Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности

гигантское раздувание пространства в ранней истории Вселенной. (б) После раздувания эволюция Вселенной переходит в стандартную эволюцию, разработанную в модели Большого взрыва

Открытие Гута — названное инфляционной космологией — вместе с важными усовершенствованиями, внесёнными Линде, Альбрехтом и Стейнхардтом, объяснило, что? именно с самого начала заставило пространство расширяться. Поле Хиггса, удерживаемое на величине, соответствующей энергии поля выше нуля, может обеспечить взрыв, заставивший пространство раздуваться. Гут снабдил Большой взрыв собственно взрывом.

Рамки инфляции

Открытие Гута было быстро оценено как крупное достижение и определило доминирующее направление космологических исследований. Но отметим два момента. Во-первых, в стандартной модели Большого взрыва сам взрыв произошёл как бы в момент времени «нуль», в самом начале Вселенной, так что он выглядит как акт творения. Но точно так же, как кусок динамита взрывается только когда его правильно подожгли, в инфляционной космологии взрыв произошёл только тогда, когда сложились подходящие условия, — когда имелось поле инфлатона, величина которого обеспечила энергию и отрицательное давление, инициировавшие взрыв отталкивающей гравитации, — и это вовсе не обязано совпадать с «творением» Вселенной. По этой причине инфляционный взрыв лучше всего представлять как одно из событий, которое пережила существовавшая и до него Вселенная, но не обязательно как именно то событие, которое создало Вселенную. Мы отметили это на рис. 10.3, сохранив некоторое размытое пятно от рис. 9.2, обозначив наше неведение относительно фундаментального начала. Более точно, если инфляционная космология верна, то пятно означает наше неведение относительно того, почему имелось поле инфлатона, почему чаша его потенциальной энергии имела форму, подходящую для того, чтобы произошла инфляция, почему имелись пространство и время, в рамках которых могло иметь место всё вышесказанное, и, как сказано в ещё более грандиозной фразе Лейбница, почему есть нечто, вместо ничто.

Второе наблюдение состоит в том, что инфляционная космология не является отдельной теорией. Скорее это некий космологический каркас, выстроенный вокруг понимания, что гравитация может быть отталкивающей и, следовательно, может привести к раздуванию пространства. Точные детали раздувания — когда оно произошло, как долго оно длилось, какова была отталкивающая сила, во сколько раз Вселенная увеличилась во время раздувания, каково количество энергии, которое инфляция вложила в обычную материю, когда раздувание подошло к концу и т. д. — зависят от деталей, которые в настоящее время находятся за пределами наших способностей определить их только из теории; больше всего они зависят от таких деталей, как размер и форма чаши потенциальной энергии поля инфлатона. Поэтому многие годы физики изучали разные возможности — различные формы потенциальной энергии, различное количество полей инфлатона, работающих в тандеме, и т. д. — и определяли, какие параметры дают лучшее соответствие теорий с астрономическими наблюдениями. Важно то, что имеются разделы инфляционных космологических теорий, которые не зависят от деталей и поэтому являются общими, по существу, для любой реализации. Само раздувание, по определению, является одним из таких свойств, и потому любая инфляционная модель приходит к взрыву. Но имеются и другие свойства, присущие всем инфляционным моделям, которые жизненно важны, поскольку решают проблемы, заведшие в тупик стандартную космологию Большого взрыва.

Инфляция и проблема горизонта

Одна из таких проблем называется проблемой горизонта и заключается в однородности микроволнового фонового излучения, о котором мы говорили ранее. Напомним, что температура микроволнового излучения, приходящего к нам с любого выбранного направления в пространстве, согласуется с температурой излучения, приходящего с любого другого направления, с чрезвычайной точностью (до тысячной доли градуса). Этот наблюдательный факт является ключевым, поскольку он подтверждает однородность всего пространства, допуская гигантские упрощения в теоретических моделях космоса. В предыдущих главах мы использовали эту однородность, чтобы существенно снизить количество возможных форм пространства и чтобы обосновать существование однородного космического времени. Проблема возникает, когда мы пытаемся объяснить, почему Вселенная стала такой однородной. Как получилось, что страшно удалённые области Вселенной так подстроились друг к другу, что стали иметь почти одинаковую температуру?

Если вы вспомните главу 4, то одна из возможностей заключается в том, что точно так же, как нелокальное квантовое запутывание может коррелировать спины двух далеко разнесённых частиц, оно может коррелировать также и температуры двух далеко разнесённых областей пространства. Хотя это интересное предположение, но, как обсуждалось в конце главы 4, колоссальное размывание запутывания во всех ситуациях, кроме наиболее контролируемых, совершенно исключает такую возможность. Но, может быть, имеется более простое объяснение. Может быть, давным-давно, когда все области пространства были ближе друг к другу, их температуры выравнялись благодаря их тесному контакту, примерно так, как нагретая кухня и холодная жилая комната сравниваются температурой, когда дверь между ними на время открыта. Однако в стандартной теории Большого взрыва это объяснение также не проходит. Приведём другую возможность, о которой стоит подумать.

Представьте, что вы просматриваете фильм, который показывает всю космическую эволюцию от начала до сегодняшнего дня. Остановите плёнку на некотором произвольном моменте и спросите себя: могут ли две различные области пространства, вроде кухни и жилой комнаты, влиять на температуру друг друга? Могут ли они обменяться светом и теплом? Ответ зависит от двух вещей: от расстояния между областями и от времени, прошедшего с момента взрыва. Если расстояние между ними меньше, чем путь, который может проделать свет за время с момента Взрыва, то области могут повлиять друг на друга; в противном случае не могут. Тогда вы можете подумать, что все области наблюдаемой Вселенной могли провзаимодействовать друг с другом где-то вблизи начала Вселенной, поскольку чем дальше мы отматываем плёнку назад, тем ближе становятся области и поэтому им легче взаимодействовать. Но это рассуждение слишком поспешно; оно не учитывает тот факт, что не только области пространства были ближе друг к другу, но у них также было меньше времени, чтобы осуществить связь.

Чтобы провести правильный анализ, представьте фильм о космической эволюции, прокручивающийся в обратном направлении, при этом сосредоточьтесь на двух областях пространства, находящихся в настоящее время на противоположных сторонах наблюдаемой Вселенной, — на областях настолько удалённых, что они в настоящее время находятся вне сферы влияния друг на друга. Если для уменьшения расстояния между ними вдвое мы отмотаем космическую плёнку более чем наполовину назад, тогда, хотя области пространства и стали ближе друг к другу, взаимодействие между ними всё равно невозможно: они оказались разделены расстоянием, вдвое меньшим чем сегодня, но и времени с момента Взрыва прошло меньше, чем половина от сегодняшнего, так что свет смог бы пролететь только меньше половины нужного расстояния. Аналогично, если из этой точки на плёнке мы снова переместимся более чем наполовину назад к началу, чтобы ещё раз вдвое уменьшить расстояние между областями, сообщение между ними снова станет ещё более сложным. При таком характере космической эволюции, хотя области и были ближе друг к другу в прошлом, становится всё более загадочным, как они сумели выровнять температуры. По отношению к тому, как далеко может пройти свет, эти области становятся всё более недоступными друг для друга, по мере того как мы рассматриваем их все во всё более ранние моменты времени.