмерное евклидовское пространство, так же как двухмерная сфера «вкладывается» в трехмерное пространство). Радиус гиперсферы имеет минимальное конечное значение в некоторый момент времени (обозначим его t = 0) и возрастает при удалении от этой точки как вперед, так и назад по времени. Энтропия равна нулю для ложного вакуума (как и для всякого вакуума вообще) и при удалении от точки t = 0 вперед или назад во времени возрастает вследствие распада ложного вакуума, переходящего в устойчивое состояние истинного вакуума. Таким образом, в точке t = 0 происходит поворот стрелы времени (но нет космологической CPT-симметрии, которая требует в точке отражения бесконечного сжатия). Так же как в случае CPT-симметрии, все сохраняющиеся заряды тут тоже равны нулю (по тривиальной причине — при t = 0 вакуумное состояние). Поэтому в этом случае также необходимо предположить динамическое возникновение наблюдаемой барионной асимметрии, обусловленное нарушением CP-инвариантности.

Альтернативная гипотеза о предыстории Вселенной заключается в том, что на самом деле существует не одна Вселенная и не две (как — в некотором смысле слова — в гипотезе поворота стрелы времени), а множество кардинально отличающихся друг от друга и возникших из некоторого «первичного» пространства (или составляющих его части; это, возможно, просто иной способ выражения). Другие Вселенные и первичное пространство, если есть смысл говорить о нем, могут, в частности, иметь по сравнению с «нашей» Вселенной иное число «макроскопических» пространственных и временных измерений — координат (в нашей Вселенной — три пространственных и одно временнòе измерение; в иных Вселенных все может быть иначе!). Я прошу не обращать особого внимания на заключенное в кавычки прилагательное «макроскопических». Оно связано с гипотезой «компактизации», согласно которой большинство измерений компактифицировано, т. е. замкнуто само на себя в очень малых масштабах.

Предполагается, что между разными Вселенными нет причинной связи. Именно это оправдывает их трактовку как отдельных Вселенных. Я называю эту грандиозную структуру «Мега-Вселенная». Некоторые авторы обсуждали варианты подобных гипотез. В частности, гипотезу многократного рождения замкнутых (приближенно гиперсферических) Вселенных защищает в одной из своих работ Я. Б. Зельдович.

Идеи «Мега-Вселенной» чрезвычайно интересны. Быть может, истина лежит именно в этом направлении. Для меня в некоторых из этих построений есть, однако, одна неясность несколько технического характера. Вполне допустимо предположить, что условия в различных областях пространства совершенно различны. Но законы природы обязательно должны быть всюду и всегда одними и теми же. Природа не может быть похожей на Королеву в сказке Кэрролла «Алиса в стране чудес», которая по своему произволу изменяла правила игры в крокет. Бытие — не игра. Мои сомнения относятся к тем гипотезам, которые допускают разрыв непрерывности пространства — времени. Допустимы ли такие процессы? Не есть ли они нарушение в точках разрыва именно законов природы, а не «условий бытия»? Повторяю, я не уверен, что это обоснованные опасения; может, я опять, как в вопросе о сохранении числа фермионов, исхожу из слишком узкой точки зрения. Кроме того, вполне мыслимы гипотезы, где рождение Вселенных происходит без нарушения непрерывности.

Предположение, что спонтанно происходит рождение многих, а быть может, бесконечного числа отличающихся своими параметрами Вселенных и что Вселенная, окружающая нас, выделена среди множества миров именно условием возникновения жизни и разума, получило название «антропного принципа». Зельдович пишет, что первое известное ему рассмотрение этого принципа в контексте расширяющейся Вселенной принадлежит Идлису (1958 год). В концепции многолистной Вселенной антропный принцип тоже может играть роль, но для выбора между последовательными циклами или их областями. Эта возможность рассматривается в моей работе «Многолистные модели Вселенной». Одна из трудностей многолистных моделей заключается в том, что образование «черных дыр» и их слияние настолько нарушают симметрию на стадии сжатия, что совершенно непонятно, пригодны ли при этом условия следующего цикла для образования высокоорганизованных структур. С другой стороны, в достаточно продолжительных циклах происходят процессы распада барионов и испарения черных дыр, приводящие к выглаживанию всех неоднородностей плотности. Я предполагаю, что совокупное действие этих двух механизмов — образования «черных дыр» и выравнивания неоднородностей — приводит к тому, что происходит последовательная смена более «гладких» и более «возмущенных» циклов. Нашему циклу, по предположению, предшествовал «гладкий» цикл, во время которого «черные дыры» не образовались. Для определенности можно рассматривать замкнутую Вселенную с «ложным» вакуумом в точке поворота стрелы времени. Космологическая постоянная в этой модели может считаться равной нулю, смена расширения сжатием происходит просто за счет взаимного притяжения обычного вещества. Продолжительность циклов возрастает вследствие роста энтропии при каждом цикле и превосходит любое заданное число (стремится к бесконечности), так что условия распада протонов и испарения «черных дыр» выполняются.

Многолистные модели дают ответ на так называемый парадокс больших чисел (другое возможное объяснение — в гипотезе Гута и других, предполагающей длительную стадию «раздувания» — см. в главе 18 первой части).

Почему общее число протонов и фотонов во Вселенной конечного объема так необозримо велико, хотя и конечно? И другая форма этого вопроса, относящаяся к «открытому» варианту: почему так велико число частиц в той области бесконечного мира Лобачевского, объем которой порядка A3 (A — радиус кривизны)?

Ответ, который дается многолистной моделью, очень прост. Предполагается, что с момента t = 0 прошло уже много циклов, во время каждого цикла увеличивалась энтропия (т. е. число фотонов) и, соответственно, в каждом цикле генерировался все больший барионный избыток. Отношение числа барионов к числу фотонов в каждом цикле при этом постоянно, так как оно определяется динамикой начальных стадий расширения Вселенной в данном цикле. Общее число циклов с момента t = 0 как раз таково, что получилось наблюдаемое число фотонов и барионов. Так как рост их числа происходит в геометрической прогрессии, для необходимого числа циклов мы получим даже не столь уж большое значение.