Роберт Сойер - Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы

Мы уже кое-что знаем о наблюдаемой вселенной и ее нынешнем экспоненциальном расширении. Этот вид бесконечного расширения соответствует доработанной версии общей теории относительности Эйнштейна, которую он представил в 1917 году, и, чтобы соответствовать этой теории, вселенная должна будет бесконечно экспоненциально расширяться в отдаленное будущее (рис. 1). Вам придется привыкнуть к мысли, что мне нравится иллюстрировать свои слова на графиках пространства-времени. Вот изображение вселенной на графике пространстве-времени. Время изображено движущимся вверх. Мы можем рассматривать пространство в любой момент времени как горизонтальное сечение. Конечно, я не могу изобразить на картинке все три пространственных измерения. Нам придется привыкнуть к кривой сечения на картинке пространства-времени, где горизонтальная плоскость обозначает трехмерное пространство в конкретный момент времени.

Рис. 1. Большой взрыв.

Вас может заинтересовать, зачем все эти рюшечки сзади. Я нарисовал их, чтобы остаться нейтральным в вопросе о том, открыта вселенная пространственно или закрыта, для моего доклада сейчас это неважно. По мере того, как мы поднимаем горизонтальную плоскость вверх по картинке, сечения пространства-времени показывают пространство в текущий момент времени. Вы видите, как вселенная расширяется и расширяется, и это последующее ускоренное расширение вверху – вывод, сделанный из наблюдений Брайана Шмидта за сверхновыми и из наблюдений другой группы во главе с Солом Перлмуттером. Меня это вполне устраивает, потому что это ускоренное расширение – прямое предсказание общей теории относительности Эйнштейна, которая содержит то, что называется космологической постоянной, величиной, обычно обозначаемой заглавной греческой буквой лямбда: Λ.

Эйнштейн ввел слагаемое Λ в 1917 году, но сделал это по причине, оказавшейся ошибочной (Эйнштейн в то время хотел получить решение в форме статической вселенной). Но он предложил идею Λ, и она описывает то, что космологи теперь называют «темной энергией» (на мой взгляд, это очень неудачный термин). Космологическая постоянная Эйнштейна обладает свойством экспоненциально расширять вселенную на поздних этапах ее эволюции, что соответствует тому типу экспоненциального расширения, который сейчас наблюдается.

Должен сказать, что есть один период в истории вселенной, на отсутствие которого на моем рисунке могут пожаловаться специалисты. Эта космическая инфляция, которая предположительно имела место на самых, самых начальных и очень кратких этапах существования вселенной и продолжалась до смешного короткую долю секунды. Причина, по которой я не показал ее на картинке, – на самом деле две причины, вторая в том, что я в нее не верю (как я поясню вскоре) – в том, что потребуется очень мощное увеличительное стекло, чтобы увидеть ее, поскольку весь этот процесс будет скрыт внутри маленькой черной точки, которой я обозначил Большой взрыв. Здесь мы видим экспоненциальное расширение, которое предположительно случилось в очень короткий отрезок времени существования вселенной – на так называемой инфляционной стадии, длившейся первую сто миллионную миллионную миллионную миллионную миллионную долю секунды (т. е. 10 32секунды) существования вселенной. Я должен обратить ваше внимание, что это был бы очень важный момент экспоненциального расширения в начальный период истории вселенной, и по своей форме он напоминал бы экспоненциальное расширение, которое мы наблюдаем сейчас, как показано на рисунке 1.

Я уже сказал, что не увлечен этой идеей и не верю в нее. Вы можете спросить, почему традиционные космологи рассматривают инфляционную фазу как важнейшую часть современной космологии. Есть несколько причин, некоторые значимые, некоторые, по моему мнению, не очень. Большинство причин, изначально выдвигавшихся, я оценивал как не очень значимые, и исходная идея об инфляции меня не обрадовала, когда я впервые услышал о ней. Я вскоре кое-что скажу об этом. Но у инфляции есть несколько важных свойств, из-за которых она нужна. Если вы не признаете инфляцию, вам придется придумать что-то другое, что могло бы сыграть роль инфляции в отношении этих полезных свойств. Так что я намерен заявить, что своего рода инфляция была, но она была не сразу после Большого взрыва, а до него.

Вам это может показаться безумным, но общая идея этого типа для меня не была новой, она выдвигалась несколькими годами ранее хорошо известным и очень заслуженным итальянским физиком по имени Габриэле Венециано. Его модель отличалась от моей, но у него была идея, что что-то происходило и до Большого взрыва и что на этой предыдущей стадии было нечто, выглядящее как инфляция с точки зрения людей, живущих после Большого взрыва. Поэтому когда мы рассматриваем эту очень раннюю вселенную, нам кажется, что мы видим эту вещь, обычно объясняемую экспоненциальным расширением, по нашим предположениям втиснутую в крошечный отрезок времени сразу после Большого взрыва, но может быть, вместо этого нечто случилось до Большого взрыва. Это возмутительное предположение, поскольку считается, что Большой взрыв представляет самое начало вселенной, и я к нему вернусь. Это будет важнейшая часть моего доклада.

Большая часть того, что я собираюсь сказать, будет вполне традиционна с точки зрения современной космологии, но предположение, что нечто происходило до Большого взрыва, отнюдь не традиционно. Я все равно опишу его и в конце постараюсь указать несколько впечатляющих причин отнестись к этому предположению серьезно, с учетом нескольких потрясающих наблюдательных фактов. Для начала я хочу рассказать вам о двух математических трюках, которые полезны для понимания геометрии нашей вселенной. Эти два трюка в некотором смысле являются двумя противоположными аспектами одной идеи. Один из них имеет отношение к тому, как можно объяснить что-либо происходившее до Большого взрыва. Другой может помочь понять, как нечто может существовать за пределами вечности!

Позвольте мне начать с вечности, поскольку (что может показаться удивительным) это немного проще, а там посмотрим. Это трюк, который использовали многие геометры, и даже известный голландский художник М. С. Эшер. На рисунке 2 приведен один из его весьма элегантных принтов: «Предел круга I». На нем изображен способ представления определенного вида геометрии, известного как гиперболическая плоскость. Рисунок показывает так называемое конформное представление этой геометрии. Что здесь означает «конформное»? Это означает, что геометрия деформирована только таким образом, что в пределе уменьшающихся фигур нет искажений, только изменение общих размеров или вращение. Если говорить более точно, углы сопряжения кривых представлены правильно, хотя размеры самих фигур могут быть существенно увеличены или уменьшены. У больших фигур могут быть некоторые деформации, и линии могут быть не очень прямыми.