За горизонтом размерности

о возникновении Вселенной как фазовом переходе.

Современная космология достигла впечатляющей точности в описании эволюции мира - начиная с первых минут его существования. Реликтовое излучение, крупномасштабная структура и ускоренное расширение, управляемое тёмной энергией, укладываются в стройную стандартную модель. Однако несколько фундаментальных вопросов остаются без убедительных ответов. Почему Вселенная в больших масштабах столь однородна и геометрически плоска? Отчего области, никогда не находившиеся в причинном контакте, имеют практически одинаковую температуру? И, наконец, что послужило толчком к "Большому взрыву", избежав фатальной сингулярности, в которой перестают работать известные законы физики? Может быть всё-таки происходило "Большое схлопывание" континуума более высокой размерности?

В последние годы к этим загадкам прибавилась ещё одна, подброшенная космическим телескопом имени Джеймса Уэбба. На красных смещениях, соответствующих возрасту Вселенной менее семисот миллионов лет, обнаружены галактики, в центрах которых уже присутствуют сверхмассивные чёрные дыры с массами в десятки и сотни миллионов солнечных. Стандартные сценарии их постепенного роста из звёздных остатков сталкиваются с острой нехваткой времени для поглощения материи даже с учётом сверхэддингтоновского предела. Прямой коллапс первичного газа или гипотетические первичные чёрные дыры предлагают частные решения, но единой картины, связывающей эти трудности с проблемами рождения самой Вселенной, пока не существует.

Попытаемся очертить контуры качественного сценария, который позволит взглянуть на все перечисленные трудности как на грани одного явления. В его основе лежит представление о динамической компактификации — процессе, в ходе которого пространство-время высокой размерности теряет часть своих измерений, сворачивающихся до микроскопических масштабов. Если этот переход носил характер фазового перехода, то его фронт мог одновременно послужить "двигателем" инфляционного расширения, избавить космологию от начальной сингулярности и естественно вписать в молодую Вселенную объекты, существовавшие ещё в предшествовавшем многомерном континууме.

Идея дополнительных пространственных измерений имеет долгую историю. Ещё в начале прошлого века Калуца и Клейн показали, что если к нашему четырёхмерному миру добавить одно замкнутое измерение, уравнения гравитации замечательным образом воспроизводят электромагнетизм. Современная теория струн требует уже шести или семи скрытых измерений, компактифицированных до планковских длин. Обычно компактификацию мыслят как статическое свойство вакуума — измерения просто «свёрнуты» и не проявляются в макроскопических масштабах. Но что, если сворачивание явилось результатом космологического события, определившего облик доступной нам Вселенной?

Представим высшее пространство-время, в котором все координаты изначально равноправны и имеют макроскопическую протяжённость. В какой-то момент в нём, подобно кристаллизации переохлаждённой жидкости, начинает развиваться фазовый переход: одна или несколько пространственных координат приобретают тенденцию схлопываться. Область нового «вакуума» с компактифицированными измерениями изменяется, отделяясь от исходного многомерного объёма движущейся доменной стенкой. Для внутреннего наблюдателя, чьё существование возможно лишь внутри этой стенки или позади неё, рождение привычного трёхмерного пространства предстаёт как Большой взрыв. Но именно в этом смысле Большой взрыв перестаёт быть сингулярным началом, превращаясь в границу между качественно разными состояниями праматерии.

Преимущество такого взгляда — возможность непротиворечиво соединить идею инфляции с отсутствием сингулярности. Хорошо известно, что для решения проблем горизонта и плоскости требуется краткая эпоха экспоненциально быстрого расширения. В стандартном подходе её организует гипотетическое скалярное поле — инфлатон, медленно скатывающийся по плато своего потенциала. В картине фазового перехода роль такого поля может играть само расстояние, отвечающее размеру дополнительных измерений (радион, или дилатон). Когда доменная стенка проходит сквозь многомерную среду, поле радиона перестраивается от больших значений к малым. Если потенциал этого поля устроен так, что на промежуточных стадиях доминирует энергия вакуумоподобного состояния, возникает отрицательное давление и, как следствие, стремительное раздувание трёхмерного объёма. Инфляция оказывается не специально привнесённым этапом, а естественным сопровождением фазового расслоения пространства-времени. Когда переход завершается, кинетическая энергия стенки и выделившаяся «скрытая теплота» переходят в излучение и вещество, давая начало горячей Вселенной.

Здесь важно подчеркнуть, что качественный сценарий ни в коем случае не опирается на наивное утверждение «быстрое схлопывание вызывает инфляцию». В корректной физической реализации фазовый переход первого рода может временно запереть поле радиона на плато потенциала, подобно тому как это происходит в моделях инфляции на ложном вакууме. Лишь после окончания туннелирования начинается собственно компактификация. Такое разделение стадий снимает противоречие, часто возникающее при смешивании кинетически-доминированного и потенциально-доминированного режимов.

Если рождение нашего мира определялась сверхсветовым фронтом компактификации, то у этого фронта имелась возможность «вобрать» в себя объекты, существовавшие в многомерном континууме до перехода. Там, в нередуцированном пространстве, гравитационные сгустки — высшие аналоги чёрных дыр — могли образовываться по своим законам и достигать внушительных масс задолго до того, как возникли привычные нам три измерения. Когда доменная стенка проходила сквозь такую область, гравитационно связанный объект не исчезал бесследно, а оказывался вложенным в образующуюся четырёхмерную Вселенную. С точки зрения внутреннего наблюдателя, в только что родившемся мире почти мгновенно появлялись массивные чёрные дыры.

Это умозрение удивительно удачно коррелирует с проблемой ранних сверхмассивных чёрных дыр. Если объекты с массами в сто миллионов солнц действительно унаследованы от предыдущей, многомерной стадии, то отпадает нужда искать механизмы сверхбыстрого аккреционного роста из крошечных зародышей. Такие чёрные дыры не выросли за неполный миллиард лет — они просто «переехали» из свернувшегося измерения. Более того, их массы могут быть систематически завышены относительно звёздного населения юных галактик именно потому, что чёрная дыра и галактика имеют принципиально разное происхождение: первая — реликт многомерного континуума, вторая — продукт обычной эволюции в новом вакууме. Наблюдательные данные «Уэбба» о так называемых «сверхмассивных» чёрных дырах (с отношением массы к звёздной массе галактики в десятки процентов) получают в этой схеме простое и элегантное объяснение.

Разумеется, предложенная концепция не изолирована от других смелых попыток нарисовать довзрывную космологию. Она перекликается с идеей Николая Поплавского, предположившего, что каждая чёрная дыра нашей Вселенной рождает внутри себя новую вселенную, где кручение пространства-времени предотвращает сингулярность и запускает инфляцию. Перекличка здесь — в отказе от абсолютного начала и в поиске предсуществовавшей среды. Различие же в том, что вместо внутренности чёрной дыры той же размерности мы обращаемся к динамике самих измерений. Не менее интересна параллель с экпиротическим сценарием, где Большой взрыв трактуется как столкновение двух трёхмерных бран, движущихся в пятимерном пространстве. Обе модели заменяют точечную сингулярность размазанным в пространстве и времени переходом. Предлагаемая же схема делает акцент на фазовом характере этого перехода и на возможности унаследовать объекты из предшествующей фазы, что напрямую связывает высшие размерности с актуальными наблюдательными загадками.

Конечно, всякое обращение к процессам, предшествовавшим компактификации, неизбежно сталкивается с гносеологической трудностью. Причинно-следственные взаимодействия в многомерном континууме до фазового превращения для нас принципиально скрыты — по сути, они являются «чайником Рассела» современной космологии. Мы не можем экспериментально проверить, существовали ли высшие чёрные дыры и как именно двигалась доменная стенка. Однако научная ценность гипотезы измеряется не только непосредственной проверяемостью каждого её элемента, но и способностью объединять разрозненные наблюдательные факты в единую логическую канву. Если сценарий фазового перехода с компактификацией даёт качественно согласованное объяснение одновременно и инфляции, и отсутствия сингулярности, и ранних сверхмассивных чёрных дыр - то он заслуживает места в арсенале идей, даже оставаясь умозрительным.

В завершение стоит отметить, что предлагаемая картина не требует изобретения экзотических сущностей сверх тех, что уже допускаются теоретической физикой. Дополнительные измерения — неотъемлемая часть струнных моделей. Фазовые переходы в ранней Вселенной обсуждаются в связи с объединением взаимодействий и генерацией барионной асимметрии. Доменные стенки и их динамика детально изучены в квантовой теории поля. Новизна заключается в сложении этих ингредиентов в единый сценарий, в котором рождение нашего трёхмерного пространства оказывается неизбежным следствием грандиозного "расслоения" многомерного континуума. Наблюдательные подсказки вроде негауссовости реликтового излучения или аномальной поляризации гравитационных волн могут в будущем дать косвенные указания на то, имел ли место подобный переход. Пока же перед нами — приглашение смотреть на космологические проблемы не как на изолированные трудности, а как на взаимосвязанные грани единого, ещё не разгаданного процесса. Именно так рождаются плодотворные гипотезы, даже если их прямая математическая формализация пока отстаёт от полёта интуиции.
Мне не известны работы, в которых систематически исследовалась бы связь между барионной асимметрией и дрейфом мировой линии в рамках компактификационной космологии, именно поэтому я рискну спроецировать высказанную выше гипотезу ещё на некоторые нерешённые проблемы физики.

Глобальный дрейф и асимметрия материи.

До сих пор мы говорили о макроскопических проявлениях фазового перехода: инфляции, исчезновении сингулярности и захвате сверхмассивных чёрных дыр. Но существует и микроскопическая загадка, без решения которой само наше существование было бы невозможно, — это наблюдаемое преобладание вещества над антивеществом. Стандартная космология вынуждена привлекать для её объяснения гипотетические процессы за рамками известной физики элементарных частиц. Между тем существует идея, высказанная ещё в середине двадцатого столетия, которая при моем скромном расширении и дополнении позволяет взглянуть на барионную асимметрию как на тень глобальной геометрии пространства-времени.

В 1940 году Джон Уилер в разговоре с Ричардом Фейнманом обронил поразительное предположение: что если все электроны и позитроны — это один и тот же электрон, бесчисленное множество раз пересекающий мировую линию Вселенной в прямом и обратном направлениях? Позитрон в этой картине есть не что иное, как электрон, движущийся вспять по временной координате. Загадка абсолютной идентичности всех электронов — их массы, заряда, магнитного момента — перестаёт быть загадкой: мы наблюдаем одну и ту же частицу в разных точках её невероятно запутанной траектории.

Оригинальная гипотеза в своей наивной формулировке предсказывает, однако, точную симметрию между прямыми и обратными пересечениями мирового среза, а значит, равное количество электронов и позитронов. Это резко контрастирует с наблюдаемой Вселенной, где на каждый миллиард реликтовых фотонов приходится лишь один протон и практически отсутствуют первичные антипротоны. Но достаточно допустить существование глобального дрейфа мировой линии — медленного систематического смещения, при котором каждый цикл «туда и обратно» не замыкается идеально, а сдвигается в пространстве, времени или фазовом параметре, — и симметрия элегантно разрушается. На заданном временном срезе прямых проходов окажется статистически больше, чем обратных. Наблюдатель зафиксирует избыток электронов над позитронами, вещества над антивеществом, хотя в глобальной четырёхмерной картине мировая линия остаётся единой и непрерывной.

Здесь кроется глубокая связь с гипотезой фазового перехода, которую мы развиваем. Если рождение привычного нам пространства-времени сопровождалось компактификацией дополнительных измерений, то геометрия многомерного континуума, предшествовавшего переходу, вовсе не обязана была быть идеально симметричной. Напротив, естественно предположить, что в исходном состоянии существовали глобальные потоки, градиенты или выделенные направления, отражавшие нетривиальную топологию целого. При схлопывании лишних координат эти глобальные свойства не исчезли бесследно — они «впечатались» в четырёхмерное пространство-время как наследуемые характеристики вакуума. Глобальный дрейф мировой линии электрона может быть именно таким отпечатком: не специально введённой величиной, а прямым следствием асимметричной геометрии, сопровождавшей Большое схлопывание.

Таким образом, барионная асимметрия перестаёт быть случайным динамическим эффектом, требующим экзотических полей и тонкой настройки их параметров. Она оказывается неизбежным геометрическим следствием самого акта рождения нашего мира. Фазовый переход, разделивший многомерный континуум на макроскопические и компактифицированные измерения, одновременно задал направление глобального дрейфа фундаментальных фермионов, а значит, и саму возможность появления вещества в достаточном количестве, чтобы образовались звёзды, планеты и наблюдатели.

Разумеется, это объяснение остаётся качественным. Мы не можем сегодня вычислить скорость дрейфа, исходя из первых принципов, и сопоставить её с наблюдаемой величиной барионной асимметрии порядка одной десятимиллиардной. Не можем мы и непосредственно зарегистрировать глобально выделенное направление — на доступных масштабах локальная лоренц-инвариантность подтверждается с огромной точностью. Однако любое наследие компактификации, нарушающее симметрию на космологических масштабах, вполне может быть ненаблюдаемым в лабораторных экспериментах, подобно тому как кривизна Земли неразличима в пределах небольшой комнаты. Напротив, поиск слабых анизотропий на пределе чувствительности аппаратуры — в крупномасштабной структуре, поляризации реликтового излучения, статистике космических лучей — может однажды дать косвенное указание на существование подобного дрейфа.

Важнее другое: расширенная одноэлектронная гипотеза в соединении с идеей фазового перехода позволяет выстроить удивительно целостную картину. На макроуровне компактификация объясняет, почему Вселенная однородна, плоска и лишена сингулярности в начале, а также откуда в ней так рано взялись сверхмассивные чёрные дыры. На микроуровне глобальный дрейф фундаментальной мировой линии объясняет, почему в этой Вселенной вообще существует вещество. Оба объяснения не требуют введения гипотетических сущностей, чуждых известной физике: дополнительные измерения, фазовые переходы и мировые линии — это элементы общепринятого теоретического арсенала. Новизна лишь в том, чтобы сложить их в единую мозаику, где прежде виделись разрозненные фрагменты.

В конечном счёте всякий рассказ о рождении мира неизбежно упирается в предел, за которым заканчиваются возможности прямой проверки и начинаются владения «чайника Рассела». Но научная гипотеза отличается от праздной фантазии не немедленной проверяемостью каждого своего звена, а способностью связывать независимые наблюдательные факты в логически связное целое, не противоречащее известным законам. Именно этим качеством обладает союз фазовой компактификации и глобального дрейфа: он рисует Вселенную, в которой и крупномасштабная структура, и само существование вещества оказываются естественным наследием великого схлопывания дополнительных измерений.