Сергей Минаков - Таинственные явления природы и Вселенной

С другой стороны, согласно ОТО, что угодно, обладающее энергией (а это значит, по формуле Е = mc 2, и массой), вносит вклад в гравитацию. Однако энергия вакуума оказывается «гравитацией навыворот»: она дает отрицательный вклад в гравитацию. Иными словами, по отношению к гравитации это гравитационное отталкивание.

Тут Эйнштейн получал то, что ему было нужно: антигравитация, создаваемая энергией вакуума, оказывается намного больше, чем «схлопывающая» энергия его натяжения, и может уравновесить гравитационное стремление масс друг к другу. Этот баланс и дает в итоге стационарную Вселенную.

Но энергосодержащая пустота — это то, что нужно также и для инфляции! В самом деле, если Вселенная очень ранняя, в ней нет еще ничего, никаких частиц, полей, никаких масс. Есть только вакуум и его гравитационное отталкивание. Тогда пространство в один миг чудовищно раздувается и Вселенная из очень-очень маленькой станет очень, очень большой!

Темп такого расширения остается постоянным (так как плотность энергии вакуума — величина постоянная). По смыслу эта величина очень похожа на процентный годовой рост цен — на то, что называется инфляцией. Аналогично, постоянный темп расширения Вселенной означает, что есть постоянное время, за которое размер Вселенной увеличивается вдвое. Рост, который характеризуется постоянным временем удвоения, называют экспоненциальным. Он очень быстро приводит к гигантским числам. Скажем, если упаковка зубочисток сегодня стоит 1 грн, то через 10 интервалов удвоения ее цена будет 1024 грн, а через 330 циклов — 10100 грн, гугол гривен!

10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Это — гугол. Как видите, его довольно трудно написать. Еще труднее писать его всякий раз, когда этого требует космология. Но дело не только в этом. Дело в том, что гугол — колоссальное число! Попробуем взять любую совокупность, любое знакомое нам множество предметов, и сопоставим с гуголом. Заметьте, совокупности можно брать, какие заблагорассудится — разрешено все, что только ни придет на ум, самые большие множества, которые мы знаем. Вот число песчинок на всех-всех пляжах мира. Его можно оценить как 1023. Нужно что-нибудь «помногочисленней». С давних времен мерой неисчислимости было число звезд на небе — как насчет этого? В нашей галактике где-то 100 млрд звезд. Это 1011 — очень мало по сравнению с гуголом! Хорошо. Видимая область Вселенной вплоть до горизонта содержит «всего-навсего» 1022 звезд. Идем дальше. Количество всех частиц в известной нам части Вселенной (а большего количества реальных объектов в ней просто не существует), согласно некоторым предположениям, составляет от 1079 до 1081. Все равно до гугола не дотягивает!

Время удвоения для Вселенной, заполненной ложным вакуумом, невероятно короткое. И чем выше энергия вакуума, тем оно короче. В случае электрослабого вакуума Вселенная расширится в гугол раз за 0,333 × 10–5 с (одна тридцатая микросекунды), а в случае вакуума Великого объединения это случится в 1026 раз быстрее.

Поскольку ложный вакуум нестабилен, он в конце концов распадается, и его энергия зажигает огненный шар из частиц. Это событие обозначает конец инфляции и начало классической космологической эволюции. Тем самым, из крошечного исходного зернышка мы получаем горячую расширяющуюся Вселенную громадных размеров.

А в качестве бонуса в инфляционном сценарии удивительным образом исчезают проблемы горизонта и плоской геометрии, характерные для классической космологии!

Во Вселенной с ложным вакуумом гравитация отталкивающая. Вместо того чтобы замедлять расширение, она очень сильно ускоряет его. А если расширение ускоряющееся, то те области, которые сейчас абсолютно не связаны, вначале могли взаимодействовать и, следовательно, могли быть равными по температуре и плотности. Проблемы горизонта просто не возникает!

Проблема плоского пространства разрешается столь же легко. Поскольку инфляция увеличивает Вселенную в колоссальное число раз, нам видна лишь крошечная ее часть. Эта наблюдаемая область выглядит плоской подобно Земле, которая тоже кажется плоской, если стоять на ее поверхности. Но это совсем не значит, что пространство всегда было плоским. Как раз наоборот!

Итак, короткий период инфляции делает Вселенную большой, горячей, однородной и плоской, создавая как раз такие начальные условия, которые требуются для классической или, как говорят ученые, стандартной космологии Большого взрыва. Правда, для того, чтобы инфляционная теория работала, нужен специальный тип ложного вакуума, и он должен распадаться особым образом. В противном случае инфляционное раздувание Вселенной никогда не могло бы закончиться. Эта проблема даже получила в кругах специалистов собственное имя: проблема изящного выхода. Но она была с успехом решена в 1982 году «универсальным солдатом» современной космологии Андреем Линде, который тогда еще работал в Москве, а не в Стэнфорде. Так инфляционная стадия заняла свое незаменимое и почетное место в летописи эволюции Вселенной.

Но и это еще не все! В стандартной модели понятия Большого взрыва и сингулярности означали, по существу, одно и то же. Теперь, с учетом инфляционной стадии, их можно терминологически строго различать. Под Большим взрывом теперь можно понимать просто саму инфляционную стадию; это действительно похоже на колоссальный взрыв: Вселенная молниеносно и очень-очень сильно увеличивается в размерах по отношению к начальному сверхплотному вакуумоподобному состоянию, затем вакуум распадается, и она становится очень горячей. Большой взрыв перестает быть таинственным, хотя не становится от этого менее удивительным и поражающим воображение событием. Что же касается космологической сингулярности — «нулевого» момента времени, когда пространство стягивается в точку, когда плотность энергии стремится к бесконечности и перестают работать законы физики этого мира, — ее тайна так и остается неразгаданной.

2520 — самое маленькое число, которое можно делить без остатка на любое число от 1 до 10.

До сих пор мы предполагали, что начальной точкой инфляции была маленькая замкнутая Вселенная в состоянии ложного вакуума. Но почему бы не начать с небольшого кусочка ложного вакуума в бесконечной Вселенной? Такое начало тоже приводит к инфляции. К инфляции, которая порождает удивительную картину Вселенной. Как говорится, ни в сказке сказать!

Ложный вакуум имеет огромное натяжение, которое вызывает его отталкивающую гравитацию. Если он заполняет все пространство, то натяжение повсюду одинаково и нет никаких физических проявлений, кроме гравитационных. Но если ложный вакуум окружен истинным вакуумом? Тогда натяжение внутри больше не уравновешивается никакой внешней силой и заставляет кусочек ложного вакуума сжиматься. Можно подумать, что натяжению противостоит отталкивающая гравитация, но на самом деле это не так.