Спасительная инфляция

В конце 1970-х молодой физик, специалист по частицам Алан Гут, сотрудник Стэнфордского линейного ускорителя, решился внести в историю вселенной, как ее представляли себе на тот момент космологи, существенные изменения. Он сразу же понял, что напал на золотую жилу, и записал в своем блокноте: “ОШЕЛОМЛЯЮЩЕЕ ОСОЗНАНИЕ” – и дважды обвел эти слова кружком. Открытие Гута блестяще разрешило проблемы теории Большого взрыва, а заодно наметило для вселенной возможность сделаться в итоге такой, какой мы ее видим, причем для этого не требовалось сверхточной подгонки начальных условий.

Гут предположил, что вселенная вначале пережила краткий период невероятно быстрого роста, а потом “замедлилась” и продолжала расширяться уже с той скоростью, какую мы регистрируем и сейчас. Именно мысль о “замедлении” принципиально отличает концепцию Гута от прежних. Гут нашел выход из уравнений Эйнштейна, по которым получалось, что расширение вселенной должно ускоряться во все время ее существования или же расширение начинается с замедления, но потом ускоряется и никогда уже не перестает ускоряться. Вселенная, по версии Гута, переживала только краткий период ускоренного расширения – в своем младенчестве.

Гут расчислил процесс, в котором вселенная всего через 10^–30 или менее секунды после Большого взрыва (единица, деленная на 1 с тридцатью нулями) подверглась действию мощной силы отталкивания, и эта сила очень короткое время представляла собой космологическую константу – ту самую константу, о которой думал Эйнштейн, пока не отверг эту идею. В течение кратчайшей доли секунды эта сила ускоряла центробежное расширение, происходила стремительная “инфляция” размеров вселенной от размеров меньше протона в ядре атома до примерно мяча для гольфа.

За тридцать с лишним лет, с тех пор как Гут выдвинул свою гипотезу, физики продолжали работать с ней, создавать новые версии, пытаясь установить, как и почему мог произойти такой процесс. Чтобы хоть как-то это понять, придется для начала поработать с терминологией.

Начнем с нарушения симметрии. Простейший пример: упираем палку вертикально в землю и отпускаем. Она может упасть в любом направлении – действующее на нее притяжение Земли “симметрично”, оно не задает определенного направления падения. Все направления равновероятны. Тем не менее палка упадет определенным образом, а не во все стороны сразу. Когда палка падает, симметрия нарушается. В “Краткой истории времени” Хокинг приводил другой пример: колесо рулетки. Крупье раскручивает колесо, шарик вращается – ситуация “симметрична”. Постепенно колесо сбавляет ход, уменьшается скорость (высокая энергия) движения шарика. И наконец выпадает конкретное число. Симметрия нарушается[181].

Объясняя различие между “псевдовакуумом” и “истинным вакуумом” – оба эти понятия используются для объяснения инфляции, – физики проводят сравнение с мужской шляпой, у которой имеются поля и небольшое углубление сверху. Если положить в это углубление шарик, он закатится в самую низкую точку углубления. Это не будет нижняя точка шляпы – лишь самая низкая точка наверху шляпы. Так и элементарные частицы временно “закатываются” на различные энергетические уровни. Эти места для отдыха и есть “псевдовакуум”. Тряхните шляпу, подкиньте к первому шарику второй, который его толкнет, и шарики скатятся с вершины шляпы на поля. Поля в этой аналогии – “истинный вакуум”. Самый низкий энергетический уровень, возможный в данной системе.

Что-то в таком роде, вероятно, происходило, когда остывала вселенная. Часть вещества начала переходить в новое состояние, с более низким уровнем энергии, высвобождая при этом отрицательную гравитацию, центробежную силу, которая и вызвала стремительно ускоряющееся расширение – инфляцию. Но – возвращаясь к нашей шляпе – ведь не все шарики катятся разом. Как и куда они покатились, как быстро, как перевалили с вершины шляпы (или провалились вовнутрь) – эти вопросы уже десятки лет мучают космофизиков. Но в одном почти все согласны: инфляция имела место. Инфляция вошла в “стандартную модель”.

Еще одно нужное нам выражение – “фазовый переход”. Повседневный пример фазового перехода – замерзание воды (кстати, тут тоже происходит нарушение симметрии). Понизьте достаточно быстро температуру, и образуются ледяные кристаллы. Вместо одинаковой во все стороны воды – нечто уже не столь симметричное. Каждый кристалл занимает определенное положение – такое, а не другое, – и кристаллы выстраиваются в определенном направлении – таком, а не другом. Симметрия нарушается. Но если понижать температуру воды очень осторожно, то удастся проскочить точку замерзания без образования льда, без нарушения симметрии. Это называется “сверхохлаждение”. В природе это происходит, если зимой идет дождь – капли остаются жидкими, проходя через воздух, хотя воздух и холоднее точки замерзания, но стоит капле удариться о дерево или о мостовую, как она тут же замерзает.

Теория Алана Гута основывается на предположении, что сразу после Большого взрыва вселенная была очень горяча, все частицы двигались на большой скорости, с огромными запасами энергии. Четыре силы природы, которые мы перечислили в главе 2, – гравитация, электромагнетизм, сильные ядерные взаимодействия и слабые ядерные взаимодействия – в тот момент были все вместе, не дифференцировались и составляли одну сверхсилу. Вселенная слегка расширилась, слегка остыла. Немного уменьшилась энергия частиц, и, по мере того как вселенная остывала, силы высвободились и отделились друг от друга. Их первоначальная симметрия нарушилась. Одна за другой они “замерзали”. Это случилось не одномоментно, поскольку происходило сверхохлаждение. Это было похоже на фазовый переход, и какие-то части вселенной прошли его в виде “пузырей”, то есть в них тоже температура упала ниже какого-то “нуля” (аналогичного точке замерзания воды), но симметрия сил не была нарушена. В результате вселенная вошла в нестабильное состояние сверхохлаждения с бо?льшим запасом энергии, чем остался бы у нее, если бы уже была нарушена симметрия сил.

Пузыри, шарики, шляпы, замерзающая вода… проще говоря, поясняет Хокинг, суть теории инфляции сводится к тому, что в этот краткий промежуток времени все области вселенной – и те, где частиц оказалось больше среднего, и те, где их было меньше, – расширялись с невероятной скоростью, превышавшей скорость света. Даже там, где частиц скопилось больше среднего и, казалось бы, сила всемирного тяготения должна была бы притянуть их друг к другу, она не успевала этого сделать. Частицы вселенной удалялись друг от друга, и состояние вселенной изменилось: вселенная все еще расширялась, но ее частицы оказались далеко друг от друга. Расширение сглаживало нерегулярности, то есть современный вид вселенной, единой и схожей по всем направлениям с любой наблюдательной точки, мог развиться из самых разных начальных состояний. Скорость расширения оставалась близка к критической, и таким образом решается “проблема плоскостности” – и для этого не требуется единственная точно подобранная начальная скорость[182].

Но каким же образом расширение вновь замедлилось? Подобно каплям дождя, которые пытаются остаться жидкими, но вынуждены в итоге замерзнуть, вселенная тоже должна была завершить временно приостановленный фазовый переход. Гут предполагал, что при суперохлаждении в среде ненарушенной симметрии формируются пузыри нарушенной симметрии, и эти пузыри растут, соединяются друг с другом, и так постепенно вся система переходит в новое состояние нарушенной симметрии, и дальше вселенная расширяется примерно так, как мы это наблюдаем теперь.

В этой теории имелся один существенный изъян. Пузыри расширялись бы так быстро, что сталкивались бы друг с другом, и в результате возникали бы нерегулярности, плотность повсюду оказалась бы разной, скорость расширения в одной части вселенной заметно отличалась бы от скорости в другой. Из такого состояния никогда бы не возникла наша вселенная.

Тем не менее Гут решился опубликовать свою гипотезу. Не стоило отказываться от столь многообещающего решения из-за одной нестыковки, с которой, он был уверен, либо он сам, либо другие ученые сумеют разобраться. Зато его гипотеза устраняла все проблемы теории Большого взрыва: видимая нами вселенная могла возникнуть из столь малой “области”, что до инфляции она успела достичь равновесия. За период разбегания дисбаланс между центробежной энергией и притягивающей частицы вещества друг к другу силой всемирного тяготения должен был выровняться. В особенности радовало предсказание, что инфляция породит области со слегка большей и слегка меньшей плотностью – семена будущих галактик. Техника наблюдения за космическим микроволновым фоновым излучением еще не умела обнаруживать эти “отклонения плотности”, но Стивен Хокинг и его коллеги думали об этом и о проблеме гладкости с середины 1970-х, с тех самых пор, как Уилсон и Пензиас зафиксировали CMBR. Станет ли инфляция тем самым ответом, который напряженно искали космофизики?

Хокинг, как и сам Гут, не был вполне удовлетворен. Его смущало не то, что пузыри могли столкнуться и в итоге породить хаос вместо гладкой вселенной, а другое соображение: на стадии инфляции скорость расширения оказалась бы слишком большой и эти пузыри нарушенной симметрии вообще не успели бы соединиться. Хокинг полагал, что их слишком быстро разнесло бы в разные стороны, даже если бы эти пузыри росли со скоростью света. В результате должна была появиться вселенная, где симметрия четырех сил местами нарушена, а местами нет, – отнюдь не наша вселенная. С этой мыслью Хокинг в октябре 1981 года отправился на Московскую конференцию.