Удивительная космология - Лев Шильник

Еще один сценарий происхождения нашей Вселенной предложил американский физик Ли Смолин. По его мнению, новые миры могут рождаться внутри черных дыр. О черных дырах, этих угольных мешках мироздания, куда материя проваливается без возврата, подробно рассказывалось в главе «Звездный паноптикум», поэтому не буду повторяться. Напомню только, что стадия черной дыры – закономерный этап эволюции очень массивных звезд. Когда звезда сжигает свое ядерное топливо, внутреннее давление уже не может противодействовать силам гравитации, и небесное тело обрушивается внутрь себя. Такое катастрофическое сжатие получило название гравитационного коллапса. Однако не только звезды или иные массивные объекты могут быть источником черных дыр; теория инфляции предсказывает, что на ранних стадиях эволюции Вселенной, в фазе раздувания, должны были во множестве формироваться первичные черные дыры.

Силы тяготения внутри горизонта событий черной дыры настолько велики, что коллапс продолжается до тех пор, пока плотность вещества не станет бесконечно большой. Само собой разумеется, что объем, занятый сжимающимся веществом, обратится при этом в нуль. Внутри черной дыры сидит уже знакомая нам сингулярность – безразмерная точка с бесконечно большой плотностью и кривизной пространства-времени. Пространство черной дыры – это дорога в никуда, бездонный и черный как вакса провал, из которого не в силах вырваться ни одна частица. Даже свет становится вечным ее пленником, ибо мощь гравитации за горизонтом событий превосходит все мыслимые пределы.

Однако теория относительности, как известно, не учитывает квантовые эффекты, а потому очень скверно работает в масштабах, меньших, чем планковская длина. Между тем роль квантовых флуктуаций ниже планковского предела, когда сами понятия времени и пространства окончательно утрачивают физический смысл, становится определяющей. То же самое справедливо и для кривизны пространства-времени. Иными словами, мы вправе предположить, что никакой сингулярности с ее утомительными бесконечностями внутри черной дыры нет, а такие параметры, как плотность вещества и кривизна пространства-времени, должны быть ограничены некоторым критическим значением. Но если гравитационный коллапс в области планковских длин сходит на нет, то вполне вероятно, что пространство внутри черной дыры может подвергнуться стремительному раздуванию. Помните инфляцию, на порядки порядков увеличившую объем новорожденной Вселенной? Теория утверждает, что нечто подобное может приключиться и с черной дырой, когда коллапс естественным образом выдохнется.

Однако мы немедленно сталкиваемся с неразрешимым парадоксом. Если пространство внутри черной дыры начинает пухнуть как на дрожжах, то его объем должен многократно вырасти за очень короткий интервал времени. К моменту окончания инфляции он может легко превысить размеры наблюдаемой части Вселенной, если раздувание продолжалось достаточно долго. Но с другой стороны, черная дыра – это истинная вещь в себе, из которой ничто, даже свет, не умеет выбраться наружу. Любое расширение, как бы велико оно ни было, непременно должно быть ограничено внутренним объемом черной дыры, ее гравитационным радиусом. А поскольку горизонт событий черной дыры не идет ни в какое сравнение с размерами полной Вселенной, то совершенно непонятно, каким образом столь грандиозный объем может уместиться внутри крохотной фитюльки.

Чтобы разделаться с этим парадоксом, нам вновь придется прибегнуть к двумерной аналогии. Представим себе детский воздушный шарик, по поверхности которого ползет плоскатик – крохотное разумное существо, не знакомое с третьим измерением. В нашей модели поверхность воздушного шара соответствует трехмерному пространству Вселенной. С точки зрения плоскатика, черная дыра в его мире – это всего-навсего небольшой участок поверхности, непроглядное как смоль пятно, куда ему нет доступа. Совершив путешествие вокруг пятна, плоскатик без труда выяснит, что черная дыра имеет вполне конечные размеры. Теперь вообразим, что гравитационный коллапс внутри плоской черной дыры давным-давно завершился, и она переживает фазу стремительного раздувания. При этом резина воздушного шарика внутри горизонта событий растягивается не в двумерный мир плоскатика, а вспучивается в направлении, прямо перпендикулярном поверхности шара. Места для такого раздувания более чем достаточно, поэтому дочерняя вселенная, рождающаяся на наших глазах, может легко превзойти в объеме материнскую. Однако для плоскатика этот процесс останется тайной за семью печатями, ибо его несовершенному зрению доступны всего лишь два измерения его скучного мира. Он не увидит ровным счетом ничего нового: перед ним будет назойливо маячить все то же невыразительное пятно, хотя в действительности оно уже давно развернулось в огромную вселенную.

Нечто подобное может происходить и в нашей реальной трехмерной Вселенной. По окончании коллапса пространство внутри черной дыры начинает неудержимо расширяться, и через несколько мгновений по галактическим часам новоиспеченный мир торжественно выплывает из небытия, рождая попутно свои собственные пространство и время. К сожалению, нам не суждено быть свидетелями этого захватывающего зрелища, подобно тому как плоскатик при всем желании не может проникнуть в третье измерение. Вселенную, внутри которой черная дыра перешла в инфляционный режим, мы вправе назвать материнской (или родительской), а отпочковавшуюся от нее «молодуху» – дочерней, или младенческой. Обе эти Вселенные будут связаны своеобразной пуповиной, трубкой пространства-времени, диаметр которой сопоставим, по всей видимости, с планковской длиной.

Однако пуповина может и оборваться, поскольку черные дыры пусть медленно, но испаряются, теряя массу за счет квантовых флуктуаций возле своих границ. Горизонт событий неуклонно съеживается, как шагреневая кожа, и как только он станет меньше планковского предела, черная дыра эффективно сожмется в нуль, и всякое сообщение между родственными вселенными прекратится. Мать и младенец заживут самостоятельной жизнью. Правда, некоторые физики утверждают, что квантовые эффекты приостановят испарение черной дыры возле планковского предела, но принципиального значения это обстоятельство не имеет. Лопнула соединяющая их пуповина или осталась в целости и сохранности, не играет никакой роли: обе Вселенные все равно изолированы друг от друга и ведут себя как вполне самостоятельные существа.

В дальнейшем дочерняя Вселенная может пойти по стопам своей мамаши. Когда раздувание прекратится, а энергия инфлатонного поля упадет до минимальных значений, произойдет Большой взрыв, и дочка перейдет в режим стандартного хаббловского расширения. После окончания инфляции флуктуации плотности в новорожденной Вселенной станут космологически значимыми, что приведет к формированию первичных черных дыр. Некоторые из них тоже начнут в свою очередь раздуваться, так что на свет появится уже третье поколение миров. В известном смысле эти новые миры будут уже внуками первоначальной родительской Вселенной, которые по прошествии времени тоже почти наверняка дадут потомство.

Модель глобальной Вселенной

Таким образом, мы приходим к принципиально иной картине мироздания, которую можно было бы назвать глобальной Вселенной. Глобальная Вселенная представляет собой сложный ансамбль миров и напоминает виноградную гроздь. Некоторые виноградины-вселенные повязаны между собой пуповиной через черные дыры, которые не успели пока испариться, а другие давным-давно живут изолированно, но внутри большинства отпрысков продолжают рождаться первичные черные дыры, которые раз за разом дают путевку в жизнь все новым и новым генерациям вселенных. Другими словами, глобальная Вселенная способна непрерывно самовоспроизводиться. Такое неутомимое почкование может продолжаться неограниченно долго, поэтому можно сказать, что глобальная Вселенная не имеет начала во времени. Если вегетативный цикл не прекращается ни на мгновение и работает как часы, то глобальная Вселенная будет жить вечно.

Разумеется, каждая отдельно взятая виноградина (или домен, представляющий собой локальную Вселенную, надежно изолированную от своих собратьев) может обладать собственным уникальным набором физических параметров. Их роднит только общность происхождения, так сказать, голос крови. Одни миры, не успев как следует раздуться, сразу же начнут коллапсировать, схлопываясь в точку, а другие будут, наоборот, безудержно раздуваться, потому что инфляция растет по экспоненте. Среди всех мыслимых вселенных обязательно найдется хотя бы одна, где инфляционное расширение вовремя прекратится, породив флуктуации плотности, которые впоследствии дадут начало сложным структурам – галактикам и звездам. По счастливой случайности, мы живем как раз именно в такой вселенной. Если бы фундаментальные константы имели другие значения, эта книжка никогда не была бы написана.