Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

Все эти разговоры о сверхплотности и сверхэнергии и смелые заявления о числах вроде 10⁹³ граммов на кубический сантиметр заставляют задуматься о том, сколько же всего массы-энергии содержится в нашем пузырьке-вселенной (если, конечно, считать, что в каком-то из этих сценариев есть зерно истины). Ответ еще удивительнее: ноль. Оставим же философам беседовать о постоянной инфляции и вернемся к хокинговской модели вселенной, чтобы разобраться, как такое может быть.

Массу-энергию мы привыкли представлять себе как скопления вещества – звезды, планеты и так далее. Каждая из них вносит свой вклад в виде mc² в общую массу-энергию вселенной – но не только: столь же важную роль (точно такую же важную роль, если гипотезы Хокинга верны) играет и гравитация. А у гравитационной энергии есть одна странность: она отрицательна.

Чтобы понять, что это значит, физики рассуждают о гравитационной энергии как о гипотетической совокупности частиц. Она равна нулю, если частицы бесконечно рассеяны – разнесены как можно дальше друг от друга. Но если под воздействием гравитации возникает скопление частиц, из которых, вероятно, впоследствии возникнет звезда, оно теряет гравитационную энергию. А поскольку изначально энергия частиц равна нулю, следовательно, к тому времени, когда они скопятся, чтобы образовать звезду или планету, энергия станет отрицательной. И если собрать все вещество со всей Вселенной в одной точке, его отрицательная гравитационная энергия (—mc²) в точности уравновешивает положительную массу-энергию всего вещества (+mc²).

Но ведь именно так мы и представляем себе зарождение Вселенной – вся масса-энергия сосредоточена в одной точке. Сценарии замкнутой вселенной описывают ситуацию, когда точка нулевой энергии делится на вещество с положительной энергией и гравитацию с отрицательной энергией, расширяется до определенного размера, а затем схлопывается обратно в точку нулевой энергии. На первый взгляд это какая-то нелепица. Но на самом деле это не порождение извращенного сознания какого-нибудь чокнутого профессора, а всеми уважаемая космологическая гипотеза, соответствующая уравнениям теории относительности.

Похоже, Вселенная – воплощение принципа, что за все надо платить. Если Вселенная содержит нулевую энергию, сколько энергии требуется, чтобы создать вселенную? Не так уж много – даже меньше, чем количество mc² в вашем теле или в этой книге. Согласно Алану Гуту и его коллеге Эдварду Фахри, энергии потребуется ровно столько, чтобы сжать сколько-нибудь вещества в черную дыру. И тогда мы автоматически получим новую вселенную: к каждой черной дыре бесплатно прилагается вселенная.

Гут и Фахри проявили недюжинное хитроумие – не хуже великих фокусников – и показали, что две главные линии исследований в жизни Хокинга, черные дыры и большие взрывы, на самом деле одно и то же.

В принципе, зародыши вселенных могут возникать из ничего, примерно как пары виртуальных частиц в результате квантовой неопределенности (вспомним главу 9). Такая дочерняя вселенная существует в виде сверхплотной концентрации массы – меньше протона, – но с нулевой энергией, поскольку масса уравновешена отрицательной гравитационной энергией. Разумеется, по представлениям ученых 1970-х годов и раньше, такие крошечные сверхплотные зародыши должны были сразу же коллапсировать обратно в ничто под собственным весом. Однако инфляция обеспечивает способ раздуть зародыш в расширяющуюся вселенную, и гравитация не успеет схлопнуть ее. После этого у гравитации уйдут миллиарды лет на то, чтобы остановить расширение, а затем уничтожить вселенную Большим Сжатием.

Итак, если мы хотим получить бесконечное количество пузырьков-вселенных, нужно ли для этого постоянно инфляционно расширять ложный вакуум? На первый взгляд из этого следует одно неприятное обстоятельство. Если пузырек-вселенная может возникнуть из обычного вакуума, что произойдет, если она вдруг родится рядом с нами? Не сметет ли нас Большим Взрывом по соседству? Фахри и Гут уверены, что беспокоиться нам не о чем. Если молодая вселенная возникает спонтанно или создается искусственно, с самого момента рождения она никак не взаимодействует с нашей Вселенной. Вспомним, что зародыш пузырька-вселенной должен быть самозамкнутым и обречен рано или поздно коллапсировать – словом, это черная дыра. Фахри и Гут обнаружили, что можно запустить процесс создания вселенной искусственно, сжав небольшое количество вещества в черную дыру при температуре около 10²⁴ K (очень скромная величина по сравнению с условиями в ложном вакууме). Однако свою статью об этом они назвали с долей лукавства: «Почему трудно создать вселенную в лаборатории» («An Obstacle to Creating a Universe in the Laboratory»).[96] В статье указано, что, хотя у нас есть технические средства, чтобы проделать половину работы и получить нужное количество энергии (водородная бомба), мы пока не знаем, как локализовать полученную при взрыве энергию в пределах черной дыры.