Квантовое туннелирование в ландшафте

 

Рисунок 6.4, безусловно, схематичный (каждое из полей Хиггса на рис. 3.6 отложено в своих собственных осях; аналогично каждый из приблизительно 500 различных потоков поля, которые могут пронизывать формы Калаби–Яу, также должен быть отложен в отдельных осях — однако нарисовать горный рельеф в 500-мерном пространстве довольно затруднительно), однако этот рисунок правильно отражает тот факт, что вселенные с разными формами дополнительных измерений являются частями единого рельефа.75 И если учесть квантовые эффекты, воспользовавшись результатами, полученными легендарным физиком Сиднеем Коулменом в соавторстве с Фрэнком де Луччией, то взаимосвязи между разными вселенными приведут к удивительным превращениям.

Ключевым физическим процессом при рассмотрении квантовых эффектов в мультивселенной является квантовое туннелирование. Представьте частицу, например электрон, налетающую на твёрдый барьер, пусть это будет стальная плита толщиной в три метра. Классическая физика говорит, что электрон не сможет пройти сквозь барьер. Отличительная черта квантовой механики состоит в том, что неумолимый классический вердикт «не сможет пройти», часто преобразуется в более мягкое квантовое утверждение «есть малая, но не равная нулю вероятность, что сможет». Причина в том, что квантовые флуктуации частицы позволяют ей время от времени неожиданно материализоваться на другой стороне непроницаемого барьера. Момент, когда такое квантовое туннелирование происходит, совершенно случаен; самое большее, что мы можем сделать, — это предсказать вероятность того, что это случиться в тот или иной временно́ й интервал. Однако математические расчёты показывают, что если подождать достаточно долго, туннелирование произойдёт сквозь любой барьер. И оно действительно происходит. Если бы это не происходило, то Солнце не смогло бы светить: для сближения ядер водорода на расстояние, достаточное для начала ядерного синтеза, они должны протуннелировать сквозь барьер электромагнитного отталкивания протонов.

Коулмен и де Луччия, а затем и многие их последователи, отмасштабировали квантовое туннелирование от одной частицы до целой вселенной, перед которой также встаёт «непреодолимый» барьер, отделяющий текущую конфигурацию вселенной от другой возможной конфигурации. Чтобы качественно понять полученный ими результат, представьте себе две вселенные, одинаковые во всём кроме некоторого поля, равномерно заполняющего каждую из них, энергия которого выше в одной и ниже в другой. Если барьера нет, более высокое значение поля скатится до более низкого, подобно скатывающемуся с холма шарику при обсуждении инфляционной космологии. Но что произойдёт, если кривая энергии поля имеет «горный выступ», отделяющий данное значение от искомого, как показано на рис. 6.5? Коулмен и де Луччия обнаружили, что как и в случае одной частицы, вселенная поведёт себя запрещённым в классической физике образом: она может просочиться — квантово протуннелировать — сквозь барьер и оказаться в конфигурации с меньшей энергией.

 

Рис. 6.5. Пример кривой энергии поля с двумя значениями — двумя выемками, или долинами, — где поле естественно достигает положения равновесия. Вселенная, заполненная полем с более высоким значением, может квантово протуннелировать во вселенную с меньшим значением. В этом процессе небольшая, случайным образом расположенная область пространства в исходной вселенной приобретает меньшее значение поля; затем эта область расширяется, с трансформацией постоянно расширяющегося пространства от большей энергии к меньшей

 

Но поскольку мы обсуждаем вселенную, а не одну частицу, процесс туннелирования оказывается более сложным. Коулмен и де Луччия показали, что речь не идёт о том, что значение поля во всём пространстве туннелирует одновременно сквозь барьер. Наоборот, «затравочное» туннелирование порождает небольшой, случайно расположенный пузырёк, наполненный полем с меньшей энергией. Этот пузырёк растёт, подобно воннегутовскому льду-девять, постоянно расширяя область пространства, в которую поле протуннелировало к меньшей энергии.

Эти идеи можно непосредственно применить к струнному ландшафту. Представьте, что вселенная обладает какой-то определённой формой дополнительных измерений, которая соответствует левой долине на рис. 6.6а. Поскольку эта долина расположена высоко, космологическая постоянная в трёх привычных пространственных измерениях имеет большое значение — что приводит к большому гравитационному отталкиванию, — поэтому в пространстве происходит быстрое инфляционное расширение. Такая расширяющаяся вселенная со своими дополнительными измерениями показана на рис. 6.6б слева. Затем в некотором случайном месте, в случайный момент времени крохотная область пространства туннелирует сквозь промежуточный горный хребет в долину в правой части на рис. 6.6а. Не то чтобы крошечная область пространства двигалась (что бы это не значило), но меняется форма дополнительных измерений (геометрия, размер, потоки) в этой области. Дополнительные измерения в этой крошечной области трансформируются и приобретают форму, соответствующую правой долине на рис. 6.6а. Как показано на рис. 6.6б справа, эта новая дочерняя вселенная расположена внутри исходной.

 

Рис. 6.6. а ) Квантовое туннелирование в струнном ландшафте; б ) Туннелирование порождает небольшую область пространства, внутри которой произошло изменение формы дополнительных измерений (небольшой тёмный пузырёк)

 

Новая вселенная быстро расширяется и по мере расширения продолжает преобразовывать свои дополнительные измерения. Поскольку космологическая постоянная в новой вселенной уменьшилась — соответствующая ей высота ландшафта ниже исходной, — она испытывает меньшее гравитационное отталкивание, поэтому она будет расширяться не так быстро, как исходная. Таким образом, имеется дочерняя расширяющаяся вселенная с новой формой дополнительных измерений, расположенная внутри более быстро расширяющегося пузырька исходной вселенной с исходной формой дополнительных измерений.76

Процесс может повториться. Дальнейшее туннелирование в других местах внутри не только исходной вселенной, но и внутри новой вселенной, приведёт к появлению дополнительных расширяющихся пузырьков, что в свою очередь породит области с совсем другими формами дополнительных измерений (рис. 6.7). И так всё пространство будет заполнено пузырьками внутри пузырьков, расположенных, в свою очередь, внутри других пузырьков — в каждом будет происходит инфляционное расширение, каждому будет присуща своя форма дополнительных измерений и в каждом значение космологической постоянной будет меньше, чем у большего пузырька, внутри которого он образовался.

 

Рис. 6.7. Процесс туннелирования может повторяться, порождая обширную и сложную последовательность расширяющихся дочерних вселенных, вырастающих из пузырьков, каждая со своей формой дополнительных измерений

 

В итоге возникает более затейливый вариант мультивселенной в виде швейцарского сыра, рассмотренной нами при обсуждении вечной инфляции. Там было два типа областей: «сырно-заполненные» области, в которых происходит инфляционное расширение, и «дырки», в которых его нет. Такая мультивселенная напрямую соответствует упрощённому ландшафту с одной единственной горой, основание которой находится на уровне моря. Более богатый струнный ландшафт с его разнообразием вершин и долин, соответствующих разным значениям космологической постоянной, приводит к многообразию различных областей (рис. 6.7) — пузырькам внутри пузырьков, которые расположены внутри других пузырьков, подобно матрёшкам, каждая из которых раскрашена своим мастером. В итоге непрекращающиеся квантовые туннелирования сквозь гористый струнный ландшафт реализуют каждую возможную форму дополнительных измерений в том или ином пузырьке-вселенной. Это ландшафтная мультивселенная.

Именно ландшафтная мультивселенная необходима для того, чтобы принять идею Вайнберга, объясняющую значения космологической постоянной. Из наших рассуждений следует, что струнный ландшафт гарантирует, что в принципе существуют возможные формы дополнительных измерений, для которых грубая оценка для значения космологической постоянной попадает в диапазон наблюдаемых значений: в струнном ландшафте есть долины, чья крошечная высота перекликается с крошечным, но не нулевым значением космологической постоянной, которое получается из наблюдения сверхновых. Если струнный ландшафт соединить с вечной инфляцией, оживают все возможные формы дополнительных измерений, включая формы с очень малым значением космологической постоянной. Где-то внутри огромной и запутанной последовательности пузырьков, составляющих ландшафтную мультивселенную, есть вселенные со значением космологической постоянной, равным приблизительно 10− 123, крохотному числу, приведённому в самом начале этой главы. Следуя этой логике рассуждений, оно соответствует тому из пузырьков, в котором мы живём.

 

А что с остальной физикой?

 

Космологическая постоянная является всего лишь одной из характеристик населяемой нами Вселенной. Эта задача находится, пожалуй, в ряду самых непонятных, потому что малость измеренного значения никак не вяжется с оценками, даваемыми устоявшимися теориями. Такое тотальное расхождение привлекает к космологической постоянной особое внимание, поэтому поиск идей, пусть даже экзотических, но способных объяснить малость космологической постоянной, является самой насущной задачей. Сторонники представленных выше идей утверждают, что струнная мультивселенная и есть именно то, что надо.

Но что делать с остальными свойствами нашей Вселенной — тремя типами существующих нейтрино, определённой массой электрона, величиной слабого ядерного взаимодействия и тому подобным? И хотя мы можем по крайней мере мечтать, что нам удастся вычислить эти фундаментальные константы, этого пока никому не удалось. Вы можете поинтересоваться, готовы ли эти числа к своему объяснению с помощью идеи мультивселенной? Оказалось, что физики, занимающиеся струнным ландшафтом, действительно обнаружили, что эти числа, подобно значению космологической постоянной, также изменяются от места к месту, и поэтому — если следовать нашему настоящему пониманию теории струн — они определены не однозначно. Это приводит к новому взгляду на проблему, весьма отличному от того, который преобладал в начале исследований. А именно мы видим, что попытка вычислить свойства фундаментальных частиц, так же как и попытка объяснить расстояние между Землёй и Солнцем, лишена, скорее всего, всякого смысла. Как и орбиты планет, некоторые (или все) свойства фундаментальных частиц будут меняться от одной вселенной к другой.

Чтобы такие рассуждения могли считаться осмысленными, мы должны по крайней мере знать, что найдутся пузырьки-вселенные с правильным значением космологической постоянной, и кроме того, что среди них будет хотя бы один пузырёк, в котором свойства взаимодействий и частиц согласуются с измерениями, полученными в нашей Вселенной. Необходимо знать наверняка, что наша Вселенная со всеми своими свойствами находится где-то внутри ландшафта. Это является целью очень активной области исследований, получившей название струнное моделестроение. Её программа состоит в математическом изучении струнного ландшафта и возможных форм дополнительных измерений с целью поиска вселенных, наиболее близко напоминающих нашу. Эта невероятно трудная задача, потому что ландшафт огромен и очень запутан, что препятствует исчерпывающему систематическому изучению. Продвижение в этом направлении требует выдающихся вычислительных способностей, а также интуитивного понимания, какие составляющие должны входить в искомую комбинацию — форма дополнительных измерений, их размер, потоки поля, пронизывающие дырки, наличие различных бран и так далее. Подобные исследования находятся на стыке строгой науки, искусства и проницательности. На сегодняшний день никому не удалось найти пример, точно воспроизводящий свойства нашей Вселенной. Однако, имея 10500 возможностей, ожидающих своего изучения, легко согласиться, что где-то внутри ландшафта есть место и для нашей Вселенной.

 

А это наука?

 

В этой главе мы совершили логический поворот. До сего момента мы рассматривали возможные сценарии для реальности, опирающиеся на достижения фундаментальной физики и космологические исследования. Я прихожу в восторг от мысли, что где-то в глубине космоса существуют, возможно, копии нашей Земли, или что наша Вселенная — это лишь один из многих пузырьков в инфляционном космосе, или что мы живём в одном из многих миров на бране, как на ломте гигантского космического хлеба. Такие идеи, безусловно, будоражат ум.

Однако в ландшафтной мультивселенной параллельные миры возникают совсем иным образом. Ландшафтная мультивселенная — это не просто более широкий взгляд на то, что может происходить где-то там. Наоборот, целый массив параллельных вселенных — миров, находящихся за рамками наших способностей видеть, изучать, как-то влиять, посещать сейчас, а возможно и никогда, нужен самым непосредственным образом для того, чтобы объяснить данные наблюдений, полученные нами здесь, в этом мире.

А это ставит перед нами очень важный вопрос: является ли это наукой?

 

 

⇐ Предыдущая13141516171819202122Следующая ⇒

Поделиться: