Страница 55 из 72
К туннелированию способны любые волны: как классические, так и квантовые. Туннелированию могут подвергаться, например, спиральные волны плотности — волноподобные возмущения, образующие великолепные спиральные узоры, наблюдаемые в галактиках. А эти волны значительно больше нашей Солнечной системы: они действительно слишком велики, чтобы в их случае могли сыграть свою роль квантовые эффекты. Странность квантовой механики, в сущности, заключена в том, что частицы имеют свойства волны и демонстрируют поведение, характерное для волн. Любые волны совершенно естественным способом туннелируют через барьеры, создают дифракционные картины и подчиняются принципу неопределенности. Как только мы принимаем, что частицы и другие физические системы на достаточно малых расстояниях имеют волновые характеристики, многие алогичные квантовые эффекты становятся абсолютно понятными.
Как и электрон в нашем примере, вселенский вакуум может находиться в состоянии высокой энергии, при этом может существовать и состояние более низкой энергии вакуума. Как только Вселенная оказывается заключенной в состояние большой энергии вакуума, она должна оставаться в этом состоянии на протяжении продолжительного периода времени, потому что энергетический барьер препятствует ее немедленному переходу в состояние более низкой энергии. Такая долгоживущая конфигурация называется метастабильным состоянием, потому что на протяжении коротких периодов времени она фактически стабильна, но в конечном счете все же нестабильна и рано или поздно распадется. Переходы в состояние с более низкой энергией не только возможны, но и должны произойти при условии наличия достаточного времени.
Как, когда и где произойдет подобный фазовый переход? Нам хотелось бы знать, какова вероятность того, что Вселенная испытает переход из состояния фальшивого вакуума в состояние истинного вакуума, из состояния высокой энергии вакуума в конфигурацию с более низкой энергией. В качестве частной теоретической модели состояния вакуума мы можем вычислить скорость этого перехода достаточно простым способом. Однако полученный результат крайне чувствителен к входным параметрам, которые мы знаем не слишком хорошо. Чтобы сделать это предсказание точным, нам необходима полная теория состояния вакуума Вселенной. И хотя такое теоретическое понимание должно в конечном итоге стать следствием решения проблемы космологической постоянной, в настоящее время его у нас нет. Пока что мы можем лишь наложить ограничения на возможные варианты этого пугающего, но захватывающего будущего события.
Ясно, что время, предшествующее туннелированию, должно быть настолько долгим, чтобы Вселенная не распалась к настоящей эпохе. Мы можем быть в достаточной степени уверены, что в текущую эпоху образования ядер в видимой части Вселенной не происходило. Время, которое потребуется для этого фазового перехода, вполне может превышать возраст нашей Вселенной, равный десяти миллиардам лет. Однако в будущем Вселенная может пережить фазовый переход и протуннелировать в состояние вакуума с более низкой энергией почти в любое время: может, завтра, а может, и через десять тысяч космологических декад.
Что же в действительности случается, когда и если происходит это самое туннелирование? В данной точке пространства микроскопическая область самопроизвольно переходит в новое состояние вакуума с более низкой энергией. Когда начинается фазовый переход, в фоновом море фальшивого вакуума образуются и начинают разрастаться микроскопические пузырьки состояния истинного вакуума. Этот процесс во многом напоминает рост кристаллов льда в воде, охлажденной ниже точки замерзания. Кристаллы льда начинают расти в какой-то определенной, но обычно произвольной точке и только потом увеличиваются. Ледяная область расширяется по мере того, как наступающий фронт по ходу своего движения превращает жидкую воду в твердый лед. Пузырек нового состояния вакуума разрастается аналогичным образом и переводит фоновую Вселенную из старого состояния вакуума в новую фазу с новым состоянием вакуума.
Космологический фазовый переход происходит быстро, потому что стенки пузыря имеют чрезвычайно большое ускорение. При взгляде с больших расстояний кажется, что пузыри расширяются почти со скоростью света, практически сразу после своего образования. Когда расширяется внешняя стенка пузыря, она сметает области старой Вселенной и оставляет после себя области новой Вселенной. Пузыри растут до тех пор, пока не встретятся друг с другом, после чего они сталкиваются, завершая фазовый переход. Таким образом, старая Вселенная превращается в новую Вселенную с новым состоянием вакуума (см. рис. 24).
Рис. 24. Здесь изображен космологический фазовый переход в действии. В фоновом море старого состояния вакуума образовались пузырьки нового состояния вакуума (затемненные области). Эти пузырьки со временем растут, пока не встретятся друг с другом, завершая фазовый переход
Внутри пузыря, в области с новым состоянием вакуума, характер Вселенной изменяется практически полностью. По завершении фазового перехода изменяются физические законы Вселенной, в том числе и значения физических постоянных. В новом состоянии вакуума фундаментальные частицы имеют совсем другие массы, а константы взаимодействия, определяющие силы природы, — совсем другие значения. Вселенная в том виде, в каком знаем ее мы, просто прекращает свое существование.
Любые живые существа, захваченные фазовым переходом, погибли бы мгновенно. Они тут же утратили бы способность к выполнению своих обычных биологических функций или даже к простой химической активности. Из-за быстрого расширения пузырей, происходящего почти со скоростью света, любые наблюдатели, присутствующие при этом монументальном событии, не получили бы абсолютно никакого предупреждения о его приближении. Поскольку ни одно транспортное средство не способно передвигаться быстрее скорости света, никакие предварительные сигналы не смогли бы предупредить о грядущем разрушении. Короче говоря, увидеть приближение этого перехода невозможно.
С момента прибытия волнового фронта пузыря время, необходимое для перехода из старого состояния вакуума в новое, равно крошечной доле секунды: где-то от 10 -10до 10 -30секунды. Этот микроскопический промежуток времени значительно короче времени отклика нейрона в мозге человека. Таким образом, этот переход слишком внезапен, чтобы люди могли его ощутить. Согласно дайсоновской гипотезе соответствия масштабов у гипотетических форм жизни отдаленного будущего скорости мышления должны замедлиться из-за падения температуры. Будущие формы жизни, скорее всего, будут функционировать при более низких температурах, чем люди, поэтому время отклика у них должно быть еще длиннее. Любые существа, наблюдающие этот космический фазовый переход, буквально так и не узнали бы, что это за напасть.
Природа Вселенной и законы физики заметно отличаются до и после этого фазового перехода, или, что эквивалентно, снаружи и внутри растущих пузырей. Точная природа новой Вселенной находится в критической зависимости от нового состояния вакуума. В частности, различен вклад космологической постоянной до и после фазового перехода. Новый вид принимает и теория гравитации.
Наиболее оптимистичный сценарий имеет место, если космологическая постоянная в настоящее время положительна и Вселенная туннелирует в новое состояние, где энергия вакуума равна точно нулю. В этом счастливом случае новая Вселенная с новыми физическими законами имеет шанс развить новые зачатки сложности и, быть может, даже жизни. Перед такой возрожденной Вселенной раскрываются многочисленные и разнообразные, практически ничем не ограниченные, возможности.
С другой стороны, если космологическая постоянная сегодняшней Вселенной уже равна почти точно нулю, а новое состояние вакуума Вселенной имеет отрицательное значение, то происходит куда более серьезный апокалипсис. В этом зловещем случае пространство-время новой фазы — области внутри растущих пузырей — является гравитационно-неустойчивым. Внутренняя область каждого пузыря переживает воистину катастрофический гравитационный коллапс. Плотность и температура внутреннего вещества безгранично возрастают. Таким образом, пузырь переживает миниатюрную версию Большого сжатия — сценария гибели Вселенной, описанного в следующей главе. Пузыри сжимаются, погибая в пламени, всего за несколько микросекунд или и того меньше — слишком короткий промежуток времени для возникновения биологической эволюции или хотя бы более скромных зачатков сложности. Так что такой вариант фазового перехода интересен с пиротехнической точки зрения, но практически полностью лишает надежды на будущую жизнь.