Космический ландшафт - Леонард Сасскинд

В общем, я уже кое-что знал о космологии, когда Алан пришёл в SLAC. Хотя мы и были дружны, я не знал, что он тоже ею интересуется. То есть я не знал этого, пока он не провёл семинар о чём-то, что он назвал «инфляционной космологией». Думаю, что я был одним из двоих или троих слушателей, кто смог по-настоящему оценить эту идею.

Алан дал ответ на один из сложнейших вопросов: «Почему Вселенная настолько огромная и плоская и настолько однородная?» Чтобы понять, в чём сложность этого вопроса, вернёмся к реликтовому излучению и посмотрим на две различные точки на небе. В те времена, когда реликтовое излучение рождалось горячей плазмой, эти две точки находились на определённом расстоянии друг от друга. Фактически если на небесной сфере эти точки разделяет угловое расстояние в несколько градусов, то в момент рождения реликтового излучения физическое расстояние между ними было настолько большим, что ни свет, ни любой другой сигнал не мог дойти от одной точки до другой. Вселенная в то время насчитывала около полумиллиона лет, так что если точки разделяло расстояние более полумиллиона световых лет, вещество в одной точке не могло взаимодействовать с веществом в другой. Но если вещество в этих точках никогда не взаимодействовало, то что сделало эти два места так похожими одно на другое? Иными словами, каким образом Вселенная ухитрилась стать настолько однородной, чтобы интенсивность реликтового излучения была почти одинаковой во всех направлениях?

Чтобы прояснить это место, вернёмся к аналогии, представляющей Вселенную в виде надувающегося воздушного шарика. Представьте себе шарик в сдутом состоянии, сморщенный, как чернослив. По мере надувания шарика морщины начинают расправляться. Первыми расправляются мелкие морщины, затем более крупные. Для разглаживания морщины заданного размера необходимо определённое время, требуемое для того, чтобы разглаживающая её волна прошла расстояние, равное размеру морщины. В случае Вселенной это время, которое требуется свету, чтобы преодолеть расстояние, равное размеру разглаживаемой неоднородности.

Если в эпоху генерации реликтового излучения большие морщины не успевали разгладиться, то мы должны видеть их отпечатки на небесной сфере в виде неоднородностей реликтового фона. Но мы не видим никаких морщин на небе. Что же сделало Вселенную такой гладкой? Не скрывается ли за непрозрачной плазмой поверхности последнего рассеяния недоступная нашему взгляду длинная предыстория, в ходе которой были разглажены все морщины? Именно эту предысторию и описывает инфляционная теория.

Объяснение Аланом плоскости и гладкости ранней Вселенной оказалось очень простым (точно таким же, как и объяснение Старобинского). Вселенная была надута, как воздушный шарик, только это был не совсем обычный воздушный шарик. Обычный воздушный шарик, если его сильно надуть, лопнет. Вселенная Алана раздувалась экспоненциально и за очень короткое время стала невероятно огромной. Инфляционная стадия, образно выражаясь, предшествовала обычной космологии. К тому времени, как начался процесс, который мы называем Большим взрывом, Вселенная уже достигла невероятных размеров. И в процессе инфляционной стадии расширения все морщины и неоднородности разгладились настолько, что сделали Вселенную чрезвычайно гладкой.

Я знал, что эта идея очень хороша, но я даже не представлял, насколько она хороша. Я думаю, что даже Алан не догадывался, насколько она хороша. И уж конечно, никто не мог и предположить, что в течение последующих 25 лет инфляционная теория будет занимать центральное место в космологической «стандартной модели».

Чтобы понять механизм, ответственный за инфляционную стадию, следует разобраться, как ведёт себя Вселенная с положительной космологической постоянной. Вспомните, что положительная космологическая постоянная ответственна за появление отталкивающей силы, пропорциональной расстоянию. Эта сила заставляет галактики разбегаться друг от друга, а это происходит, только если шар, на котором они нарисованы, – то есть само пространство, – раздувается.

Энергия вакуума, или, что то же самое, масса вакуума, имеет необычные свойства. Плотность обычного вещества, такого, из которого состоят галактики, уменьшается по мере расширения Вселенной. Средняя плотность обычного вещества во Вселенной составляет примерно один протон на кубический метр. Предположим, что через какое-то количество миллиардов лет радиус Вселенной удвоился, в то время как общее количество протонов в ней не изменилось. В этом случае средняя плотность вещества во Вселенной уменьшится в восемь раз. Если удвоить радиус Вселенной ещё раз, то среднее число протонов в кубическом метре уменьшится ещё в восемь раз и составит 1/64 от современной величины. То же самое верно и в отношении тёмной материи.

Но энергия вакуума ведёт себя совершенно по-другому. Она является свойством пустого пространства, и когда пустое пространство расширяется, оно остаётся всё тем же пустым пространством, и плотность энергии вакуума в нём не изменяется. Независимо от того, сколько раз вы удвоите размер Вселенной, плотность энергии вакуума останется той же самой и создаваемая ею сила отталкивания не уменьшится!

Обычная материя, напротив, редеет и в конце концов перестаёт оказывать сколько-нибудь заметный эффект на замедление расширения. На определённом этапе расширения плотность всех видов энергии будет ничтожно мала, за исключением плотности энергии вакуума. Когда это произойдёт, не останется ничего, что могло бы противодействовать отталкивающей силе энергии вакуума, и Вселенная будет расширяться экспоненциально. Если бы космологическая постоянная была достаточно велика, чтобы удвоить размер Вселенной за одну секунду (сейчас это не так), через две секунды Вселенная стала бы уже вчетверо больше, через три секунды – в восемь раз больше, через четыре – в 16 раз, через пять – в 32 раза и т. д. Предметы, находившиеся рядом с нами, будут подобно ракетам разлетаться во все стороны со скоростью, во много раз превышающей скорость света.

Реальная Вселенная сейчас находится на самой ранней стадии такого экспоненциального расширения. Но это не должно слишком сильно вас беспокоить, потому что величина космологической постоянной такова, что размер Вселенной удвоится лишь в течение десятков миллиардов лет. Но представьте себе, что по неизвестной причине в очень ранней Вселенной космологическая постоянная была намного больше, чем сегодня, возможно, на сотню порядков. Это может выглядеть странным мысленным экспериментом, но вспомните, насколько трудно было понять, почему сегодня космологическая постоянная так смехотворно мала. А если сделать её на 100 порядков больше, то она приобретёт, по крайней мере с позиции физиков-теоретиков, своё нормальное значение.

Если космологическая постоянная в те доисторические времена была так велика, она должна была привести к тому, что размеры Вселенной удваивались за ничтожную долю секунды, а за одну секунду Вселенная должна была увеличиться от размеров протона до размеров, во много раз превышающих наблюдаемую ныне часть Вселенной. Это и есть та инфляция, которую описали Старобинский и Гут.

Читатель может задаться вопросом, на каком основании я столь лицемерно позволяю себе говорить о различных космологических постоянных в начале и в конце истории Вселенной, то есть в инфляционную эпоху и в нынешнюю. В конце концов, разве постоянная не должна быть постоянной? Давайте остановимся и вспомним о ландшафте. Космологическая постоянная в данном месте ландшафта является не чем иным, как высотой местности. Один рисунок фрагмента ландшафта объяснит это красноречивее тысячи слов.[57] На этом рисунке приведена очень упрощённая модель ландшафта, похожего на тот, что существует в нашей ближайшей окрестности. Маленький шарик представляет Вселенную, которая катится в поисках долины, где энергия вакуума является минимальной.

Относительно широкое и высокое плато, оканчивающееся глубокой долиной почти нулевой высоты (где и начинается инфляция Гута), представляет неизвестное нам прошлое Вселенной, которая изображена в виде шарика. Как Вселенная оказалась на этом плато – отдельный вопрос. Плато очень пологое, поэтому первоначально Вселенная катится по нему очень медленно. Пока Вселенная остаётся на плато, плотность энергии вакуума (высота плато) остаётся практически неизменной. Иначе говоря, высоту можно рассматривать в качестве космологической постоянной.

Уверен, вы уже догадались, что по мере движения по плато Вселенная расширяется, поскольку энергия вакуума велика и положительна. Если плато достаточно плоское и Вселенная катится по нему медленно, она удвоит свои размеры много раз, прежде чем скатится вниз в долину. Это и есть эпоха инфляционного расширения, только в более современной форме, чем впервые описанная Старобинским и Гутом. Если Вселенная удвоит свои размеры сто или более раз на протяжении этой стадии, то она вырастет до таких неимоверных масштабов, что будет всюду гладкой и однородной, как того и требуют данные наблюдений реликтового излучения.