Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

Так называемая «стандартная модель», которая появилась в 1970-х гг., внесла в микромир потрясающий порядок. Электромагнитная сила и слабое взаимодействие были объединены, а сильные или ядерные силы были интерпретированы с точки зрения кварков, которые скрепляет вместе еще одна частица под названием «глюон». Но никто не считал, что последнее слово в этой области сказано: количество элементарных частиц остается обескураживающе большим, а уравнения все еще включают числа, которые были определены экспериментальным путем и пока не подтверждены теорией. В частности, объяснение на основе глюонов не связано с конкретным значением силы ядерного взаимодействия, которое решающим образом проявляет себя в нашем основном числе ε = 0,007.

После объединения электромагнитной силы и слабого взаимодействия следующей целью стало добавить ядерную силу и таким образом добиться так называемой «теории великого объединения» всех сил, управляющих физикой микромира (хотя все эти теории пока что недостаточно «велики», чтобы включить в себя тяготение, это по-прежнему трудная задача). Камень преткновения в том, что великое объединение, как полагают, имеет место при температуре 10 28градусов. Это в миллион миллионов раз выше, чем можно достичь в процессе современных экспериментов, а чтобы добиться требуемой энергии, потребуется ускоритель размером больше Солнечной системы. Поэтому на Земле эти теории проверить очень трудно.

Их специфическое влияние на мир низких энергий имеет зачаточный характер: например, протоны, главные составляющие всех звезд и планет, распадаются очень медленно – этот эффект будет важен в отдаленном будущем, но сейчас не имеет значения. Тем не менее все было горячее 10 28градусов в первые 10 –35секунд после Большого взрыва. Возможно, ранняя Вселенная была единственным местом, где была возможна температура, требуемая для объединения сил. Этот «эксперимент» кончился более 10 млрд лет назад, но оставил ли он во Вселенной какие-то следы, наподобие того как гелий остался от первых нескольких минут ее существования? По всей видимости, да: перевес вещества над антивеществом (который мы обсуждали в главе 6), возможно, был запечатлен на этой ультраранней стадии. Что куда более важно, огромный масштаб Вселенной и тот факт, что она вообще расширяется, может быть, был предопределен тем, что случилось в эти краткие первые мгновения.

Два фундаментальных вопроса, связанных со Вселенной, звучат так: «Почему она расширяется?» и «Почему она такая большая?» Мы можем проследить, что происходит во время расширения, и экстраполировать процессы на несколько самых первых секунд (и подтвердить наши гипотезы распространенностью гелия и дейтерия). Но теория Большого взрыва в действительности является описанием (и достаточно успешным) того, что происходило после Большого взрыва, она ничего не говорит о том, что же положило начало расширению вообще. Другую загадку можно сформулировать так: «Почему наша Вселенная в целом однородна (что делает космологические данные легко поддающимися обработке), но в то же время позволяет образовываться галактикам, скоплениям и сверхскоплениям?» И, если продолжать дальше: «Что предопределило сами физические законы?»

Наша главная загадка (которую мы обсуждали в главе 6) – почему Вселенная расширяется спустя 10 млрд лет, притом что значение числа Ω все еще не слишком отличается от единицы. Наша Вселенная не «схлопнулась» много лет назад и не расширяется настолько быстро, чтобы ее кинетическая энергия значительно преодолела эффект тяготения. Это требует, чтобы число Ω в ранней Вселенной было удивительно близко к единице. Что же заставило все вокруг расширяться таким особенным образом? Почему, когда мы наблюдаем отдаленные районы Вселенной в разных направлениях, они выглядят такими похожими? Или почему температура реликтового излучения практически одна и та же на всем небе?

Эти вопросы имеют ответ, если допустить, что все части нашей сегодняшней Вселенной были синхронизированы друг с другом на очень раннем этапе, а потом развивались по отдельности. Это является ключевым постулатом теории «инфляционной Вселенной» [36] Слово происходит от лат . inflatio – раздувание. – Прим. пер. . В 1981 г. тогда еще молодой американский физик Алан Гут выдвинул эту идею. Как часто случается в науке, у него было несколько предшественников – физики-теоретики Алексей Старобинский и Андрей Линде из СССР и Кацумото Сато из Японии, но Гут сделал положения теории достаточно ясными, чтобы убедить большинство специалистов в том, что эта теория была революционным прозрением. В своей книге «Инфляционная Вселенная» {19} 19 «Инфляционная Вселенная: В поисках новой теории происхождения космоса» (The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins, Addison-Wesley, Reading, 1997). Гут вспоминает момент, когда его осенила эта идея, а также то, как живо обсуждали ее физики-теоретики и как развили дальше. (Гут также осуществил «социологический прорыв» в американскую академическую науку с точки зрения молодого исследователя, ищущего свою нишу в переполненной области.)

Согласно теории инфляционной Вселенной, причина того, почему Вселенная столь велика и почему тяготение и расширение так четко уравновешены, лежит в каком-то значительном событии, которое произошло очень рано, когда вся наша наблюдаемая Вселенная была буквально микроскопических размеров. При колоссальной плотности той эпохи в игру вступило некое «космическое отталкивание», похожее на невообразимо сильное число λ. Именно оно взяло верх над обычным тяготением. Расширение «рвануло на верхней передаче», что привело к неудержимому ускорению, позволившему зародышу Вселенной раздуться, гомогенизироваться и установить «хорошо настроенное» равновесие между тяготением и кинетической энергией.

Предполагается, что все это произошло в пределах всего лишь первых 10 –35секунд Большого взрыва! Условия, которые существовали тогда, очень далеки от тех, которые мы можем проверить экспериментально, поэтому о деталях можно говорить только умозрительно. Тем не менее мы можем строить предположения, согласующиеся с другими физическими теориями и с тем, что мы знаем о более поздней Вселенной.

Идея, стоящая за инфляционной теорией, чрезвычайно привлекательна, потому что она, по-видимому, показывает, как целая вселенная могла развиться из крошечного «зернышка». Мы считаем, что это произошло, поскольку расширение идет по экспоненте : оно удваивается, снова удваивается, затем удваивается еще раз… Математические формулы (если только они не очень длинные и в самом деле сложные) обычно не оперируют огромными числами. Единственный естественный путь для «скромного» числа – создать гигантское – такое, как 10 78, общее число атомов в наблюдаемой Вселенной, – если оно является показателем экспоненциальной зависимости (так можно сказать, если использовать математические термины), т. е. оно говорит нам, сколько раз параметр удваивается. Каждый раз, когда радиус сферы увеличивается вдвое, ее объем возрастает в восемь раз (в обычном евклидовом пространстве). Для того чтобы достичь такого числа, как 10 78, потребуется лишь сотня подобных удвоений.