Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
Шрифт:
Однако имеются менее точно измеренные нейтронные звезды, чья масса оценивается в две с половиной массы Солнца [6]. Если эти изыскания будут поддержаны более точными измерениями, космологический естественный отбор будет фальсифицирован [7].
Другое предсказание вытекает из размышлений о неожиданном свойстве ранней вселенной, заключающемся в ее экстремальной упорядоченности. Распределение
материи в ранней вселенной, известное из наблюдений КМФ, лишь слабо варьируется от места к месту. Почему так было? Почему вселенная не началась с большими колебаниями плотности? Если имелись большие неоднородности плотности, более плотные регионы могли бы сколлапсировать прямо в черные дыры. Если вариации в плотности были достаточно большие, эти так называемые
Космологи описывают вариации в плотности материи параметром, называемым масштабом флуктуаций плотности. Это не параметр Стандартной Модели Физики Частиц, но имеются модели ранней вселенной, в которых есть настраиваемые параметры, которые могут повысить флуктуации плотности, и справедливо задать вопрос, не являются ли они несовместимыми с космологическим естественным отбором. В большинстве версий инфляции имеется параметр, который может быть увеличен, чтобы повысить уровень флуктуаций плотности и, тем самым, наводнить вселенную изначальными черными дырами. Но в некоторых из простейших инфляционных моделей увеличение этого параметра сокращает вселенную путем резкого ограничения времени, в течение которого вселенная может подвергаться инфляции. Итогом является намного меньшая вселенная, которая, хотя и заполнена изначальными черными дырами, в целом имеет намного меньше черных дыр, чем наша собственная вселенная [8]. Это означает, что космологический естественный отбор совместим только с простой теорией инфляции, которая не может устроить перепроизводство изначальных черных дыр. Если будет найдено подтверждение, что инфляция происходит способом, требующим более сложной теории, космологический естественный отбор должен быть исключен [9]. Следовательно, то, что нет такого подтверждения, является предсказанием космологического естественного отбора.
Конечно, правильной теорией очень ранней вселенной может оказаться не инфляция, но эти примеры служат для демонстрации того, что космологический естественный отбор уязвим перед опровержением со стороны открытия любого механизма, действующего в ранней вселенной, который может произвести много изначальных черных дыр [10].
Космологический естественный отбор немыслим вне контекста,
в котором время реально. Одна из причин в том, что все, что необходимо заявить, это что наша вселенная имеет только преимущество относительной подгонки перед вселенными, отличающимися малым изменением в параметрах. Это очень слабое условие. Нам не надо допускать, что параметры нашей вселенной имеют большую вероятность; вполне могут быть другие выборы параметров, приводящие к еще более плодородной вселенной. Все, что предсказывает сценарий, это что они не могут быть достигнуты за счет малых изменений в существующих величинах.
Таким образом, популяция вселенных может быть разнообразна, может состоять из множества видов, каждый из которых относительно плодороден по сравнению с другими, которые слегка отличаются. Набор видов вселенных будет непрерывно изменяться во времени, по мере того, как путем проб и ошибок открываются новые способы быть плодородной. Таким же образом работает биология. Нет максимально приспособленных видов, которые сохраняются навсегда; вместо этого каждая эра в истории жизни характеризуется различными наборами видов, которые все приспособлены относительно. Жизнь никогда не достигает равновесного или идеального состояния; она всегда развивается. Сходным образом, какие бы законы ни были типичными в популяции вселенных, они будут изменяться во времени, так что популяция развивается. Там, где конечное состояние, - в котором, один раз его достигнув, коктейль вселенных будет оставаться тем же самым - время должно будет прекратиться, и мы сможем сказать, что достигнуто вневременное равновесие. Но сценарий естественного отбора не предполагает или не подразумевает это. Время в сценарии космологического естественного отбора всегда присутствует.
Более того, сценарий требует, чтобы время было универсальным так же, как и реальным. Популяция
вселенных быстро развивается, вырастая в любой момент, любая вселенная создает черную дыру. Если мы выводим из теории предсказания, она должна установить, как много вселенных имеют такие и такие свойства в каждый момент времени. Это время должно иметь смысл не только на протяжении каждой вселенной, но и по всей популяции. Так что нам нужно понятие времени, которое дает нам картину одновременности внутри каждой вселенной и на протяжении всей популяции [11].*
Теперь сравним все это со случаем вечной инфляции. Ранняя вселенная постулируется как подверженная инфляции, поскольку квантовые поля, отвечающие за ее частицы и силы, находятся в фазе, которая производит очень большую темную энергию.
Это приводит вселенную к экспоненциально быстрому расширению. Инфляция обычно прекращается, когда в результате фазового перехода формируется пузырь. Это аналоги пузыря водяного пара, возникающего в нагреваемом котелке с водой; пузырь содержит газообразную фазу воды, которая формируется из жидкой фазы. В космологическом сценарии пузырь содержит фазу квантовых полей, которой недостает темной энергии, так что его расширение замедляется, и он становится нашей вселенной.
Виленкин и Линде заметили, что в окружающей среде, все еще содержащей большую темную энергию, будет продолжаться быстрая инфляция. Формируется много пузырей, которые затем становятся другими вселенными, как и наша собственная. Они нашли, что при определенных условиях процесс может продолжаться всегда, поскольку подверженная инфляции среда никогда никуда не девается, даже если она производит бесконечное число пузырей вселенных. Если этот сценарий правильный, то наша вселенная лишь один из бесконечного числа сформированных пузырей в вечно подверженной инфляции среде.
В простейшей версии, на которую я буду ориентироваться для целей нашего обсуждения, законы, которые управляют каждым пузырем, выбираются хаотически из ландшафта возможных законов [12]. Во многих обсуждениях этот ландшафт предполагается заданным различными теориями струн, но любая теория с изменяющимися параметрами, включая саму Стандартную Модель, будет действовать.
В простейшем случае доля пузырей, которые выбирают каждый закон, постоянна, так что по мере производства все большего и большего числа пузырей вселенных вероятности сохранения различных законов во всей популяции остаются теми же самыми. В таком простом сценарии время и динамика не играют роли в том, как законы нашей вселенной определяются среди всех других (возможно, бесконечного числа) возможностей. Таким образом, распределение вселенных (то есть, вероятностей для вселенных иметь различные законы и свойства) достигает некоторой разновидности равновесия и остается таким навсегда. Сценарий в этом смысле вневременной, что дает хороший пример противоположности по отношению к космологическому естественному отбору.
Поскольку законы в каждом пузыре выбираются хаотически, вселенные с тонко настроенными законами, необходимые для существования жизни, чрезвычайно редки. Так что наша вселенная оказывается нетипичной вселенной в популяции пузырей вселенных.
Чтобы соединить данный сценарий с наблюдениями нашей вселенной, космологи
должны обратиться к антропному принципу, который, как отмечено, устанавливает, что мы можем жить только во вселенной, чьи законы и начальные условия создают гостеприимный для жизни мир. Антропный принцип заставляет нас выбрать ничтожную долю гостеприимных вселенных из несопоставимо большей коллекции безжизненных миров, поскольку мы могли бы находиться только в одной из первых.
Замечательно, что имеется много общего в списке особенностей, делающих мир гостеприимным для жизни и делающих мир способным производить много черных дыр. Так что две теории - космологический естественный отбор и антропный принцип - по-видимому, объясняют некоторые из тех же тонко настроенных параметров Стандартной Модели. Но отметим, насколько различны эти объяснения. В космологическом естественном отборе наш мир является типичной вселенной и большая часть популяции будет разделять особенности, которые дают вселенной высокую приспособленность, тогда как в мультивселенной вечной инфляции миры вроде нашего экстремально редки. В первом случае мы имеем настоящее объяснение, в последнем - только принцип отбора.