Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Питер Эткинз

Рис. 8.9. Раздувающаяся Вселенная. В короткий период времени после начала масштаб Вселенной начинает возрастать с колоссальной скоростью, более чем удваивая свой радиус каждые 10−35 секунды. Эра раздувания выглядит экспоненциальным ростом размера, но заканчивается за 10−32 секунды. После этого расширение проходит гораздо более неторопливо и соответствует одному из сценариев, показанных на рис. 8.4.

Однако в модели де Ситтера есть проблема отсутствия механизма прекращения раздувания. Раздувание продолжалось бы вечно, и в результате все вещество и излучение Вселенной быстро размазались бы до нуля, оставляя Вселенную пустой. Это противоречит опыту, поэтому его модель раздувания была отброшена и по большей части забыта. Однако в конце двадцатого века концепция раздувания возродилась на двух изолированных островках интеллектуальной активности, каждый за горизонтом коммуникации другого. Один центр активности был в тогдашнем Советском Союзе, где в 1979 г. Алексей Старобинский использовал идеи из общей теории относительности для развития более ранней идеи, которую другой русский, Эраст Глинер, предложил в 1965 г. За горизонтом, в Соединенных Штатах, Алан Гут рассматривал проблему нежелательного возникновения магнитных монополей как проблему физики частиц, и в 1981 г. пришел к похожей идее.

Центральной идеей этой ранней версии раздувания была идея рассматривать его как вид «фазового перехода», изменения состояния, аналогичного превращению воды в лед. Когда Вселенная раздувается, она охлаждается, и ее расширение столь огромно, что она может охладиться до абсолютного нуля. Тогда, однако, наступает момент, когда ложный вакуум коллапсирует в истинный вакуум, освобождая огромное количество энергии. Чтобы обрисовать этот переход, представьте себе ложный вакуум подобным жидкой фазе воды, прозрачной среде, которая выглядит, как будто там ничего нет. Раздувающееся состояние Вселенной похоже на переохлажденную воду, она имеет температуру много ниже точки замерзания, но остается жидкой. Когда вода внезапно замерзает, она освобождает «скрытую теплоту», поскольку молекулы воды организуются в структуру с более низкой энергией, лед. Подобным же образом переохлажденный ложный вакуум внезапно превращается в истинный вакуум, освобождая всю энергию скалярного поля, повышая температуру Вселенной и приводя раздувание к концу. С этого момента сценарий Большого Взрыва завершен, и Вселенная продолжает расширяться гораздо более неторопливо.

В этом суть «старого» сценария раздувания. Как можно предположить из этого названия, существует и более новая версия. Проблема старой модели состоит в том, что освобождение энергии снова нагревает Вселенную так сильно, что в конце эры раздувания появляется много дефектов — монополей, — слишком много для того, чтобы раздувание могло их унести. Другая проблема связана со скоростью, с которой раздувание происходит и приходит к концу. Например, в своей ранней форме Вселенная коллапсировала бы прежде, чем у раздувания было бы время развиться. Один из «новых» сценариев раздувания решает эти проблемы.

Многообещающим сценарием является сценарий хаотического раздувания, введенный Андреем Линде в 1982 г. и с тех пор подробно разработанный им и другими физиками. Не требуется никакого высокотемпературного фазового перехода в скалярном поле. Вместо этого появляется холодная Вселенная с произвольной величиной скалярного поля (в терминах нашей прежней аналогии, с произвольным напряжением), и, если поле достаточно велико, возникает раздувание. По ходу дела поле медленно убывает до состояния, соответствующего истинному вакууму (напряжение медленно снижается), и раздувание подходит к изящному концу. Подъем температуры, сопровождающий так называемый изящный выход из эры раздувания, оказывается намного меньшим, чем в модели фазового перехода. Следовательно, производится гораздо меньше дефектов, и никаких монополей, а производимая температура достаточно высока, чтобы инициировать стандартную эпоху Большого Взрыва, в которой мы все еще обитаем. Флуктуации плотности, которые возникают из этого сценария, как раз согласуются с расчетами для распределений галактик, а также для малых флуктуаций наблюдавшегося до сего дня космического фонового излучения. Хотя теории раздувания в высшей степени умозрительны, и, записанные в чисто качественном виде, могут звучать не лучше, чем примитивные мифы творения, но они жестко регламентированы математикой и делают предсказания, которые можно проверить экспериментально непосредственно в нашей текущей эре. Космогенез является кульминацией воображения, приложенного к науке, но это все еще наука, поскольку она поддается опытной проверке.

Еще одним интересным выводом из теории хаотического раздувания является то, что точечные дефекты, которые мы называем магнитными монополями, вовсе не уничтожаются. На самом деле, раздувание их тоже раздувает. Более того, эти точечные дефекты продолжают расширяться даже тогда, когда раздувание вокруг них прекращается. Точечные дефекты могут действовать как зародыши новых Вселенных. Эта гиперкосмическая конфигурация является, конечно, окончательным унижением: наша Вселенная может быть всего лишь одной из бессчетного множества других. Мы не только являемся обитателями незначительной (но чудесной) планеты около незначительной (но чудесной) звезды незначительной (но чудесной) галактики в незначительной (но чудесной) видимой Вселенной, но и эта Вселенная, возможно, является незначительной среди бесчисленного множества других, существующих в «мультикосмосе», каждая из которых бесконечна в своем простирании.

Наша Вселенная необязательно возникла в начале времен, ведь она может быть потомком в какой-то ветви на дереве из несчетных триллионов других (рис. 8.10). И хотя мы можем говорить, что наш Большой Взрыв произошел 15 миллиардов лет назад, подлинное начало первоначальной Вселенной, вероятно, было неизмеримо дальше во времени, почти — но будем надеяться, что нет — за пределами того, что может вообразить наука.

Рис. 8.10. В одной из версий раздувания существующая Вселенная может формировать почки новых Вселенных, которые немедленно раздуваются так же, как, по-видимому, делала наша Вселенная. Этот взгляд на Вселенную помещает истинный момент творения всей системы Вселенных далеко назад во времени, поскольку мы можем быть обитателями отпочковавшейся Вселенной, произошедшей от мириад других, с пра-Вселенной, истинной первоначальной Вселенной, образовавшейся триллионы и триллионы лет назад — если времена этих других Вселенных можно складывать. Один из возможных ответов на вопрос «где же эти другие Вселенные» утверждает, что они среди нас: если мы представим себе пространство-время, как составленное из точек, которые мы считаем близкими друг к другу, то умозрительно допустимо, что другие Вселенные используют те же самые точки, но связанные другим способом, так что точки, составляющие кубический миллиметр этой Вселенной, могут быть распределенными по всему пространству-времени другой Вселенной.

Есть еще два больших вопроса, к которым нам надо вернуться. Первый: почему Вселенная (наша частная Вселенная в мультикосмосе, можно добавить теперь) так кособока? Второй: почему Вселенная является трехмерной?

Во-первых, почему вещества больше, чем антивещества? Одной их возможностей является то, что галактики из антивещества существуют где-то еще. Тот факт, что мы не видели ни одной, не противоречит другим областям космологии, но нету никаких свидетельств о таких галактиках. Ведь поскольку межгалактическое пространство наполнено атомами водорода — ну, «наполнено» это преувеличение, но их много — мы ожидали бы увидеть интенсивное излучение от аннигиляции этих атомов с антивеществом галактик, проплывающих сквозь них. Никакого такого излучения не наблюдается, поэтому все выглядит, как если бы вещества было действительно больше, чем антивещества. Чтобы быть более точным, следует сказать, что если бы первоначально вещества было столько же, сколько антивещества, они бы аннигилировали друг с другом, и все что осталось бы нам теперь, было бы фотонами от излучения, возникшего из аннигиляции. На самом деле, на каждый миллиард фотонов имеется одна частица, поэтому первоначально должно было иметься легкое преобладание частиц над античастицами. Как это могло случиться?

Русский физик и диссидент Андрей Сахаров (1921-98) подошел к основным принципам в 1965 г., но остановился перед механизмом их обеспечения. Он показал, что должны быть выполнены три условия. Одним из них было существование процессов, не сохраняющих число адронов, в том смысле, что адроны (например, протоны) могут превращаться в лептоны (например, позитроны). Вторым было то, что CP-симметрия должна нарушаться (C обозначает конфигурацию зарядов, P — четность, см. главу 6). Третьим было то, что события должны происходить достаточно медленно, чтобы равновесие могло нарушиться: нарушение равновесия, случившееся в некоторый момент, должно остаться вмороженным во Вселенную, быстро эволюционирующую в будущее.