Вселенная. Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

«Минуточку! — возразите вы. — У нас было почти 14 миллиардов лет! За такое время перемешается все что угодно!» Это так, но вы забыли об одной детали. Свет, попадающий на Северный полюс, и свет, попадающий на Южный полюс, исходят из участков пространства, крайне далеких друг от друга.

Предвидим следующее возражение: «В первые моменты после Большого взрыва все было очень близко друг от друга! И температуры в двух этих точках наверняка успели выровняться еще тогда! Или нет?»[118]

Нет — хотя ход вашей мысли нам нравится. Да, эти участки тогда были очень близки, однако Вселенная была так юна. И ее юность пересилила размеры. Мы понимаем, что интуитивно вам хочется просто предположить, будто температура «на старте» везде была одинаковой, но ведь это только потому, что вы привыкли, что любым событиям что-то предшествует, вот в чем дело. Большой взрыв — это вселенская отправная точка, поэтому попросту нет никаких причин для того, чтобы в самом начале все было однородно, а вы считаете, что Вселенная когда-то была маленьким шариком. Как мы видели в главе 6, расширение Вселенной идет по другому сценарию. В любое время после нуля все точки во Вселенной находились на каком-то расстоянии друг от друга.

Если пробиться сквозь вычисления, окажется, что время на перемешивание было лишь у тех участков неба, которые разделены углом примерно в один градус — около двух диаметров полной Луны. Поскольку большая часть Вселенной никогда не контактировала с остальной Вселенной, почему все выглядит примерно одинаково, куда ни посмотри? Почему галактики в Северном небесном полушарии такие же, как галактики в Южном?

Тайна № 2. Проблема плоского мира

В главе 6 мы столкнулись еще с одной большой загадкой, когда говорили о «форме» Вселенной. Мы отметили два факта.

1. Судьбу и форму Вселенной определяет критическая плотность. Если сложить все, что составляет массу и энергию, — то есть темную материю, темную энергию, барионы и фотоны, — а затем разделить это на критическую плотность, то мы обнаружим, что отношение реальной плотности к критической — ΩTOT — составляет 100 % или по крайней мере настолько близка к 100 %, насколько мы можем измерить. Это означает, что Вселенная плоская.

2. Если бы ΩTOT хоть немного отличалась от 100 %, то по мере развития Вселенной плотность либо возрастала бы очень быстро и в конце концов пришла бы к коллапсу (если бы ΩTOT была больше 100 %), либо сокращалась бы (если бы она была меньше 100 %). Для наглядности: если ΩTOT через одну секунду п. Б. в. равнялась 99,9999 %, сегодня она составляла бы меньше одной миллиардной процента.

Итак, мы подошли ко второй тайне: почему Вселенная плоская, если, по всем нашим данным, она совершенно не обязана быть именно такой?

Решение всех проблем.Теория инфляции

В начале 1980-х годов многие исследователи пытались разобраться с этими вопросами, а также с вопросом о том, когда и как объединялись сильное и электрослабое взаимодействия. Физики надеялись, что чем выше энергии, тем больше похожи друг на друга все силы. Мы уже почти сумели достичь в наших ускорителях энергий, необходимых для унификации электромагнетизма и слабого взаимодействия, но еще не можем добыть никаких экспериментальных данных об объединении электрослабого и сильного взаимодействий. Даже БАК — самый мощный ускоритель, имеющийся в нашем распоряжении, — чтобы доказать великую теорию унификации, должен был бы вырабатывать энергии в триллионы раз больше предела своих нынешних возможностей.

Однако делать умозаключения нам никто не мешает. Примерно в 10-35 секунд п. Б. в.[119] энергии во Вселенной были настолько высоки, что все три силы, кроме гравитации, могли бы быть унифицированы, а вакуум обладал еще более высокой энергией, чем в период унификаций электромагнетизма слабого взаимодействия. Температуры, о которых мы говорим, настолько абсурдно высоки, что кажется, будто их выдумали: примерно 1027 градусов Цельсия. Поскольку для великой теории унификации (ВТУ) у нас нет ни единой модели, никаких подробностей мы не знаем, но если это было что-то похожее на конец эпохи электрослабого взаимодействия, то когда кончилась эпоха великой унификации, произошло нечто странное.

В 1981 году Алан Гус, который тогда работал в Стэнфорде, предположил, что это «нечто странное» называлось космической инфляцией, и на первый взгляд это казалось какой-то ерундой. Вскоре после того, как сильное взаимодействие откололось от электрослабого, Вселенная, согласно инфляционной модели, прошла период экспоненциального расширения — она увеличивалась в размере со скоростью примерно в 1040 раз за крошечную долю секунды.

Так выглядит базовая картина инфляции, однако теперь перед нами встает другая задача — объяснить, почему мы решили, будто эта модель развития ранней Вселенной жизнеспособна. Наверное, вам кажется, будто экспоненциальный рост — это полнейшая фантастика. А вот и нет. Не забывайте, что наша Вселенная экспоненциально растет даже сейчас, пока мы с вами беседуем. Дело в одной мелочи, о которой вы уже знаете, — в так называемой темной энергии.

Возможно, вам к тому же кажется, будто такое стремительное расширение нарушает принцип специальной относительности, ведь нельзя двигаться быстрее света, — но не волнуйтесь. Нас беспокоит только одно — как бы информация не распространялась быстрее скорости света. А пространство пусть себе расширяется, как считает нужным.

Представьте себе, что капитан Кровавая Борода и его команда пытаются сбыть часть своей неправедно нажитой добычи в торговом центре. Кровавая Борода знает, что в обычной обстановке ему нипочем не перегнать первого помощника мистера Уинкса, но выясняет, что если он бежит по эскалатору, то прямо-таки летит — он двигается так быстро, как мистеру Уинксу и не снилось. Представьте себе, как удивится капитан, когда увидит, что и мистер Уинкс тоже бежит по эскалатору — и легко и просто пробегает мимо него.

То же самое происходит и в расширяющейся Вселенной. Может показаться, будто частицы движутся «быстрее света», — а это просто Вселенная расширяется вместе с ними. Если бы вы были субатомной частицей в тогдашней Вселенной, вы бы все равно не сумели обогнать луч света. Во время инфляции это так же справедливо, как и во все другие времена.

Гораздо серьезнее вопрос о том, почему же началось это расширение. Идея состоит в том, что когда сильное взаимодействие отходит от двух других, оно вызывает во Вселенной так называемый фазовый переход. Можете считать это внезапным превращением — вроде того, которое происходит, когда вы нагреваете лед до температуры выше нуля по Цельсию и он тает. Кроме того, это очень похоже на перемены, которые происходят, когда расщепляются электромагнитное и слабое взаимодействия.

Согласно гипотезе Гуса, во время инфляции Вселенная была наполнена так называемым инфлятонным полем[120].

Во многих отношениях это похоже на поле Хиггса, которое сегодня контролирует массы и имеет отношение к электромагнитному и слабому полю. Поскольку инфлятонное поле расширяется в точности как темная энергия, у них много существенных общих качеств. Одно из самых важных — инфлятонное поле, расширяясь, не теряет плотности энергии. Это очень существенная составляющая уравнения, поскольку мы уже видели, что обычно большое расширение приводит к тому, что Вселенная сильно остывает, и тогда все в ней должно немедленно замерзнуть. Однако инфлятонное поле — это вроде гигантской батареи, и когда инфляция произошла, вся энергия высвобождается, и Вселенная снова разогревается. Все становится вкусное и поджаристое, будто ничего и не остывало.

Если вы по-прежнему сомневаетесь, мы не вправе вас упрекать. Однако мы вас заверяем, что не стали бы говорить об инфляции, если бы она не помогала объяснять те загадочные явления, которые мы наблюдаем во Вселенной. Помните проблему горизонта, когда мы не понимали, как же перемешались разные кусочки неба? Инфляция разрешает эту проблему очень просто. Хотя до инфляции прошло совсем мало времени, маленький участок Вселенной все равно успел уравновеситься до одной температуры, а затем этот маленький участок раздулся до таких исполинских размеров, что теперь он включает в себя объем всей наблюдаемой Вселенной.

Кроме того, инфляция объясняет проблему плоского мира. Тут все еще лучше соответствует интуиции и здравому смыслу. Представьте себе, что вы надуваете очень большой воздушный шарик. Даже хотя «на самом деле» воздушный шар — это сфера, для муравья, человека или галактики, которые сидят на его поверхности, поверхность кажется плоской. Иначе говоря, возможно, наша Вселенная и не совсем плоская, но если она и не совсем плоская, то очень близка к таковой.