Йэн Стюарт - Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

В главе 16 описывалось основное свидетельство в пользу Большого взрыва со всеми добавками: это структура реликтового фонового излучения. Последние измерения, проведенные аппаратом WMAP, показывают, что реликтовое излучение почти однородно и по температуре отклоняется от среднего значения не более чем на 200 миллионных долей кельвина. Небольшие флуктуации — это именно то, что предсказывает теория Большого взрыва, но эти отклонения слишком малы — настолько малы, что, судя по ним, для развития нынешней комковатости у Вселенной просто было недостаточно времени. Это утверждение основано на компьютерном прогоне математических моделей эволюции Вселенной, упомянутых в главе 15.

Один из способов разрешить эту проблему состоит в том, чтобы модифицировать теорию и сказать, что ранняя Вселенная с самого начала была более комковатой [88] То есть была более неоднородной на малых масштабах. — Прим. ред. . Но эта идея сталкивается с другой сложностью, едва ли не противоположного характера. Хотя материя на сегодняшний день слишком комковата для стандартной теории Большого взрыва, пространство-время , напротив, комковато недостаточно. Оно почти плоское.

Космологов беспокоил также более глубокий вопрос — проблема горизонта, на которую указал Миснер в 1960-е годы. Стандартная теория Большого взрыва предсказывает, что части Вселенной, расположенные слишком далеко друг от друга для того, чтобы между ними были причинно-следственные связи, должны тем не менее иметь схожее распределение вещества и схожую температуру реликтового излучения. Более того, это должно быть очевидным для наблюдателя, потому что космологический горизонт — то, насколько далеко можно видеть, — расширяется со временем. Значит, области, которые прежде не были причинно связанными, могут позднее сделаться таковыми. Проблема: как эти области могут «знать», какое распределение и какую температуру им положено иметь? Так что дело не только в том, что пространство-время слишком плоское: оно, кроме того, однородно плоское на масштабах, которые слишком велики, чтобы «общаться» друг с другом.

В 1979 году Алан Гут выдвинул остроумную идею, помогающую разобраться с обоими этими вопросами. Новая теория делает пространство-время плоским и в то же время позволяет веществу оставаться комковатым; кроме того, она решает проблему горизонта. Чтобы описать эту идею, нам нужно знать кое-что об энергии вакуума.

В сегодняшней физике вакуум — это не пустое пространство, а бурлящий котел виртуальных квантовых частиц, которые появляются из ничего парами и затем аннигилируют друг с другом раньше, чем кто-либо успевает их увидеть. Это возможно в квантовой механике благодаря принципу неопределенности Гейзенберга, который гласит, что невозможно определить энергию частицы в конкретный момент времени. Либо энергия, либо временной интервал должны сохранять неопределенность. Если «размыто» значение энергии, то она не обязана сохраняться в любой отдельно взятый момент. Частицы могут занимать ее на какое-то время, а потом возвращать, и на этом коротком интервале времени энергия не сохраняется. Если неопределенным оказывается интервал времени, это останется незамеченным.

Этот процесс — или что-то другое, физики не могут сказать точно — порождает пузырящееся поле фоновой энергии, пронизывающее всю Вселенную. Это слабое поле — примерно одна миллиардная доля джоуля на кубический метр. Достаточно, чтобы питать одну секцию электронагревателя на протяжении одной триллионной доли секунды.

Инфляция говорит, что разделенные большим расстоянием области пространства-времени имеют сходное распределение вещества и температуру, потому что в прошлом они могли поддерживать связь друг с другом. Предположим, что далекие теперь области Вселенной когда-то были достаточно близки, чтобы взаимодействовать. Предположим также, что в то время энергия вакуума была больше, чем теперь. В таком состоянии доступный для наблюдения горизонт не увеличивается; он остается постоянным. Если затем Вселенная подвергается стремительному расширению, то близкие наблюдатели быстро оказываются разделены и все становится однородным. Важно, что любые локальные комки [89] То есть области повышенной плотности. — Прим. ред. и пустоты, существовавшие еще до начала инфляции, внезапно распределяются по поистине гигантскому объему пространства-времени. Это как положить кусочек масла на маленький тост — а затем заставить этот тост внезапно увеличиться до необычайных размеров. Масло расширится вместе с ним, и вы получите тонкий, почти однородный слой.

Не пробуйте проделать это дома.

И очень раннее начало, и очень быстрое расширение необходимы для того, чтобы инфляционный расчет сошелся с ответом. Но что вызывает этот стремительный рост — взрыв намного более внушительный, чем слабенький Большой взрыв, с которого все началось? Ответ: инфлатонное поле. Это не опечатка: инфлатон — гипотетическая частица. В квантовой теории поля и частицы ходят рука об руку. Частица — это всегда локализованный сгусток поля, а поле — непрерывное море частиц.

Гут задался вопросом: что произошло бы, если бы пространство было равномерно заполнено не замеченным нами квантовым полем — гипотетическим инфлатонным полем? Его расчеты показали, что такое поле генерирует отрицательное давление, то есть расталкивающую силу. Брайан Грин предлагает аналогию с углекислым газом в бутылке шампанского. Стоит откупорить бутылку — и газ стремительно расширяется, порождая те самые желанные пузырьки. Стоит откупорить Вселенную — и инфлатонное поле расширяется еще более стремительно. Новость состоит в том, что вам не нужна пробка: вместо этого вся бутылка (Вселенная) может расшириться, очень быстро и очень-очень сильно. Нынешняя теория гласит, что между 10↑ –36и 10↑ –32секунды после Большого взрыва объем Вселенной увеличился по крайней мере в 10↑ 78раз.

Хорошая новость состоит в том, что инфляционный сценарий — или, точнее, некоторые из многочисленных вариантов первоначальной идеи, предложенных за это время, — хорошо согласуется со многими наблюдениями. Это не слишком удивительно, поскольку теория изначально была придумана так, чтобы не противоречить некоторым ключевым наблюдениям, однако она согласуется и со многими другими наблюдениями тоже, что внушает надежду. Так что, дело сделано? Ну, может, и нет, потому что есть еще и плохая новость: никто и никогда не наблюдал ни инфлатона, ни каких бы то ни было следов поля, которое он вроде бы поддерживает. Этот квантовый кролик до сих пор еще не извлечен из космологической шляпы, но это был бы очень симпатичный кролик, если бы удалось уговорить его хоть на мгновение высунуть свой нос над полями шляпы.