ГЛАВА 4
Расширение и параллельные вселенные
Ничего не происходит из ничего.
Лукреций
Я допускаю, что наша Вселенная и в самом деле появилась ниоткуда около ю лет назад… Я выдвигаю скромное предположение о том, что возникновение нашей Вселенной является одним из тех событий, что происходят время от времени.
Эдвард Трайон
Вселенная — это полностью бесплатный ланч.
Алан Гут
В классическом научно-фантастическом романе Пола Андерсона «Тау Ноль» космический корабль под названием «Леонора Кристин» запускают в Космос с заданием достичь близлежащих звезд. На борту корабля находятся 50 человек; во время путешествия к новой звездной системе корабль может развивать околосветовую скорость. Что еще более важно, в корабле действует принцип теории относительности, который гласит, что чем быстрее движется корабль, тем больше замедляется время внутри корабля. А потому путешествие к близлежащим звездам, которое заняло бы десятилетия с точки зрения людей на Земле, для астронавтов длится лишь несколько$7
Корабль представляет собой чудо техники; он приводится в действие прямоточными воздушно-реактивными двигателями, которые черпают водород из космоса, а затем сжигают его, получая неограниченное количество энергии. Корабль движется настолько быстро, что экипаж даже может наблюдать допплеровское смещение звездного света; звезды впереди кажутся голубоватыми, а звезды позади — красноватыми.
Затем происходит катастрофа. На расстоянии 10 световых лет от Земли корабль проходит сквозь межзвездное пылевое облако и попадает в область турбулентности, в результате чего временно перестает функционировать система торможения. Перепуганный экипаж оказывается в плену на вышедшем из-под контроля корабле, который все сильнее и сильнее разгоняется, приближаясь к скорости света. Члены экипажа беспомощно наблюдают за тем, как неуправляемый корабль за какие-то минуты пересекает целые звездные системы. За год корабль проносится сквозь половину Галактики Млечный Путь. Бесконтрольно ускоряясь, корабль мчится мимо галактик; на это уходят месяцы, в то время как на Земле проходят миллионы лет. Вскоре скорость корабля настолько приближается к световой, «тау ноль», что члены экипажа становятся свидетелями космических катастроф, на их глазах старится сама Вселенная.
В конце концов они видят, что изначальное расширение Вселенной прекращается и обращается вспять — Вселенная сжимается. Температура резко возрастает, и члены экипажа понимают, что корабль движется навстречу Большому Сжатию. Они молятся про себя, видя, что температура растет, галактики начинают сливаться в единое целое — космический первоатом. Кажется, что они неминуемо встретят свою смерть в огненном катаклизме.
Их единственная надежда на то, что вещество взорвется и разлетится в пределах ограниченной области, а они на большой скорости проскользнут мимо. Чудом их защита срабатывает, когда они пролетают мимо первоатома и оказываются свидетелями творения новой Вселенной. Когда Вселенная вновь расширяется, их восхищенным взорам предстает картина творения новых звезд и галактик. Им удается отремонтировать корабль, они тщательно рассчитывают курс, направляясь к достаточно взрослой галактике, которая содержит элементы высшего порядка, делающие жизнь в ней возможной. Наконец им удается обнаружить планету, где жизнь возможна, и основывают там колонию, давая начало новому человечеству.
Эта история была написана в 1967 году, когда среди астрономов бушевали яростные споры о том, какова же конечная судьба Вселенной: погибнет ли она от Большого Сжатия или Большого Охлаждения, будет ли она бесконечно пульсировать или продолжит свое существование в стационарном состоянии бесконечно? С тех пор спор, кажется, нашел свое разрешение, и появилась новая теория — теория инфляции (расширения).
Рождение теории инфляции
«Волнующее открытие», — такую запись сделал Алан Гут в своем дневнике в 1979 году. Он был воодушевлен сознанием того, что, возможно, натолкнулся на одну из величайших теорий космологии. Гут впервые за 50 лет подверг основательному пересмотру теорию Большого Взрыва, сделав конструктивное наблюдение: он смог решить некоторые из глубочайших загадок космологии, предположив, что Вселенная подверглась гиперинфляции (ускоренному расширению) в момент своего рождения, расширению гораздо более быстрому, чем считало большинство физиков. Гут обнаружил, что с учетом этого гиперрасширения он может безо всяких усилий разрешить массу глубоких космологических вопросов, которые не поддавались никакому объяснению. Этой теории предстояло произвести революцию в космологии. (Последние космологические данные, включая результаты, полученные со спутника WMAP, согласуются с прогнозами, которые дает эта теория.) Это не только единственная действенная космологическая теория — она же простейшая и наиболее надежная.
Замечательно, что столь простая теория оказалась в состоянии разрешить так много сложных космологических вопросов. Одной из проблем, которые так элегантно разрешала теория инфляции, была проблема плоскостности Вселенной. Астрономические данные показали, что кривизна Вселенной очень близка к нулю: по сути, она намного ближе к нулю, чем до этого считали многие астрономы. Это могло бы объясняться тем фактом, что Вселенная, подобно шарику, который быстро надувают, стала более плоской за период расширения. Мы подобны муравьям, ползающим по поверхности шарика, — мы слишком малы, чтобы заметить очень маленькую кривизну шарика. Инфляция настолько «вытянула» пространство-время, что оно кажется плоским.
Историческим в открытии Гута было то, что он применил физику элементарных частиц, занимающуюся анализом мельчайших частиц в природе, к космологии, изучению Вселенной во всей ее целостности, включая происхождение. Теперь мы понимаем, что глубочайшие загадки Вселенной нельзя решить без физики чрезвычайно малого — мира квантовой теории и физики элементарных частиц.
Поиски объединения
Гут родился в 1947 году в Нью-Брансуике (штат Нью-Джерси). В отличие от Эйнштейна, Гамова и Хойла, в жизни Гута не было судьбоносного момента, толкнувшего его в мир физики. Ни его отец, ни мать не получили высшего образования и не проявляли интереса к науке. Но по собственному признанию Алана, его всегда восхищала связь математики с законами природы.
В Массачусетском технологическом институте в 1960-е годы он серьезно рассматривал возможность заняться физикой элементарных частиц. В особенности его восхищало всеобщее возбуждение, причиной которого стало новое течение в физике, поиски объединения всех основных сил. Святым Граалем физики были объединяющие мотивы, которые могли бы объяснить все тонкости строения Вселенной самым простым и связным образом. Целую вечность физики блуждали в поисках этого Грааля. Со времен древних греков ученые считают, что Вселенная, которую мы видим сегодня, представляет собой обломки чего-то гораздо более простого, и наша цель — раскрыть суть этого простого.
За две тысячи лет исследований природы вещества и энергии физики открыли, что механизм Вселенной приводят в действие всего четыре основные силы. (Ученые пытались и пытаются найти возможную пятую силу, но до сих пор все результаты исследований в этом направлении были отрицательными или неубедительными.)
Первая сила — гравитационное взаимодействие, которое удерживает Солнечную систему как единое целое и движет планеты по их небесным орбитам в Солнечной системе. Если гравитацию неожиданно «выключить», то звезды в небесахвзорвутся, Земля рассыплется и нас всех выбросит в открытый космос со скоростью около полутора тысяч километров в час.
Вторая сила — электромагнитное взаимодействие, которое освещает наши города, заполняет мир телевизорами, сотовыми телефонами, радиоприемниками, лазерными лучами и сетью Интернет. Если внезапно выключить электромагнитное взаимодействие, то цивилизацию тут же отбросит на век-другой в прошлое, в темноту и безмолвие. Это наглядно продемонстрировала авария энергосистемы в 2003 году, парализовавшая весь северо-восток США. Если мы рассмотрим электромагнитную силу в микроскоп, то увидим, что она состоит из крошечных частиц, или квантов, называемых фотонами.
Третья сила — слабое ядерное взаимодействие, отвечающее за радиоактивный распад. Это слишком слабый фактор, чтобы удерживать атом как единое целое, он позволяет ядру разделиться на более мелкие составляющие, или распасться. Радиоактивные приборы в больницах во многом основываются на слабом ядерном взаимодействии. Слабое ядерное взаимодействие также способствует разогреву земного ядра посредством радиоактивных веществ, что становится причиной извержения вулканов. Слабое ядерное взаимодействие, в свою очередь, основывается на взаимодействии электронов и нейтрино (призрачные частицы, практически не имеющие массы и способные проходить сквозь триллионы километров твердого свинца, ни с чем не сталкиваясь). Эти электроны и нейтрино взаимодействуют, обмениваясь частицами, W- и Z-бозонами.
Сильное ядерное взаимодействие скрепляет ядра атомов. Без этой силы ядра бы разделились на части, атомы бы распались, а вся наша реальность «расползлась» бы. Сильное ядерное взаимодействие отвечает за примерно сотню элементов, которые заполняют Вселенную. Вместе с тем сильное и слабое ядерные взаимодействия отвечают за свет, который испускают звезды согласно уравнению
Эйнштейна — Е =mc. Без ядерного взаимодействия Вселенная погрузилась бы во тьму, температура на Земле резко упала бы, а океаны превратились бы в ледники.
Удивительной чертой этих четырех сил является то, что все они принципиально отличаются друг от друга, обладая различными свойствами и имея свои достоинства. Например, гравитация намного слабее трех остальных сил, она в 10 раз слабее электромагнитного взаимодействия. Земля весит б триллионов килограммов, и все же огромный вес и гравитация могут быть легко уравновешены с помощью электромагнитной силы. Даже ваша расческа может поднять клочки бумаги с помощью статического электричества, тем самым преодолевая силу гравитации. К тому же гравитация только притягивает свои объекты, электромагнитная же сила может как притягивать, так и отталкивать, в зависимости от заряда частиц.
Объединение на уровне теории Большого Взрыва
Один из фундаментальных вопросов, с которым столкнулась физика, таков: почему Вселенная должна приводиться в действие четырьмя различными взаимодействиями? И почему эти четыре взаимодействия должны быть столь непохожими друг на друга, обладать различными качествами, различной физикой и различным образом взаимодействовать?
Эйнштейн первым поставил перед собой цель объединить эти четыре силы при помощи единой связной теории поля, начав с объединения гравитации с электромагнитным взаимодействием. Он не добился успеха, потому что обогнал свое время: тогда слишком мало было известно о сильном взаимодействии, чтобы создать абсолютно реалистичную объединенную теорию поля. Но пионерская работа Эйнштейна раскрыла глаза целому миру физиков на возможность существования «теории всего».
Цель объединенной теории поля казалась в высшей степени недостижимой в 1950-е годы, особенно в момент, когда в физике элементарных частиц царил полный хаос: ускоритель атомных частиц расщеплял ядро с целью обнаружить «элементарные составляющие» вещества, а на выходе при эксперименте обнаруживались лишь сотни новых частиц. «Физика элементарных частиц» стала терминологическим противоречием, космической шуткой. Древние греки считали, что при расщеплении субстанции на основные составляющие все упрощается. Но все получилось с точностью до наоборот: физики изо всех сил пытались найти достаточно букв греческого алфавита для обозначения всех новых частиц. Дж. Р. Оппенгеймер пошутил, что Нобелевскую премию по физике должен получить физик, который не открыл в этом году новую частицу. Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг начал сомневаться, способен ли человеческий разум вообще постичь секрет ядерного взаимодействия.
Эта неразбериха несколько улеглась, когда Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг из Калифорнийского технологического института предложили теорию кварков — составляющих протонов и нейтронов. Согласно теории кварков, три кварка составляют протон или нейтрон, а кварк и антикварк составляют мезон (частицу, удерживающую частицы ядра). Это было лишь частным решением (поскольку сегодня нас затопляют различные виды кварков), но тогда это влило новую струю энергии в пребывающую в спячке область науки.
В 1967 году физики Стивен Вайнберг и Абдус Сапам совершили ошеломляющий прорыв, доказав, что возможно объединение слабого ядерного и электромагнитного взаимодействий. Они создали новую теорию, согласно которой электроны и нейтрино (называемые лептонами) взаимодействуют друг с другом путем обмена новыми частицами, названными W- и Z-бозонами, а также фотонами. Рассматривая W- и Z-бозоны и фотоны на общем основании, они создали теорию, объединяющую обе силы. В 1979 году Стивен Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Сапам получили Нобелевскую премию за совместную работу в области объединения двух из четырех сил — электромагнитного и слабого ядерного взаимодействий, — а также за активные исследования в области сильного ядерного взаимодействия.
В 1970-е годы физики провели тщательный анализ данных, полученных на ускорителе частиц Стэнфордского центра линейного ускорителя (SLAC), обстреливающем цель мощными зарядами электронов, чтобы исследовать строение протона. Они обнаружили, что сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протона, можно объяснить, введя новые частицы (названные глюонами), которые являются квантами сильного ядерного взаимодействия. Природу связующей силы, удерживающей протон от распада, можно было бы объяснить тем, что составляющие его кварки обмениваются между собой глюонами. Это привело к созданию новой теории сильного ядерного взаимодействия, названной квантовой хромодинамикой.
Итак, к середине 1970-х годов стало возможным объединить три взаимодействия из четырех (кроме гравитации) и получить так называемую Стандартную модель — теорию кварков, электронов и нейтрино, которые взаимодействовали путем обмена глюонами, W- и Z-бозонами и фотонами. Эта модель стала результатом десятилетий мучительной работы и исследований в области физики частиц. В настоящее время Стандартная модель способна структурировать все без исключения экспериментальные данные, имеющие отношение к физике частиц.
Хотя Стандартная модель — одна из наиболее успешных физических теорий всех времен, она весьма безобразна. Сложно поверить, что на фундаментальном уровне можно оперировать теорией, которая столь топорно описана. Например, в этой теории существует 19 произвольных параметров, которые вписаны эмпирически (т. е. различные массы и силы взаимодействия не определяются теорией, их нужно выводить экспериментальным путем; в идеале же, то есть в подлинно объединяющей теории, эти константы должны определяться самой теорией, а не зависеть от внешних экспериментов).
Далее, в ней существуют три точные копии элементарных частиц, называемые поколениями. Сложно поверить, что природа на самом фундаментальном уровне будет использовать три точные копии субатомных частиц. Если не считать их массы, то эти частицы точные копии. (Например, такими копиями электрона являются мюон, масса которого в 200 раз больше массы электрона, и тау-частица, с массой в 3500 раз больше.) Наконец, в Стандартной модели нет никакого упоминания о силе гравитации, хотя гравитация, пожалуй, наиболее всепроникающая сила во Вселенной.
Поскольку Стандартная модель, несмотря на ее потрясающий экспериментальный успех, кажется такой надуманной, физики пытались создать еще одну теорию, или теорию Великого Объединения (ТВО), которая рассматривала бы кварки и лептоны на общем основании. Она также рассматривала глюон, W- и Z-бозоны и фотон на одном уровне. (Однако эта разработка не смогла стать «окончательной теорией», поскольку гравитация в ней подозрительным образом не учитывалась: ее считали слишком сложной для слияния с остальными силами, как мы это увидим.)
Это субатомные частицы, содержащиеся в Стандартной модели — наиболее успешной теории элементарных частиц. Она построена на кварках, из которых состоят протоны и нейтроны, лептонах, таких, как электрон и нейтрино, и многих других частицах. Обратите внимание, что результатом модели являются три одинаковые копии субатомных частиц. Поскольку Стандартная модель не может объяснить гравитацию (и кажется такой нелепой), физики-теоретики считают, что эта теория не может быть окончательной.
Программа объединения, в свою очередь, ввела в космологию новую парадигму: Идея была очень простой и изящной: в момент Большого Взрыва все четыре основные силы объединились в единую связанную силу, загадочную «сверхсилу». Четыре силы были равны друг другу по значимости и являлись частью единого связного целого. Однако, когда Вселенная начала стремительно расширяться и остывать, изначальная «сверхсипа» начала «расщепляться» и от нее одна за другой начали «отпадать» различные силы.
Согласно этой теории, остывание Вселенной после Большого Взрыва аналогично замерзанию воды. Когда вода находится в жидком состоянии, она вполне однородна и поверхность ее гладкая. Однако при замерзании внутри ее объема образуются миллионы крошечных ледяных кристалликов. Когда жидкая вода замерзает, ее изначальная однородность нарушена, поскольку лед содержит трещины, пузырьки и кристаллы.
Другими словами, сегодня мы видим, что Вселенная ужасно повреждена. Она совсем неоднородна и несимметрична, она состоит из неровных горных цепей, вулканов, ураганов, каменистых астероидов и взрыпающихся звезд; при этом отсутствует всякое единство, — более того, мы видим, что четыре основные силы никак не связаны друг с другом. Но причина того, что Вселенная так искорежена, — это то, что она уже старая и холодная.
Хотя Вселенная возникла в состоянии совершенного единства, до сегодняшнего дня она прошла много «фазовых переходов», или изменений состояния, при которых вселенские силы одна за другой освобождались от взаимодействия с остальными по мере остывания Вселенной. Физикам предстоит заглянуть в прошлое, воссоздать этапы изначального формирования Вселенной (в состоянии совершенного единства), которые привели к тому повреждению Вселенной, которое мы видим на сегодняшний день.
Таким образом, чтобы получить ключ к разгадке, необходимо точно понять, как произошли эти «фазовые переходы» с момента создания Вселенной, которые ученые называют «спонтанными нарушениями». Будь то таяние льда, кипение воды, образование дождевых облаков или охлаждение после Большого Взрыва, фазовые переходы могут соединять два совершенно разных состояния вещества. (Чтобы показать, насколько мощными могут быть эти фазовые переходы, художник Боб Миллер загадал загадку: «Как можно подвесить 200 ООО кг воды в воздухе без всякой опоры? Ответ: образовать облако.)
Ложный вакуум
Процесс, когда одна сила отделяется от остальных, можно сравнить с прорывом плотины. Реки текут по склонам, потому что вода течет в направлении уменьшения энергии, то есть в сторону уровня моря. Наименьшим энергетическим состоянием является вакуум. Однако существует и необычный, ложный вакуум. Например, если мы соорудим плотину на реке, то будет казаться, что она находится в стабильном состоянии, в то время как в действительности она находится под огромным давлением. Если в плотине появится малейшая трещина, давление может разнести плотину, освободить поток энергии из ложного вакуума (перегороженная плотиной река) и вызвать катастрофический разлив ее в направлении истинного вакуума (уровень моря). Могут быть затоплены целые населенные пункты, если вдруг произойдет спонтанное разрушение плотины и внезапный переход от ложного вакуума к истинному.
Подобным образом, по теории Великого Объединения, Вселенная изначально возникла в состоянии ложного вакуума, где три силы были объединены в единое целое. Однако целостность эта была нестабильной, она спонтанно разрушилась, и произошел переход из ложного вакуума, где были объединены три силы, к истинному вакууму, где эти силы распались.
Все это было известно еще до того, как Гут начал анализировать теорию Великого Объединения. Но Гут заметил еще кое-что, что просмотрели другие. В состоянии ложного вакуума Вселенная расширяется экспоненциально, в точности так, как предсказывал де Ситтер в 1917 году. Энергия ложного вакуума является космологической константой, которая заставляет Вселенную расширяться с невероятной скоростью. Гут задался судьбоносным вопросом: может ли это экспоненциальное расширение де Ситтера разрешить некоторые космологические проблемы?
Проблема монополя
Одним из прогнозов теорий Великого Объединения было образование в начале времен множества монополей. Монополь — единичный магнитный полюс, северный или южный. В природе монополей не бывает: полюса встречаются только в паре. Если взять молоток и разбить им магнит пополам, то не получится двух монополей; вместо этого у вас окажется два меньших магнита с парой полюсов, северным и южным соответственно.
Проблемой, однако, стало то, что ученые, веками экспериментируя, не обнаружили убедительных доказательств существования монополя. Алан Гут был озадачен тем фактом, что теории Великого Объединения предсказывали существование большого количества монополей, хотя никто никогда их не видел. «Подобно единорогу, монополь и до сих пор продолжает пленять человеческий разум, несмотря на отсутствие убедительных доказательств его существования», — заметил Гут.
И тут внезапно ему в голову пришла идея. В мгновение ока все кусочки головоломного пазла встали на свои места. Он понял, что если Вселенная зародилась в состоянии «ложного вакуума», то она могла расширяться экспоненциально, как и предполагал де Ситтер несколько десятков лет тому назад. В этом состоянии ложного вакуума Вселенная могла внезапно инфляционно расшириться до невероятной степени. Если ученые до сих пор и не встречали монополя, то дело обстоит так лишь потому, что монополи были разбросаны по всей Вселенной, которая имела гораздо большие размеры, чем можно было предположить.
Для Гута это осознание стало источником радости и удивления. Такое простое решение могло бы в момент объяснить проблему монополя. Но Гут понимал, что последствия этого решения для космологии будут гораздо более существенными, чем он сам усматривал в своей идее.
Проблема плоскостности Вселенной
Алан Гут увидел, что его теория разрешает еще одну проблему, проблему плоскостности Вселенной, которую мы упоминали ранее. Стандартная картина Большого Взрыва не могла объяснить, почему Вселенная такая плоская. В 1970-е годы считалось, что плотность вещества во Вселенной, называемая to, равнялась приблизительно ОД. Тот факт, что значение было относительно близко к критической плотности 1,0 через столько миллиардов лет после Большого Взрыва, очень беспокоил ученых. По мере того как Вселенная расширялась, со должна была бы со временем измениться. Ее же значение было неуютно близко к значению 1,0, которое описывает полностью плоский космос.
Уравнения Эйнштейна для любого разумного значения со в начале времен показывают, что в наши дни со должна равняться почти нулю. Потребовалось бы чудо, чтобы со находилась так близко к значению 1 через столько миллиардов лет, прошедших после Большого Взрыва. Это то, что в космологии называют проблемой точной настройки. Бог, или Творец, должен был «выбрать» значение со с фантастической точностью, чтобы в наши дни она равнялась 0,1. Если в наши дни значение со находится в диапазоне от 0,1 до 10, то это подразумевает, что через одну секунду после Большого Взрыва ее значение равнялось 1,00000000000000. Иными словами, в начале времен значение со должно было быть «выбрано» равным единице с точностью до одной стотриллионной, что с трудом укладывается в голове.
Представьте, что вы стараетесь поставить карандаш на острие. Сколько бы вы ни искали баланс, карандаш все равно падает. По сути, необходима потрясающая точность настройки — сбалансировать карандаш таким образом, чтобы он не упал. А теперь попробуйте сбалансировать карандаш так, чтобы он простоял на острие грифеля не несколько секунд, а несколько лет! Вот также невероятна и точная настройка, необходимая для того, чтобы сегодня со равнялась 0,1. Малейшая ошибка в настройке стала бы причиной нынешнего значения со, намного отличного от единицы. Так почему же плотность столь близка к Первому дню Творения, если, Тю справедливости, ее значение должно бы уйти астрономически далеко?
Для Гута ответ был очевиден. Вселенная просто-напросто расширилась до такой степени, что стала казаться плоской. Подобно человеку, считающему, что Земля плоская, потому что он не видит горизонта, астрономы заключили, что значение со находится в области 1, потому что инфляция сделала Вселенную плоской.
Проблема горизонта
Инфляция не только объясняла факты, свидетельствующие о том, что Вселенная плоская, — она также решила проблему горизонта. Эта проблема основана на простом понимании того, что ночное небо кажется относительно однородным, в какую бы точку вы ни смотрели. Если вы повернете голову на 180°, то увидите, что Вселенная однородна, хотя только что видели сегменты Вселенной, разделенные десятками миллиардов световых лет. Мощнейшие телескопы не могут обнаружить каких-либо заметных отклонений в этой однородности. Наши космические спутники показали, что космическое фоновое микроволновое излучение также распределено чрезвычайно однородно. В какую бы точку космоса мы ни проникли, температура фонового излучения меняется не более чем на одну тысячную градуса.
Но в этом-то и проблема, поскольку скорость света является конечным скоростным пределом во Вселенной. За время жизни Вселенной свет или информация никоим образом не могли пройти расстояние от одной части ночного неба к другой. Если взять, скажем, микроволновое излучение, видимое в одном направлении, то оно путешествовало более 13 млрд лет с момента Большого Взрыва. Но если мы повернем голову на 180°, то увидим такое же микроволновое излучение, которое тоже пропутешествовало более 13 млрд лет. Поскольку эти излучения имеют одну и ту же температуру, это означает, что они находились в термальном контакте еще в начале времен. Но различные точки в ночном небе, разделенные расстоянием в 26 миллиардов световых лет, с момента Большого Взрыва никоим образом не могли обменяться информацией.
Ситуация выглядит еще хуже, если взглянуть на небо через 380000 лет после Большого Взрыва, когда впервые образовалось микроволновое фоновое излучение. Если мы взглянем на противоположные точки небесной сферы (не простым глазом, естественно), то увидим, что излучение почти однородно. Но, согласно расчетам в рамках теории Большого Взрыва, между этими противоположными точками лежит расстояние в 90 миллионов световых лет (из-за космического расширения после взрыва). Но свет никак не мог пройти 90 миллионов световых лет за 380 000 лет. Информация должна была бы двигаться со скоростью, намного превышающей скорость света, а это невозможно.
По справедливости, Вселенная должна бы казаться довольно комковатой, при этом одна ее часть находилась бы слишком далеко от другой, чтобы они могли контактировать между собой. Как может Вселенная казаться настолько однородной, когда у света просто-напросто не было достаточно времени, чтобы перенести и распространить информацию из одной части Вселенной в другую? (Принстонский физик Роберт Дик назвал эту проблему «проблемой горизонта», поскольку горизонт — самая отдаленная точка, которую мы можем видеть, самая отдаленная точка, до которой может распространяться свет.)
Однако Гут понял, что инфляция дает ключ к разрешению и этой проблемы. Он сделал следующий вывод: наша Вселенная, видимо, была крошечным язычком изначального огненного облака. Температура и плотность этого язычка были однородны. Но инфляция внезапно расширила этот язычок однородного вещества в 10раз, со скоростью, намного превышающей скорость света, а потому видимая сегодня Вселенная кажется столь однородной. Так что ночное небо и микроволновое излучение кажутся столь однородными из-за того, что видимая Вселенная была когда-то крошечным, но однородным язычком изначального облака пламени, который внезапно расширился, образовав Вселенную.
Реакция на инфляцию
Хотя Гут был уверен в том, что инфляционная теория верна, он несколько нервничал, когда начал читать первые публичные лекции. Когда в 1980 году он представил свою теорию, то признался: «Я все еще беспокоился о том, что некоторые заключения в теории могли быть неверны. И побаивался, что покажусь незрелым космологом». Но его теория была столь изящна и мощна, что физики всего мира незамедлительно уяснили всю ее важность. Нобелевский лауреат Марри Гелл-Манн воскликнул: «Вы решили важнейшую проблему космологии!» Другой нобелевский лауреат Шелдон Глэшоу по секрету сообщил Гуту, что Стивен Вайнберг был «взбешен», когда услышал об «инфляции». Гут взволнованно спросил: «У Стива были какие-то возражения по поводу теории?» Глэшоу ответил: «Нет, просто он жалел, что сам до нее не додумался». Ученые задавались вопросом, как они могли упустить такое простое решение. Теорию Гута восторженно приняли физики-теоретики, пораженные ее размахом.
Новая теория расширила и перспективы Гута на получение работы. Когда-то из-за большой конкуренции на рынке труда он лицом к лицу столкнулся с безработицей. «Я находился в критической ситуации в смысле трудоустройства», — признавался он. Внезапно на него посыпались предложения из лучших университетов, но
Массачусетский технологический институт, который он выбрал с самого начала, не прислал ему приглашения. Тогда же Гут прочитал записочку-предсказание, запеченную в печенье, которая гласила: «Если вы не слишком застенчивы, то прямо перед вами находится волнующая возможность». Это предсказание придало ему мужества позвонить в Массачусетский технологический институт и осведомиться о возможности получения работы. Он был ошеломлен, когда через несколько дней ему перезвонили из института и предложили должность профессора. В следующем печенье он обнаружил вот такое предсказание: «Не нужно действовать под влиянием момента». Не обратив внимания на совет, он решил принять предложение МТИ. «В конце концов, что может знать китайское печенье?» — спросил он себя.
Однако возникли серьезные проблемы. Астрономы были не слишком очарованы теорией Гута, поскольку в ней зияла пробоина; она давала неверный прогноз со. Тот факт, что со относительно близка к 1, мог объясняться теорией инфляции. Однако инфляционная теория шла намного дальше и предсказывала, что со (или со плюс л) должна в точности равняться 1, что соответствовало плоской Вселенной. В следующие годы по мере того, как накапливалось все больше экспериментальных данных о расположении темной материи во Вселенной, значение со несколько сдвинулось, поднявшись с 0,1 до 0,3. Но это значение все еще было потенциально опасным для теории инфляции. Хотя в течение следующего десятилетия физики посвятили теории инфляции более трех тысяч работ, для астрономов она оставалась странной. Им казалось, что имеющиеся у них данные исключают возможность инфляции Вселенной.
Некоторые астрономы жаловались, что физики, занимающиеся теорией частиц, настолько захвачены красотой теории инфляции, что готовы пренебречь экспериментальными фактами. (Астроном Роберт Киршнер из Гарварда писал: «Эта «инфляционная» теория звучит безумно. Тот факт, что ее серьезно воспринимают люди, которые пользуются заслуженным авторитетом, не превращает ее автоматически в правильную». Роджер Пенроуз из Оксфорда назвал теорию инфляции «модой, которую специалисты, занимающиеся физикой высоких энергий, навязали космологам. Даже муравьеды думают, что их детеныши прекрасны».)
Сам же Гут верил: рано или поздно подтвердится, что Вселенная плоская. Но его и вправду беспокоил тот факт, что в изначальной картине наблюдался маленький, но очень серьезный недостаток, который и до сих пор не до конца объяснен. Теория инфляции идеально подходила для решения глубоких космологических проблем. Проблема заключалась в том, что Гут не знал, как «выключить» инфляцию.
Представьте, что вы поставили на огонь чайник и температура воды в нем подходит к точке кипения. Как раз перед тем, как закипеть, она мгновенно переходит в состояние высокой энергии. Она стремится закипеть, но не может, потому что для образования пузырьков ей требуется какая-то неравномерность, инородное тело. Но когда пузырек образуется, он быстро переходит в состояние низкой энергии чистого вакуума, и чайник наполняется пузырьками. В конце концов пузырьки становятся такими большими, что сливаются, пока чайник не наполняется однородным паром. Когда все пузырьки сливаются, фаза перехода воды в пар завершена.
В изначальной картине Гута каждый пузырек представлял из себя частичку нашей Вселенной, расширяющейся из вакуума. Но когда Гут провел расчеты, он обнаружил, что пузырьки не сливаются должным образом, тем самым оставляя Вселенную невероятно комковатой. Иными словами, по его теории оставался полный чайник пузырьков пара, которые никогда не сольются вместе, чтобы образовать полный чайник однородного пара. Чайник кипящей воды Гута, казалось, никогда не превратится во Вселенную сегодняшнего дня.
В1981 году Андрей Линде из Института П. Н. Лебедева в России, а также Пол Дж. Штайнхардт и Андреас Альбрехт из Пенсильванского университета нашли способ разрешить эту загадку, поняв, что если одиночный пузырекложного вакуума будет расширяться достаточно долго, то в конце концов он заполнит весь «чайник» и создаст однородную Вселенную. Иными словами, наш мир может быть побочным продуктом одиночного пузырька, который расширился и заполнил Вселенную. Тогда не понадобилось бы большое количество пузырьков, которые должны слиться и заполнить чайник однородным паром. Достаточно было бы одиночного пузырька, при условии, что он расширялся бы достаточно долго.
Вернемся к аналогии с плотиной и ложным вакуумом. Чем шире плотина, тем больше времени понадобится воде, чтобы ее прорвать. Если стена плотины достаточно толстая, то время, нужное воде, чтобы пройти сквозь плотину, может быть произвольно долгим. Если Вселенная может расшириться в 10 раз, то у одиночного пузырька достаточно времени решить проблемы горизонта, плоскостной Вселенной и монополя. Иными словами, если процесс туннелиро-вания достаточно замедлен, то Вселенная расширяется достаточно долго, чтобы стать плоской и чтобы по ней распространились моно-поли. Но это все же не решает вопрос: какой механизм может продлить инфляцию такого большого масштаба?
В конце концов, эта трудная проблема стала известна как «проблема мягкого выхода», то есть как расширять Вселенную достаточно долго, чтобы один-единственный пузырек смог образовать целиком всю Вселенную. За несколько лет было предложено по крайней мере 50 различных способов решения «проблемы мягкого выхода». (Это обманчиво простая задача. Я сам пытался найти несколько решений. Было относительно легко создать расширение умеренных масштабов в ранней Вселенной. Но чрезвычайно трудно заставить Вселенную расшириться в 10 раз. Конечно, можно просто вписать цифру 10, но это будет искусственно и натянуто.) Иными словами, общепринятым было мнение, что процесс инфляции решает проблему монополя, горизонта и плоскостности Вселенной, но никто точно не знал, что вызвало инфляцию и что ее остановило.
Хаотическое расширение и параллельные вселенные
Физика Андрея Линде нисколько не беспокоил тот факт, что никто не торопился с решением проблемы мягкого выхода. Линде признавался: «У меня было такое чувство, что Бог просто не мог не воспользоваться такой возможностью упростить свою работу».
В конце концов Линде предложил новый вариант теории инфляции, который, казалось, не содержал некоторых недостатков предыдущих версий. Он представлял Вселенную, в которой в различных временных и пространственных отрезках происходят спонтанные нарушения. В каждой точке, где происходит нарушение, возникает, Вселенная, которая расширяется. Большую часть времени расширение незначительно. Но поскольку процесс беспорядочен, в конце концов возникает пузырек, расширение которого длится достаточно долго для того, чтобы создать нашу Вселенную. Из этого логически вытекает, что расширение является длительным и вечным, большие взрывы случаются постоянно, одни вселенные отпочковываются от других вселенных. Согласно этому сценарию, вселенные могут «распускаться бутонами» других вселенных, создавая тем самым «Мультивселенную».
Согласно этой теории, спонтанное нарушение может произойти где угодно в нашей Вселенной, став причиной того, что от нашей Вселенной отпочкуется еще одна. Это также означает, что и наша Вселенная могла отпочковаться от другой вселенной. Согласно хаотической инфляционной модели, Мультивселенная вечна, даже если не вечны отдельные вселенные. В некоторых вселенных значение ш может$7
Оглядываясь назад, можно сказать, что сама идея существования параллельных вселенных буквально навязана нам. Инфляционная теория представляет собой синтез традиционной космологии с достижениями в области физики элементарных частиц. Будучи квантовой теорией, физика частиц утверждает, что существует ограниченная вероятность происхождения маловероятных событий, таких, как создание параллельных вселенных. Таким образом, как только мы признаем возможность создания одной Вселенной, мы тем самым откроем двери возможности создания бесконечного множества параллельных вселенных. К примеру, вспомните о том, как квантовая теория описывает электрон. Вследствие нестабильности электрон не существует ни в одной отдельно взятой точке, а существует во всех возможных точках вокруг ядра. Это электронное «облако», окружающее ядро, представляет электрон, находящийся во многих положениях одновременно. Это основа всей химии, позволяющая электронам связывать молекулы между собой. Наши молекулы не растворяются, потому что вокруг них танцуют электроны, удерживая их в целостности. Подобным образом и наша Вселенная была когда-то меньше электрона. Применяя квантовую теорию ко Вселенной, мы вынуждены признать, что Вселенная существует одновременно во многих состояниях. Иными словами, допустив применение квантовых флуктуации ко Вселенной, мы почти вынуждены признать возможность существования параллельных Вселенных. Похоже, выбор у нас невелик.
Вселенная из ничего
Можно, конечно, возражать против понятия Мультивселенной, потому что кажется, что ее существование нарушает известные нам законы, такие, как законы сохранения вещества и энергии. Однако все энергетическое/материальное содержимое. В селенной может в действительности оказаться очень'малым. Материальное содержимое Вселенной, включая звезды, планеты и галактики, огромно и имеет величину положительную. Однако энергия, скрытая в гравитации, может быть отрицательной. Если добавить положительную энергию вещества к отрицательной энергии гравитации, то сумма может оказаться близкой к нулю! В каком-то смысле такие вселенные свободны. Они могут выпрыгнуть из вакуума практически без всяких усилий. (Если Вселенная является вселенной закрытого типа, то все энергетическое содержимое Вселенной должно быть в точности равно нулю.)
(Чтобы ухватить суть, представьте осла, падающего в глубокую яму, выкопанную в земле. Чтобы вытащить его оттуда, мы должны добавить ему энергии. Когда его вытащат и он снова будет стоять на земле, его энергия будет считаться нулевой. Таким образом, нам необходимо добавить энергии ослу, чтобы привести его в состояние нулевой энергии. Получается, что, пока он был в яме, у него была отрицательная энергия. Подобным образом, для того, чтобы вытащить планету из Солнечной системы, необходимо приложить энергию. Как только планета окажется в открытом космосе, она будет обладать нулевой энергией. Поскольку нам необходимо добавить энергии для того, чтобы извлечь планету из Солнечной системы и достичь состояния нулевой энергии, то, находясь внутри Солнечной системы, планета обладает отрицательной гравитационной энергией.)
По сути, для того, чтобы создать Вселенную, похожую на нашу, может потребоваться до смешного малое количество вещества — возможно, всего лишь 1 унция (28,3495 г). Как любит повторять Гут, «Вселенная может быть бесплатным завтраком». Эта идея была впервые предложена физиком Эдвардом Трайоном из Хантер-кол-леджа Нью-Йоркского университета, в работе, опубликованной журналом «Нэйчер» (Nature) в 1973 году. Он предположил, что Вселенная — это нечто, «что происходит время от времени» вследствие квантовых флуктуации в вакууме. (Хотя общее количество вещества, необходимого для создания Вселенной, может быть близким к нулю, вещество может быть сжато до невероятной плотности, как мы увидим в главе 12.)
Подобно мифу о Пань-гу, это является примером космологии creatio ex nihilo. Хотя теория о Вселенной-из-ничего не может быть доказана традиционными методами, она все же помогает ответить на практические вопросы о существовании Вселенной. К примеру, вращается ли Вселенная вокруг своей оси? Все, что мы видим вокруг, вращается — от волчков, ураганов, планет и галактик до квазаров. Кажется, это универсальная характеристика вещества во Вселенной. Но сама Вселенная не вращается. Когда мы смотрим на галактики в небесах, их общее вращение сводится к нулю. (Это довольно удачно, потому что, как мы увидим в главе 5, если бы Вселенная действительно вращалась, то путешествие во времени стало бы делом обычным и запись истории была бы невозможной.) Причиной, по которой наша Вселенная не вращается, может быть то, что она возникла из ничего. Поскольку вакуум не вращается, мы не ждем, что в нашей Вселенной возникнет какое-нибудь суммарное вращение. По сути, все вселенные-пузырьки в Мультивселенной могут иметь нулевое вращение.
Почему положительный и отрицательный электрические заряды сбалансированы? Обычно, рассуждая о космических силах, управляющих Вселенной, мы больше думаем о гравитации, нежели о силе этого электромагнитного взаимодействия, хотя сила гравитации бесконечно меньше силы электромагнитного взаимодействия. Причиной является совершенный баланс между положительным и отрицательным зарядами. В результате общий заряд Вселенной, видимо, нулевой, и кажется, что во Вселенной преобладает гравитация.
Хотя мы принимаем это как должное, явление нейтрализации положительных и отрицательных зарядов довольно любопытно и было экспериментально проверено с точностью до 10. (Конечно, существует местный дисбаланс зарядов, а потому мы периодически имеем дело с молниями. Но общее количество зарядов, даже для гроз, сводится к нулю.) Если бы разница между положительными и отрицательными зарядами в вашем теле составляла хотя бы 0,00001 %, то вас мгновенно разорвало бы в клочья, а электрическая сила выкинула бы части вашего тела в открытый космос.
Ответом на эти загадки, в течение долгого времени терзавшие ученых, может служить то, что Вселенная произошла из ничего. Поскольку у вакуума общее вращение и заряд равны нулю, то у любой дочерней Вселенной, выпрыгнувшей из ничего, вращение и заряд также должны быть нулевыми.
Существует одно бесспорное исключение из этого правила. Этим исключением является тот факт, что Вселенная состоит по большей части из вещества, а не из антивещества. Поскольку вещество и антивещество противоположны (при этом антивещество имеет в точности противоположный веществу заряд), мы могли бы предположить, что при Большом Взрыве возникло равное количество вещества и антивещества. Однако проблема в том, что при контакте вещество и антивещество уничтожат друг друга во взрыве гамма-лучей. Таким образом, мы вообще не должны были бы существовать. Вселенная была бы беспорядочным скоплением гамма-лучей, а не изобиловала бы обычным веществом. Если бы Большой Взрыв был полностью симметричен (или произошел из ничего), то нам следовало бы ожидать образования одинакового количества вещества и антивещества. Так почему же мы все-таки существуем? Решение, предложенное русским физиком Андреем Сахаровым, состоит в том, что Большой Взрыв вовсе не был абсолютно симметричным. Крошечное количество симметрии между веществом и антивеществом было нарушено в момент создания, а потому вещество стало доминировать над антивеществом и это сделало возможным существование Вселенной, которую мы видим вокруг себя. (Симметрия, нарушенная в момент Большого Взрыва, называется СР-симметрией (CP-symmetry), это симметрия равенства противоположных зарядов и равенства частиц вещества и антивещества.) Если Вселенная произошла из «ничего», то, возможно, «ничто» не было совсем пустым, но содержало в себе небольшое количество нарушения симметрии, что объясняет небольшое преобладание вещества над антивеществом в наши дни. Происхождение этого нарушения симметрии и до сих пор неизвестно.
|
Скачать 0.53 Mb.