Алан Гут из Массачусетского технологического института предпринял попытку отыскать модель Вселенной, в которой из разных начальных конфигураций формировался мир, примерно подобный нашему. Ученый предположил, что ранняя Вселенная пережила период очень быстрого расширения[32]. Он получил название «инфляционное расширение»: имелось в виду, что в какой-то момент Вселенная расширялась с ускорением, а не с замедлением, как в настоящее время[33]. Согласно Гуту, за ничтожную долю секунды радиус Вселенной увеличился в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз (единица с тридцатью нулями).
Гут выдвинул гипотезу о том, что Вселенная после Большого взрыва пребывала в очень горячем и весьма хаотичном состоянии. Высокая температура предполагает, что частицы во Вселенной двигались очень быстро и имели высокие энергии. Как мы обсуждали выше, при таких температурах сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия должны были быть единой силой. По мере расширения Вселенная остывала, и энергии частиц уменьшались. В какой-то момент произошел так называемый фазовый переход, и симметрия между тремя видами взаимодействия оказалась нарушена: сильное взаимодействие разошлось со слабым и электромагнитным. Примером фазового перехода в обычной жизни может служить замерзание воды при ее охлаждении. Жидкая вода симметрична, одинакова во всех точках и во всех направлениях. Вместе с тем кристаллы льда находятся в определенных положениях и выстроены в определенном направлении. Таким образом, происходит нарушение симметрии воды.
Если действовать осторожно, воду можно «переохладить»: ее температуру можно опустить ниже точки замерзания (0 °С) так, что она не превратится в лед. По догадке Гута, Вселенная могла вести себя похожим образом: ее температура могла опуститься ниже критического значения без нарушения симметрии между разными видами взаимодействия. Если бы это произошло, Вселенная оказалась бы в неустойчивом состоянии с большей энергией, чем в случае нарушения симметрии. Можно доказать, что эта избыточная энергия проявила бы себя как антигравитация, – она действовала бы как космологическая постоянная, введенная Эйнштейном в общую теорию относительности при попытке построить статическую модель Вселенной. Поскольку Вселенная в этот момент расширялась по модели горячего Большого взрыва, вызванный космологической постоянной эффект отталкивания должен был привести к ускоренному расширению. Вызванное эффективной космологической постоянной отталкивание – даже в областях с повышенной концентрацией частиц вещества – оказалось бы сильнее гравитационного притяжения этого вещества. Таким образом, эти области тоже расширялись бы с инфляционным ускорением. В результате их расширения и разбегания частиц мы получили бы расширяющуюся Вселенную в переохлажденном состоянии, в которой вещество практически отсутствует. Любые неоднородности во Вселенной должны были выровняться в результате расширения, подобно тому как морщинки на воздушном шаре разглаживаются, когда мы надуваем его. Таким образом, из множества неоднородных начальных состояний могло получиться современное – однородное и единообразное.
В такой Вселенной, где расширение ускоряется посредством космологической постоянной, а не замедляется гравитационным притяжением вещества, у света в ранней Вселенной будет достаточно времени, чтобы пройти путь из одной области в другую. Таким образом решается проблема, с которой мы столкнулись выше, – проблема универсальности свойств разных областей ранней Вселенной. К тому же скорость расширения Вселенной автоматически приближается к критическому значению, определяемому плотностью энергии Вселенной. Это может служить объяснением тому, почему скорость расширения и сейчас столь близка к пороговой. И нам не нужно уже исходить из того, что начальная скорость расширения Вселенной была тщательно подобрана.
Гипотеза инфляции может также объяснить, почему во Вселенной так много вещества. В наблюдаемой нами области Вселенной около десяти миллионов миллионов миллионов миллионнов миллионов миллионов миллионов миллионнов миллионов миллионов миллионов миллионнов миллионов миллионов (единица с восьмидесятью нулями) частиц. Откуда все они появились? Разгадка в том, что согласно квантовой теории, частицы могут возникать из энергии в виде пар частица – античастица. Но тогда встает вопрос, откуда взялась энергия. Мы знаем, что суммарная энергия Вселенной в точности равна нулю. Вещество во Вселенной состоит из положительной энергии. Однако все вещество взаимно притягивается посредством гравитации. Энергия двух фрагментов вещества, расположенных вблизи друг друга, меньше, чем энергия тех же фрагментов на большом удалении друг от друга, потому что для сохранения их автономности вопреки их взаимному притяжению нужно затратить энергию. Так что в некотором смысле энергия гравитационного поля отрицательна. Можно доказать, что в случае примерно однородной в пространстве Вселенной эта отрицательная энергия в точности уравновешивает положительную энергию, представленную веществом, и следовательно, совокупная энергия Вселенной равна нулю.
Ну а нуль, умноженный на два, тоже равен нулю. То есть можно одновременно удвоить и количество положительной энергии, заключенной в веществе, и количество отрицательной энергии, не нарушив закон сохранения энергии. При обычном расширении Вселенной, когда плотность энергии вещества уменьшается с увеличением размеров Вселенной, этого не происходит. Но это случается, например, при инфляционном расширении, потому что плотность энергии переохлажденного состояния остается постоянной: при удвоении размеров Вселенной положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия удваиваются, а совокупная энергия остается равной нулю. В ходе инфляционной стадии размер Вселенной увеличивается во много раз, и поэтому полная энергия, доступная для рождения частиц, очень велика. Гут пошутил: «Говорят, что бесплатных обедов не бывает. Но Вселенная и есть абсолютно бесплатный обед».
В наше время инфляционного расширения Вселенной не происходит. Следовательно, должен существовать какой-то механизм «утилизации» большой эффективной космологической постоянной и изменения характера расширения с ускоренного на современный, который замедляется гравитацией. Естественно ожидать, что в какой-то момент при инфляционном расширении симметрия сил нарушится – так же, как переохлажденная вода в конце концов замерзает. При этом высвободится избыточная энергия состояния с ненарушенной симметрией, что приведет к нагреванию Вселенной до температуры чуть ниже критического значения, соответствующего симметрии взаимодействий. Вселенная продолжит расширяться и остывать, как в модели горячего Большого взрыва, а у нас будет объяснение, почему Вселенная расширялась в точности с критической скоростью и почему температура в разных областях была одинакова.
Согласно исходной гипотезе Гута, фазовый переход произошел внезапно – совсем как кристаллы льда возникают в переохлажденной воде. Он предположил, что «пузырьки» новой фазы с нарушенной симметрией возникали еще в старой фазе, подобно пузырькам пара, окруженным кипящей водой. Расширяясь, они соединялись друг с другом, пока вся Вселенная не перешла в новую фазу. Проблема состояла в том, что, как отмечал я и некоторые другие исследователи, скорость расширения Вселенной выходила такой большой, что даже если бы пузырьки росли со скоростью света, то и тогда они разлетались бы друг от друга и не могли соединиться. Вселенная тогда пришла бы в весьма неоднородное состояние: в отдельных ее областях по-прежнему сохранялась бы симметрия между разными взаимодействиями. Такая модель расходилась бы с наблюдениями.
В октябре 1981 года я отправился в Москву на конференцию по квантовой гравитации. После конференции я провел семинар по инфляционной модели и связанными с ней проблемами в Астрономическом институте имени Штернберга[34]. До этого мне приходилось просить кого-нибудь прочесть мою лекцию вместо меня, потому что большинство присутствующих не могли разобрать мой голос. Но в этот раз на подготовку семинара не было времени, так что мне пришлось все рассказывать самому, а один из моих аспирантов повторял мои слова. Вышло замечательно, и я чувствовал контакт с аудиторией. Среди
