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

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. {138} 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 10 30раз (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. {139} 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.

Вот как инфляционная космология объясняет столь загадочную однородность микроволнового фонового излучения, заполняющего пространство.

Вторая проблема, решаемая инфляционной космологией, относится к форме пространства. В главе 8 мы выдвинули критерий симметрии, заключающийся в однородности пространства, и нашли три способа, как может быть изогнута ткань пространства. Обращаясь к нашей двумерной аналогии, можно выделить возможности положительной кривизны (форма, подобная поверхности шара), отрицательной кривизны (седловидная форма) и нулевой кривизны (форма, подобная бесконечной плоской поверхности стола или экрану видеоигры конечных размеров). На заре общей теории относительности физики поняли, что полное количество материи и энергии в каждом объёме пространства — плотность материи/энергии — определяет кривизну пространства. Если плотность материи/энергии высока, пространство свернётся в форму сферы; это значит, что будет положительная кривизна. Если плотность материи/энергии низка, пространство будет выворачиваться наподобие седла; это значит, будет отрицательная кривизна. А если, как отмечалось в предыдущей главе, плотность материи/энергии равняется очень специальной величине — критической плотности, примерно равной массе пяти атомов водорода (около 10 −23г) в каждом кубическом метре, — пространство будет лежать точно между этими двумя крайними случаями и будет совершенно плоским; т. е. кривизны не будет.

Теперь давайте разберёмся, в чём кроется загадка пространства.

Уравнения общей теории относительности, которые лежат в основе стандартной модели Большого взрыва, показывают, что если плотность материи/энергии в начале была в точности равна критической плотности, то она останется равной критической плотности при расширении пространства. {140} Но если плотность материи/энергии была хотя бы чуть-чуть больше или чуть-чуть меньше, чем критическая плотность, последующее расширение уведёт её от критической плотности очень и очень далеко. Просто чтобы почувствовать числа, отметим, что если через секунду после Большого взрыва Вселенная чуть-чуть не дотягивала до критической плотности, составляя 99,99% от неё, то, как показывают расчёты, сегодня её плотность упала бы до величины 0,00000000001 от критической плотности. Эта ситуация напоминает скалолаза, который идёт по тонкому как бритва гребню с крутым обрывом с каждой стороны. Если его шаги направлены строго вдоль гребня, он сможет его пройти. Но малейшая ошибка, шаг, сделанный чуть левее или правее, приведёт к существенно иному исходу. (Рискуя перегрузить читателя аналогиями, вспоминаю в этой связи душевую в студенческом общежитии колледжа много лет назад: если удавалось установить кран абсолютно точно, можно было получить комфортную температуру воды. Но отклонение на йоту туда или сюда приводило либо к кипятку, либо к ледяной воде. Некоторые студенты просто совсем переставали принимать душ.)

Десятилетиями физики пытались измерить плотность материи/энергии во Вселенной. В 1980-е гг., хотя измерения были далеки от завершения, одно стало ясно: плотность материи/энергии Вселенной не превосходит критическую в тысячи и тысячи раз и не меньше её в тысячи и тысячи раз; соответственно, пространство не является сильно искривлённым, ни положительно, ни отрицательно. Это понимание представило стандартную модель Большого взрыва в неудобном свете. Отсюда следовало, что, для того чтобы стандартная модель Большого взрыва соответствовала наблюдениям, некоторый механизм — который, однако, никто не может объяснить или указать — должен был подстроить плотность материи/энергии ранней Вселенной экстраординарно точно к критической плотности. Например, расчёты показывают, что через одну секунду после Большого взрыва плотность материи/энергии Вселенной должна была находиться в пределах миллионной от миллионной доли процента от критической плотности; если бы плотность материи/энергии отклонилась от критической величины на любое значение, большее этого мизерного ограничения, то стандартная модель Большого взрыва предсказала бы на сегодня такую плотность материи/энергии, которая чрезвычайно отличалась бы от того, что мы наблюдаем. Поэтому в соответствии со стандартной моделью Большого взрыва ранняя Вселенная была сильно похожа на скалолаза, покачивающегося на чрезвычайно узком гребне. Ничтожное отклонение в условиях, существовавших во Вселенной миллиарды лет назад, должно было бы привести к сегодняшней Вселенной, сильно отличающейся от того, что показывают измерения астрономов. Это известно как проблема плоскостности .