Космос и хаос. Что должен знать современный человек о прошлом, настоящем и будущем Вселенной
Шрифт:
Спешу вас, читатель, успокоить – такую возможность нам в полной мере дает инфляционный сценарий рождения Вселенной, о котором уже давно пора поговорить подробнее. Он легко и непринужденно снимает и проблему горизонта, и проблему плоскостности, и кучу других проблем, под грузом которых изнемогала классическая модель Большого взрыва.
Итак, что же такое космологическая инфляция и чем она отличается от стандартного расширения, которое мы продолжаем наблюдать сегодня в виде красного смещения в спектрах далеких галактик? Инфляция – это период катастрофически быстрого раздувания пространства в начальной фазе жизни нашей Вселенной. Сказать, что это раздувание было стремительным и мимолетным – ничего не сказать. Его продолжительность укладывается в исчезающе малые сроки: инфляция началась, когда возраст Вселенной составлял 10-43секунды, а закончилась, когда он достиг 10-37секунды. В начале инфляции размер Вселенной был чуть больше 10-33см, что сопоставимо с планковской длиной, а в момент ее окончания равнялся примерно 0,1 см (в других инфляционных сценариях эта величина колеблется от одного
Легко видеть, что первоначальное расширение юной Вселенной происходило со скоростью, многократно превышающей скорость света, поскольку планковские длина и время связаны между собой: за 10-43секунды свет успевает пройти расстояние не больше, чем 10-33см. Неужто мы наконец опровергли самого Эйнштейна? Не будем спешить, читатель. В действительности никакого противоречия здесь нет и в помине, ибо теория относительности ограничивает скоростью света только перемещение материальных тел, но ровным счетом ничего не говорит о скорости расширения самого пространства как такового. Пока частицы вещества продолжают двигаться со скоростями меньшими, чем скорость света, объемлющему их пространству позволительно пухнуть сколь угодно быстро: скорость его раздувания ограничена только лишь количеством доступной энергии, обеспечивающей упомянутое раздувание.
Между прочим, введение одного-единственного дополнительного параметра – инфляционного расширения по экспоненте – автоматически разрешает проклятую проблему горизонта. В свое время мы постулировали, что горизонт всегда растет быстрее, чем увеличивается расстояние между двумя точками (или двумя частицами) в пространстве. Однако вскоре после рождения Вселенной это условие, очевидно, не выполнялось. Вообразим себе крошечную юную Вселенную порядка планковской длины – чуть более 10-33см. Внутри этого домена еще до начала инфляции успели установиться термодинамическое равновесие и причинная связь. Когда наступает фаза инфляции, пространство стремительно разгоняется, буквально пухнет как на дрожжах, в результате чего микроскопическая однородная область почти мгновенно чудовищно вырастает в размерах. Объем домена растет значительно быстрее, чем расстояние горизонта. К моменту окончания инфляции он составляет примерно 1 см3, и внутри этой области Вселенная является «гладкой», без заметных контрастов плотности, температуры и давления. В дальнейшем инфляция сменяется стандартным расширением, и горизонт частиц продолжает неторопливо расти, достигая к нашему времени величины порядка 1028см. При этом все частицы, заполняющие наблюдаемую часть Вселенной, еще до начала инфляции успели установить между собой причинную связь. Домен, разросшийся в ходе стандартного расширения, сохраняет то состояние, которое сформировалось во время инфляции. Космологи говорят, что вся современная Вселенная находится внутри одной причинно-связанной области.
Аналогично решается и проблема плоскостности. Сегодня пространство нашей Вселенной практически плоское, но до эпохи инфляции параметр ? мог ощутимо отличаться от единицы в любую сторону. Какой бы ни была кривизна мира вблизи точки «ноль», в финале мы все равно получим почти плоскую модель, потому что инфляционное распухание выглаживает контрасты плотности. Это легко увидеть на простом примере. Предположим, что параметр плотности до начала инфляции был заметно больше единицы (? › 1). Тогда мы получаем топологию замкнутого пространства, то есть Вселенная эквивалентна поверхности сферы. При раздувании шара его радиус растет, и если выбрать на его поверхности достаточно маленькую область, ее кривизна будет практически неотличима от нуля. В конце концов, поверхность Земли представляется нам совершенно плоской. Если же вспомнить, что в некоторых моделях инфляции (о различных инфляционных сценариях мы поговорим чуть ниже) первоначальный крошечный домен, сопоставимый с планковской длиной, раздувается до астрономической величины 101000см, то наблюдаемая Вселенная (или Метагалактика), диаметр которой примерно равен 1028см, будет составлять ничтожную часть гигантской Мегавселенной. Понятно, что в этом случае микроскопическая область, не превышающая Ю-1000части исполинского шара, будет восприниматься как идеально плоская. Таким образом, нет никакой необходимости постулировать особые начальные условия, которые впоследствии обеспечили почти нулевую кривизну Вселенной. Параметр плотности мог принимать любые значения около точки «ноль», так как всеобъемлющая инфляция неминуемо выгладит все неровности и сделает пространство практически плоским.
Вернемся к началу инфляции, в эпоху очень ранней Вселенной, когда ее возраст составлял 10-43секунды. Какие силы разогнали пространство до невообразимых скоростей и увеличили его объем на порядки порядков? Чтобы ответить на этот каверзный вопрос, ученым пришлось ввести дополнительное понятие об инфлатонном поле, которое нередко также называют скалярным полем Хиггса и состоянием фальшивого, или ложного, вакуума. Пугаться этого не стоит, поскольку для объяснения загадки скрытой массы и темной энергии (речь об этих феноменах у нас впереди) все равно так или иначе придется прибегать к услугам новых полей, неизвестных современной науке. В дебри высокой физики мы не полезем, поскольку адекватно разобраться в этих вещах без весьма сложного математического аппарата не представляется возможным. Отметим только, что гипотетическое инфлатонное поле обладает очень странными и даже немного пугающими характеристиками.
Обратимся к наглядному примеру, дабы в живых образах проиллюстрировать положение дел. Представьте себе заснеженный горный склон, изобилующий неровностями и локальными перепадами высот. Вы скатываете снежок и пускаете его вниз по склону. Если снег достаточно влажный, снежок начнет быстро увеличиваться в размерах, пока не превратится в громадный ком. Процесс развивается по экспоненте – чем больше диаметр снежка, тем быстрее он растет. Наш гипотетический склон заканчивается пропастью, и когда снежный ком достигнет края обрыва, то в полном соответствии с законами физики полетит вертикально вниз с нарастающей скоростью. Оказавшись на дне, он вдребезги разобьется, причем часть кинетической энергии снежного кома уйдет на нагрев окружающей среды.
Теперь вернемся к инфлатонному полю с его загадочными характеристиками. Во-первых, это скалярное поле, то есть поле никак не ориентированное в пространстве, в отличие, скажем, от электромагнитного. В нем отсутствуют силовые линии, а его напряженность всюду одинакова. С некоторыми оговорками его можно уподобить гомогенной субстанции вроде тягучего растекшегося меда. Во-вторых, инфлатонное поле характеризуется предельно сильным отрицательным давлением, которое буквально «расталкивает» вещество, преодолевая силу гравитации. В стандартной горячей модели Большого взрыва плотность материи падает по мере увеличения размеров Вселенной, что вполне естественно, так как энергетическая плотность определяется наличной энергией, поделенной на объем. А вот инфлатонное поле (то бишь фальшивый вакуум) ведет себя парадоксально: его энергетическая плотность по мере раздувания остается постоянной, поэтому энергия, управляющая распуханием пространства, не только не уменьшается, а напротив, растет по экспоненте. Однако ничто не вечно под луной – состояние вещества с нарастающим отрицательным давлением крайне неустойчиво, а потому должно неминуемо поменять режим расширения. Фаза инфляции стремительно сходит на нет, и вся потенциальная энергия фальшивого вакуума превращается в кипящий суп из новорожденных элементарных частиц, разогретый до высочайших температур. Другими словами, с окончанием эпохи инфляции рождается обычная материя в виде горячей плазмы.
Давайте еще раз прогуляемся по заснеженному горному склону и снова поиграем в снежки. В этой удобной модели аналогом инфлатонного поля, заполняющего все пространство, будет снег на склоне. Благодаря случайным квантовым флуктуациям наше поле может принимать самые разные значения в различных областях. Образование снежка является именно такой квантовой флуктуацией. Пока снежок покоится, ничего примечательного не происходит, но стоит ему двинуться вниз по склону, как он сразу же начинает стремительно расти. Инфлатонное поле, раздувающее новорожденную флуктуацию, стремится занять положение, в котором его энергия минимальна. В точности то же самое происходит и со снежным комом: теряя энергию и чудовищно распухая, он достигает наконец края обрыва и валится в пропасть, а вся накопленная им энергия трансформируется в кинетическую энергию разлетающихся частиц. Пока снежный ком путешествует по горному склону, инфляция все время продолжает набирать обороты, но стоит ему коснуться дна ущелья, как энергия инфлатонного поля скукоживается до минимума, ибо падать больше некуда. Происходит разогрев Вселенной, и как раз этот момент воспринимается нами как Большой взрыв.
Плато, по которому катится наш снежок, отнюдь не гладкий полированный стол без сучка и задоринки, а поверхность, имеющая куда более сложный рельеф. Локальные перепады высот в виде разного рода кочек и неожиданных препятствий неизбежно вносят ощутимые возмущения в траекторию снежного кома. Кроме того, таких комков (читай – квантовых флуктуации) на склоне имеется великое множество: одни лежат ближе к обрыву, другие располагаются дальше от него. И если отдельным снежкам удается сравнительно беспрепятственно скатиться прямиком вниз, то другие обречены петлять и прыгать «по долинам и по взгорьям», надолго застревая в ямах и глубоких выбоинах. Точно так же ведут себя и реальные квантовые флуктуации – зародыши будущих вселенных: одни из них переживают кратковременную инфляцию (инфляция, как мы помним, продолжается до тех пор, пока снежный ком движется по плато), другие раздуваются до сих пор, а третьи моментально схлопываются, не успев как следует вырасти. Таким образом, в нашем распоряжении оказывается целый ансамбль вселенных вместо одной-единственной, каждая со своим набором уникальных свойств.
Этот сценарий, получивший название вечной, или хаотической, инфляции, был предложен в середине 80-х годов прошлого века выдающимся американским астрофизиком Андреем Линде, бывшим нашим соотечественником. Помимо всего прочего, модель вечной инфляции замечательна тем, что позволяет избавиться от проклятия современной космологии – антропного принципа. Впрочем, об антропном принципе речь у нас пойдет в следующих главах, здесь же отметим только, что фундаментальные константы (гравитационная постоянная, масса электрона и др.) и сами законы природы, управляющие поведением нашего мира, удивительным образом допускают возникновение сложных структур вообще и разумной жизни в частности. Если их величину слегка подправить (совсем чуть-чуть, на ничтожную долю процента), Вселенная преобразится радикально. Скажем, при ином соотношении масс протона и электрона образование сколько-нибудь сложных структур станет принципиально невозможным. Между тем наблюдаемое соотношение – голый эмпирический факт, не выводимый из теоретических построений. Будто бы кто-то мудрый, дальновидный и предусмотрительный, тщательно взвесив все pro et contra, специально подобрал величины фундаментальных констант таким образом, чтобы недружелюбный космос сделался «гостеприимным» для человека. А вот идея о бесчисленном множестве вселенных, разнящихся по своим параметрам, автоматически снимает эту проблему.