Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

Второе наблюдение состоит в том, что инфляционная космология не является отдельной теорией. Скорее это некий космологический каркас, выстроенный вокруг понимания, что гравитация может быть отталкивающей и, следовательно, может привести к раздуванию пространства. Точные детали раздувания — когда оно произошло, как долго оно длилось, какова была отталкивающая сила, во сколько раз Вселенная увеличилась во время раздувания, каково количество энергии, которое инфляция вложила в обычную материю, когда раздувание подошло к концу и т. д. — зависят от деталей, которые в настоящее время находятся за пределами наших способностей определить их только из теории; больше всего они зависят от таких деталей, как размер и форма чаши потенциальной энергии поля инфлатона. Поэтому многие годы физики изучали разные возможности — различные формы потенциальной энергии, различное количество полей инфлатона, работающих в тандеме, и т. д. — и определяли, какие параметры дают лучшее соответствие теорий с астрономическими наблюдениями. Важно то, что имеются разделы инфляционных космологических теорий, которые не зависят от деталей и поэтому являются общими, по существу, для любой реализации. Само раздувание, по определению, является одним из таких свойств, и потому любая инфляционная модель приходит к взрыву. Но имеются и другие свойства, присущие всем инфляционным моделям, которые жизненно важны, поскольку решают проблемы, заведшие в тупик стандартную космологию Большого взрыва.

Инфляция и проблема горизонта

Одна из таких проблем называется проблемой горизонта и заключается в однородности микроволнового фонового излучения, о котором мы говорили ранее. Напомним, что температура микроволнового излучения, приходящего к нам с любого выбранного направления в пространстве, согласуется с температурой излучения, приходящего с любого другого направления, с чрезвычайной точностью (до тысячной доли градуса). Этот наблюдательный факт является ключевым, поскольку он подтверждает однородность всего пространства, допуская гигантские упрощения в теоретических моделях космоса. В предыдущих главах мы использовали эту однородность, чтобы существенно снизить количество возможных форм пространства и чтобы обосновать существование однородного космического времени. Проблема возникает, когда мы пытаемся объяснить, почему Вселенная стала такой однородной. Как получилось, что страшно удалённые области Вселенной так подстроились друг к другу, что стали иметь почти одинаковую температуру?

Если вы вспомните главу 4, то одна из возможностей заключается в том, что точно так же, как нелокальное квантовое запутывание может коррелировать спины двух далеко разнесённых частиц, оно может коррелировать также и температуры двух далеко разнесённых областей пространства. Хотя это интересное предположение, но, как обсуждалось в конце главы 4, колоссальное размывание запутывания во всех ситуациях, кроме наиболее контролируемых, совершенно исключает такую возможность. Но, может быть, имеется более простое объяснение. Может быть, давным-давно, когда все области пространства были ближе друг к другу, их температуры выравнялись благодаря их тесному контакту, примерно так, как нагретая кухня и холодная жилая комната сравниваются температурой, когда дверь между ними на время открыта. Однако в стандартной теории Большого взрыва это объяснение также не проходит. Приведём другую возможность, о которой стоит подумать.

Представьте, что вы просматриваете фильм, который показывает всю космическую эволюцию от начала до сегодняшнего дня. Остановите плёнку на некотором произвольном моменте и спросите себя: могут ли две различные области пространства, вроде кухни и жилой комнаты, влиять на температуру друг друга? Могут ли они обменяться светом и теплом? Ответ зависит от двух вещей: от расстояния между областями и от времени, прошедшего с момента взрыва. Если расстояние между ними меньше, чем путь, который может проделать свет за время с момента Взрыва, то области могут повлиять друг на друга; в противном случае не могут. Тогда вы можете подумать, что все области наблюдаемой Вселенной могли провзаимодействовать друг с другом где-то вблизи начала Вселенной, поскольку чем дальше мы отматываем плёнку назад, тем ближе становятся области и поэтому им легче взаимодействовать. Но это рассуждение слишком поспешно; оно не учитывает тот факт, что не только области пространства были ближе друг к другу, но у них также было меньше времени, чтобы осуществить связь.

Чтобы провести правильный анализ, представьте фильм о космической эволюции, прокручивающийся в обратном направлении, при этом сосредоточьтесь на двух областях пространства, находящихся в настоящее время на противоположных сторонах наблюдаемой Вселенной, — на областях настолько удалённых, что они в настоящее время находятся вне сферы влияния друг на друга. Если для уменьшения расстояния между ними вдвое мы отмотаем космическую плёнку более чем наполовину назад, тогда, хотя области пространства и стали ближе друг к другу, взаимодействие между ними всё равно невозможно: они оказались разделены расстоянием, вдвое меньшим чем сегодня, но и времени с момента Взрыва прошло меньше, чем половина от сегодняшнего, так что свет смог бы пролететь только меньше половины нужного расстояния. Аналогично, если из этой точки на плёнке мы снова переместимся более чем наполовину назад к началу, чтобы ещё раз вдвое уменьшить расстояние между областями, сообщение между ними снова станет ещё более сложным. При таком характере космической эволюции, хотя области и были ближе друг к другу в прошлом, становится всё более загадочным, как они сумели выровнять температуры. По отношению к тому, как далеко может пройти свет, эти области становятся всё более недоступными друг для друга, по мере того как мы рассматриваем их все во всё более ранние моменты времени.

Это в точности то, что происходит в стандартной теории Большого взрыва. В ней гравитация действует только как притягивающая сила, так что с самого начала она замедляет расширение пространства. Если что-либо замедляется, ему требуется больше времени, чтобы покрыть заданное расстояние. Например, представьте, что скакун Секретариат[201] стартовал стремительной иноходью и покрыл первую половину скаковой дистанции за две минуты, но, поскольку сегодня не его лучший день, он заметно сдал на второй половине и затратил на неё три минуты, чтобы добраться до финиша. При просмотре плёнки скачек в обратном направлении нам придётся отмотать плёнку более чем на половину её длины назад, чтобы увидеть, как Секретариат пересекает отметку половины дистанции (нам придётся передвинуться по всей пятиминутной плёнке назад к двухминутной отметке). Аналогично, поскольку в стандартной теории Большого взрыва гравитация замедляет расширение пространства, то из любой точки на космической плёнке нам придётся отмотать больше чем половину времени назад, чтобы уменьшить наполовину расстояние между двумя областями. И, как говорилось выше, это означает, что хотя области пространства и были ближе друг к другу в более ранние времена, но для них было более трудно — а не менее — оказать друг на друга влияние, и потому ещё более непонятно — а не менее, — что они как-то смогли уравнять температуру.

Физики определяют космический горизонт области (или, для краткости, горизонт) как наиболее удалённые от области точки пространства, которые достаточно близки к данной области в том смысле, что они могут обмениваться с областью световыми сигналами за время, прошедшее с момента взрыва. Имеется аналогия с самыми удалёнными предметами, которые мы можем видеть на земной поверхности из некоторой определённой точки наблюдения.{202} Тогда проблема горизонта заключается в том загадочном факте, что, как следует из наблюдений, области, горизонты которых всегда были разделены, — области, которые никогда не могли взаимодействовать, связываться друг с другом или любым способом оказывать друг на друга влияние, — каким-то образом имеют почти одинаковую температуру.

Проблема горизонта не означает, что стандартная модель Большого взрыва неверна, но она настоятельно требует объяснения. Инфляционная космология его даёт.

В инфляционной космологии имелось краткое мгновение, во время которого гравитация была отталкивающей, и это заставляло пространство расширяться всё быстрее и быстрее. Во время этой части фильма вам пришлось бы отмотать плёнку менее чем наполовину длины назад, чтобы вдвое уменьшить расстояние между областями. Представьте себе такой забег, в котором Секретариат покрыл первую половину дистанции за две минуты, а затем, поскольку это был главный забег его жизни, ускорился и промчался вторую половину всего за одну минуту. Вам придётся перемотать трёхминутную плёнку только к двухминутной отметке — менее чем наполовину назад, — чтобы увидеть его пересекающим отметку половины дистанции. Аналогично, ускоряющийся темп разделения любых двух областей пространства во время инфляционного расширения означает, что для уменьшения расстояния между ними вдвое потребуется отмотать космическую плёнку меньше — намного меньше, — чем на половину времени назад к началу. Следовательно, по мере того как мы двигаемся всё дальше назад во времени, для любых двух областей пространства становится всё легче оказать влияние друг на друга, поскольку имеется всё больше времени для их взаимодействия. Расчёты показывают, что если фаза инфляционного расширения заставила пространство расшириться как минимум в 1030 раз (а это то число, которое легко получается в частных реализациях инфляционного сценария), все области пространства, которые мы видим в настоящее время, — все области пространства, температуры которых мы можем измерить, — могли взаимодействовать так же легко, как кухня и смежная жилая комната, и поэтому легко достигли одинаковой температуры в самые ранние моменты истории Вселенной.{203} Иными словами, в самом начале пространство расширялось достаточно медленно, чтобы на большом пространстве установилась однородная температура, а затем в ходе интенсивного взрыва и всё более быстрого расширения Вселенная, начав с вялого старта, далеко разнесла близкие области с одинаковой температурой.