Рождение миров

В гл. 5.3 говорилось о возникновении нашей Вселенной в про­цессе Большого Взрыва. Поскольку на ранних стадиях существо­вания Вселенная имела микроскопические размеры, описывать происходившие в ней в то время процессы следует с использова­нием аппарата квантовой механики. Масса видимой Вселенной М ~ 10⁵⁶ г. Для того чтобы «расплавить» вакуум и вызвать в нем фазовый переход, результатом которого явится возникновение массы такой величины, требуется громадная энергия. Если рассчи­тать по формулам (5.2) и (5.3) масштаб флуктуации времени, со­ответствующего такому переходу, то мы получим невообразимо малую величину ∆t – 10^-105с. Могут ли промежутки времени такой длительности соответствовать каким-либо реальным процессам?

Геометрия физического мира — это динамическая геометрия. В физические законы, определяющие ее поведение, входят три фун­даментальные константы: гравитационная постоянная G из закона всемирного тяготения Ньютона, постоянная Планка h и скорость света с. Используя размерные формулы для этих фундаменталь­ных констант и подставляя их численные значения, нетрудно рас­считать величины, которые называют планковскими массой, дли­ной и временем:

m_p = 2,17-10^-510 г; L_p = 10^-33см; t_P= 10^-43 c. (5.4)

Обращаясь к этим величинам, теоретики говорят о физике нланковских масштабов, которая весьма необычна. Во-первых, в области планковской длины гравитационное взаимодействие сравнимо по силе с другими типами взаимодействий — сильными, электромагнитными и слабыми. Во-вторых, пространство здесь утрачивает трехмерность, начинаются квантовые флуктуации то­пологии. Предложены такие теоретические модели, в которых су­ществует несколько сотен измерений. Теряет смысл и привычный ход времени: оно может двигаться не только вперед, как на наших часах, но и назад или вообще останавливаться. И разумеется, ни о каких реальных или даже виртуальных частицах тут не может быть и речи. Вакуум на таких масштабах описывается только геомет­рией — это его единственная фундаментальная характеристика. Здесь, на самом глубоком из мыслимых сегодня уровней в мире, нет ничего, кроме вакуума и его геометрических свойств.

Планковская длина и планковское время — это естественные масштабы, вплоть до которых можно говорить о применимости современных физических теорий.

Исходя из планковской длины в комбинации с фундаменталь­ными константами, можно подсчитать величину плотности энер­гии, связанной с квантовыми флуктуациями:

Е_р = 10¹¹⁶ эрг/см³ = 10⁹⁵ г/см³. (5.5)

Это чудовищно громадная величина. Вспомним: плотность воды равна 1 г/см³, а плотность ядерной материи — 10¹⁴ г/см³. Эти цифры означают, что мир, который мы наблюдаем вокруг себя и в котором живем, в действительности представляет собой лишь еле заметную рябь на поверхности всеобъемлющего океана вакуума. Как крохотные, еле заметные крупинки погружены в него звезды, квазары, планеты, галактики и прочие материальные обитатели

нашей Вселенной.

Но все же и этой энергии не могло хватить, чтобы в результате фазового перехода «закипевшего» вакуума возникла Вселенная — для этого нужны квантовые флуктуации на много порядков мень­ше планковского масштаба времени. А это с точки зрения современной теории лишено смысла. Как же в таком случае мог про­изойти Большой Взрыв?

Разобраться в этом вопросе помогает нам дуализм волна — частица. Обладая волновыми свойствами, любая частица как бы в

некоторой степени «размазана» по пространству. Если она находится в «ящике» — потенциальной энергетической яме со стенками конечной высоты и толщины, то всегда существует отличная от нуля вероятность того, что эта частица, собственной энергии кото­рой не хватает, чтобы «перепрыгнуть» через энергетический ба­рьер, все же может оказаться снаружи от него. Этот эффект назы­вается просачиванием, или прохождением через потенциальный барьер, и предсказывается квантовой теорией. Вполне вероятно, что именно таким был тот фазовый переход флуктуирующего вобласти планковских масштабов квантового вакуума, вследствие которого и произошел Большой Взрыв, приведший к образованию нашей Вселенной.

Теория, с помощью которой описывается поведение Вселенной в начальные моменты ее существования, — это квантовая космо­логия. Уравнения квантовой механики позволяют вычислить не само поведение реальной частицы, а лишь соответствующую ей волновую функцию ψ. Сама по себе волновая функция физичес­кого смысла не имеет, а ее квадрат │ψ│²вероятность локализа­ции частицы в данном месте с координатой х. В нашем случае «просачивания» микроскопической Вселенной через потенциаль­ный барьер величина │ψ│²определяет вероятность нахождения Все­ленной по ту или другую сторону барьера, иными словами, веро­ятность ее рождения.

Каким образом происходит фиксация подобного события в экс­периментах, проводимых в лаборатории нормальных размеров? Локализация частицы в пространстве есть результат ее взаимодей­ствия с прибором, с помощью которого проводится эксперимент. В результате этого процесса происходят редукция волновой функ­ции, она как бы превращается в показания макроскопического прибора. Таким образом, наблюдение частицы, ее проявление на макроуровне в качестве обязательного условия требует взаимо­действия с прибором. А поскольку любой прибор — дело рук на­блюдателя, то и с наблюдателем.

Нильс Бор назвал это требование принципом дополнитель­ности. Этот принцип гласит: получение экспериментальной ин­формации об одних физических величинах, описывающих части­цу или какой-либо иной квантово-механическии объект, неизбеж­но связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополняющими вели­чинами являются, например, координата и импульс (или ско-

рость) частицы. Из приведенного только что анализа видно, что этот принцип объясняется влиянием измерительного прибора (или, можно сказать, наблюдателя) на состояние микрообъекта.

Понять всю эту совокупность квантово-механических эффек­тов трудно, но можно. Намного сложнее разобраться, как может происходить редукция волновой функции в задачах квантовой космологии. Согласно точке зрения Бора, которую называют еще «копенгагенской интерпретацией», для того, чтобы этот процесс пошел, требуется наличие наблюдателя. Но кто же мог быть на­блюдателем, когда не было еще и самой Вселенной?

Г. Эверетт предложил простое решение проблемы: редукции волновой функции не происходит вообще, после каждого квантово-механического акта Вселенные «удваиваются». Эти «размно­жающиеся» Вселенные абсолютно не взаимодействуют друг с дру­гом. Позднее идею Эверетта развил Д. Дойч, который предложил назвать эту совокупность ветвящихся вселенных мультиверс (multiverse) [41].

Другую интерпретацию происходящего придумал Паули. Вер­нувшись к идеям неоплатоников, он предположил, что микроско­пический объект взаимодействует не с прибором, а с «душой» наблюдателя, с его сознанием. Взгляды Паули близки к концепции Юнга о бессознательном, а также к нашей концепции мэонологии

(см. ч. 4).

Следует заметить, что решение проблемы дополнительности существенно не только для квантовой космологии, но и при обсуж­дении тех законов, которыми управляется наша Вселенная.

А теперь вернемся к начальным моментам возникновения Все­ленной. Из квантовой теории следует, что прохождение через по­тенциальный барьер может осуществляться на разных его высотах, т.е. при разной величине энергии. Нет никаких оснований пола­гать, что, «породив» одну Вселенную в таком единичном акте, флуктуирующий квантовый вакуум в следующий момент не может породить и другую. Поскольку условия прохождения через потенциальный барьер для этой череды сильно различаются, подчиняясь законам случая, весьма разными окажутся и сами «ново­рожденные» вселенные. У них могут оказаться разными тополо­гия, набор универсальных констант, в них будут действовать раз­ные физические законы — словом, это будут вселенные, очень мало похожие друг на друга.

Возможно, их наличие и является тем фактором, который сни­мает космологический парадокс. Ясную интерпретацию получает и антропный принцип: наша Вселенная оказалась приспособленной для возникновения и развития жизни, но произошло это по законам случая. В большинстве ее космических сестер таких усло­вий скорее всего нет.

Принимая такую точку зрения на процесс рождения вселенных из квантового вакуума, получившийся в результате образ мирозда­ния можно уподобить большому облаку мыльной пены, каждый из пузырей которого и есть вселенная, в чем-то подобная нашей. В этом случае отпадает необходимость рассматривать Большой Взрыв как некую совершенно особую и исключительную темпо­ральную точку или, точнее, зону, в акте миросозидания. Напро­тив, это всего лишь одна из бесчисленного количества таких зон темпоральной протяженностью порядка 10~⁴³с, каждая из кото­рых является моментом возникновения из вакуума очередной вселенной.

Процесс возникновения одной из таких вселенных вместе с ее собственным пространственно-временным континуумом означает редукцию, или коллапс, космологической волновой функции. А поскольку этот процесс носит информационный характер, так как ведет к возникновению нового мира, он неизбежно сопровождает­ся выбросом в этот мир громадного количества энтропии.

Общее свойство Мегавселенной, образованной из множества отдельных пузырей-вселенных, состоит в неустойчивости ее структуры по отношению к фундаментальным константам. Напри­мер, увеличение массы электрона всего в три раза приводит к большой вероятности реакции протон + электрон = нейтрон. В такой вселенной не будет ни вещества в нашем понимании, ни звезд, ни планет. А если бы константа слабого взаимодействия оказалась всего на 0,1% больше, чем в нашем мире, то в такой вселенной отсутствовали бы элементы тяжелее гелия.

Некоторые из этих многочисленных вселенных могли бы состо­ять из антивеществ. В связи с этим возникает вопрос: а не могут ли в нашей Вселенной существовать галактики, состоящие из антиве­щества, а не из вещества? Их спектральные характеристики ничем не отличались бы от излучения «вещественных» галактик, астро­номы могли бы и не заметить разницы. Такое предположение ло­гично: непонятно, почему при возникновении нашей Вселенной произошел такой дисбаланс вещества и антивещества. Нет, отве-

чают астрофизики, это исключено. Столкновение межгалактичес­ких рукавов вещества и антивещества породило бы интенсивные потоки очень жестких гамма-квантов. Таких потоков мы не наблю­даем, и, следовательно, антивещество практически отсутствует в нашей Вселенной.

Между тем взаимодействие вещества и антивещества таит не­мало новых сюрпризов. Рассмотрим, например, реакцию столкно­вения электрона и позитрона. Оба участника реакции при этом аннигилируют, и возникает жесткий квант, энергия которого определяется формулой (5.3). Но это не все. Вследствие реакции возникает также безмассовая частица, лишенная заряда, но обла­дающая спином, который равен либо 0, либо 1. Это бозон.

Это возбужденное состояние вакуума обладает удивительными свойствами. Но чтобы получше разобраться в этих вопросах, пого­ворим вначале немного подробнее о том, что такое спин. Спин — это собственный момент вращения частицы, не связанный с ее движением как целого. Измеряется спин в единицах постоянной Планка, которая обладает размерностью кванта действия эрг-с, и может быть как целым, так и полуцелым. Поскольку спин характе­ризует вращение электрона вокруг собственной оси, он должен быть связан с магнитными свойствами электрона. Эта связь опре­деляется гиромагнитным соотношением, в соответствии с кото­рым собственный магнитный момент электрона равен так называ­емому магнетону Бора:

(5.6)

где m — масса электрона;

е — его заряд.

Отсюда следует, что безмассовый и лишенный заряда, но сохра­нивший спин бозон должен обладать и магнитным моментом. Этот бозон представляет собой локальное возмущение квантового ва­куума. Но вакуум не обладает свойством упругости, а потому фор­мально подобен абсолютно жесткому телу. Поэтому локальное возмущение, обладая динамическим характером, будет распро­страняться по квантово-вакуумной среде со скоростью, намного превышающей световую. Нарушения принципов теории относительности при этом не происходит, так как эта среда не подчиня-

ется принципу постоянства скорости света. Точнее следовало бы сказать, что в данном случае вообще не происходит распространен ния сигнала с какой-либо скоростью, а возникает нелокальное возмущение среды, обусловленное локальным воздействием.

Акт аннигиляции электрона и позитрона, как и любой необ­ратимый процесс, сопровождается возрастанием энтропии. Поэ­тому безмассовый бозон, возникший в результате этой реакции, должен нести количество информации, равное одному биту. В предыдущей главе было введено понятие битиона — мэонового кванта информации. Сравнивая свойства безмассового бозона и битиона, можно утверждать, что речь идет об одном и том же феномене.

Следует подчеркнуть, что, говоря о битионе, мы имеем в виду распространение чисто информационного сигнала, поскольку, об­ладая нулевой массой, бозон не может нести никакой энергии. Другое важное отличительное свойство битиона как спинового носителя информационного сигнала состоит в том, что в силу жесткости квантового вакуума он распространяется в форме ло­кального возмущения, а поэтому интенсивность этого сигнала не уменьшается с расстоянием, как это происходит в случае передачи информации с помощью электромагнитных волн.

Третье свойство битиона как информационного кванта заклю­чается в том, что в силу гиромагнитного соотношения он связан с электромагнитным полем. Фундаментальное свойство самого электромагнитного поля состоит в том, что оно само может распространяться в пустоте, т.е. в вакууме. А потому у нас есть основание утверждать, что оба поля — электромагнитное и информационно-спиновое — тесно связаны между собой. Любое электромагнитное поле должно иметь спинорную компоненту, которая, однако, не регистрируется обычными радиотехническими приборами по той причине, что они не рассчитаны на прием этой компоненты.

Очевидно и обратное утверждение: любой генератор электро­магнитного излучения одновременно должен быть источником и спинорного излучения. Напомним, что спинором называют величину, которая изменяется при вращении координат. Из спинорных величин можно составить выражение, не изменяющееся при поворотах (скаляр), а также величину, изменяющуюся как вектор.

Поскольку спинорное поле создается безмассовыми бозонами, лишенными заряда, но имеющими спин, оно должно обладать вы-

сокой проникающей способностью через материальные среды. Взаимодействие его с материальной средой может быть обуслов­лено вторичными электромагнитными эффектами.

Подводя предварительные итоги выполненного анализа, соста­вим сводку наиболее важных, фундаментальных свойств кванто­вого вакуума.

1. Вакуум не содержит реальных частиц.

2. Вакуум способен участвовать в коллективных взаимодейст­виях с миром материальных объектов.

3. Существуют различные типы вакуумных состояний, геомет-родинамика вакуума может изменяться в широких пределах. Об­ладая сложной неравновесной структурой, вакуум способен хра­нить информацию.

4. Вакуум обладает чрезвычайно большой плотностью флук­туации энергии.

5. Вакуум не подчиняется второму началу термодинамики, а потому для него отсутствует стрела времени.

6. В силу квантовых фазовых переходов вакуум обладает спо­собностью передавать импульсы энергии в материальную среду.

7. Существует спинорное вакуумное поле, взаимодействующее с электромагнитным полем.

8. Спинорные волны способны передавать информацию со сверхсветовой скоростью и без ослабления сигнала.

9. В силу теоремы Герока (см. ч. 4) акты информационного взаимодействия с участием спинорного излучения могут воспри­ниматься наблюдателем как нарушение причинно-следственных связей.

10. «Кипение» вакуума при квантовых фазовых переходах при­водит в выбросам энергии и, следовательно, к появлению времени.

Естественно думать, что, используя эти фундаментальные свойства вакуума, можно будет разработать принципиально новые, квантово-вакуумные технологии, предназначенные для ре­шения широкого круга практических задач. Но прежде чем гово­рить о создании таких технологий, необходимо решить две взаи­мосвязанные задачи: во-первых, разработать соответствующие теоретические модели, а во-вторых, в прямых экспериментах про­верить теоретические предсказания. О том, какая работа проведе­на к настоящему времени в этих направлениях, пойдет речь в следующих главах.

Глава 5.6