Проблема плоскостности Вселенной
Алан Гут увидел, что его теория разрешает еще одну проблему, про-
блему 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 пло-
ский 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 фантастиче-
ской 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 равня-
лось 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 зна-
чения 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 рас-
ширилась 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 обла-
сти 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 ка-
жется относительно однородным, в какую бы точку вы ни смотрели.
Если вы повернете голову на 180°, то увидите, что Вселенная одно-
родна, хотя только что видели сегменты Вселенной, разделенные де-
сятками 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 одно-
родно. В какую бы точку космоса мы ни проникли, температура фо-
нового 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, ска-
жем, 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 микровол-
новое 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 расстояни-
ем в 26 миллиардов световых лет, с момента Большого Взрыва нико-
им 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 противо-
положные 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 кос-
мического 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 дале-
ко 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, кото-
рую 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, ви-
димо, была крошечным язычком изначального огненного облака.
Температура и плотность этого язычка были однородны. Но инфля-
ция внезапно расширила этот язычок однородного вещества в 1050
раз, со скоростью, намного превышающей скорость света, а потому
видимая сегодня Вселенная кажется столь однородной. Так что ноч-
ное небо и микроволновое излучение кажутся столь однородными
из-за того, что видимая Вселенная была когда-то крошечным, но од-
нородным язычком изначального облака пламени, который внезапно
расширился, образовав Вселенную.
Реакция на инфляцию
Хотя Гут был уверен в том, что инфляционная теория верна, он не-
сколько 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 во-
просом, как они могли упустить такое простое решение. Теорию Гута
восторженно приняли физики-теоретики, пораженные ее размахом.
Новая теория расширила и перспективы Гута на получение рабо-
ты. 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 осведо-
миться 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 момен-
та». 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 близ-
ка 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 мате-
рии 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» тео-
рия 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 иде-
ально подходила для решения глубоких космологических проблем.
Проблема заключалась в том, что Гут не знал, как «выключить» ин-
фляцию.
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 стре-
мится 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 энер-
гии чистого вакуума, и чайник наполняется пузырьками. В конце
концов пузырьки становятся такими большими, что сливаются, пока
чайник не наполняется однородным паром. Когда все пузырьки сли-
ваются, 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, ни-
когда не превратится во Вселенную сегодняшнего дня.
В1981 году АндрейЛинде 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 одно-
родную Вселенную. Иными словами, наш мир может быть побочным
продуктом одиночного пузырька, который расширился и заполнил
Вселенную. Тогда не понадобилось бы большое количество пузырь-
ков, которые должны слиться и заполнить чайник однородным па-
ром. 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, что-
бы пройти сквозь плотину, может быть произвольно долгим. Если
Вселенная может расшириться в 1050 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 про-
длить инфляцию такого большого масштаба?
В конце концов, эта трудная проблема стала известна как «про-
блема мягкого выхода», то есть как расширять Вселенную достаточ-
но долго, чтобы один-единственный пузырек смог образовать цели-
ком 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 1050 раз. Конечно, можно просто вписать
цифру 1050, но это будет искусственно и натянуто.) Иными словами,
общепринятым было мнение, что процесс инфляции решает пробле-
му 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 признавал-
ся: «У меня было такое чувство, что Бог просто не мог не воспользо-
ваться такой возможностью упростить свою работу».
В конце концов Линде предложил новый вариант теории инфля-
ции, который, казалось, не содержал некоторых недостатков пре:
дыдущих 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 расши-'
рение 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 хао-
тической инфляционной модели, Мультивселенная вечна, даже если
не вечны отдельные вселенные. В некоторых вселенных значение
ш может быть очень большим, и тогда они немедленно прекратят
свое существование в результате Большого Сжатия после Большого
Взрыва. В других вселенных это значение может быть совсем близ-
ким к нулю, в результате чего они будут расширяться вечно. В конце
концов в Мультивселенной начинают доминировать те вселенные,
которые стремительно расширяются.
Оглядываясь назад, можно сказать, что сама идея существования
параллельных вселенных буквально навязана нам. Инфляционная те-
ория представляет собой синтез традиционной космологии с дости-
жениями 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 рас-
творяются, 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 кванто-
вых флуктуации ко Вселенной, мы почти вынуждены признать воз-
можность существования параллельных Вселенных. Похоже, выбор
у нас невелик.
Вселенная из ничего
Можно, конечно, возражать против понятия Мультивселенной, по-
тому что кажется, что ее существование нарушает известные нам
законы, такие, как законы сохранения вещества и энергии. Однако
все энергетическое/материальное содержимое.Вселенной может
в действительности оказаться очень'малым. Материальное содер-
жимое Вселенной, включая звезды, планеты и галактики, огромно и
имеет величину положительную. Однако энергия, скрытая в грави-
тации, 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 от-
рицательная 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 со-
стояния 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» вслед-
ствие квантовых флуктуации в вакууме. (Хотя общее количество ве-
щества, 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 действитель-
но 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 за-
ряды сбалансированы? Обычно, рассуждая о космических силах,
управляющих Вселенной, мы больше думаем о гравитации, нежели
о силе этого электромагнитного взаимодействия, хотя сила гравита-
ции бесконечно меньше силы электромагнитного взаимодействия.
Причиной является совершенный баланс между положительным и
отрицательным зарядами. В результате общий заряд Вселенной, ви-
димо, 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 10~21. (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 отрица-
тельными 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 веще-
ство и антивещество противоположны (при этом антивещество име-
ет в точности противоположный веществу заряд), мы могли бы пред-
положить, 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 следо-
вало 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 антивеще-
ством было нарушено в момент создания, а потому вещество стало
доминировать над антивеществом и это сделало возможным суще-
ствование Вселенной, которую мы видим вокруг себя. (Симметрия,
нарушенная в момент Большого Взрыва, называется СР-симметрией
(CP-symmetry), это симметрия равенства противоположных заря-
дов 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 сим-
метрии, что объясняет небольшое преобладание вещества над анти-
веществом в наши дни. Происхождение этого нарушения симметрии
и до сих пор неизвестно.
