Первым скелетом в шкафу было происхождение сингулярности, из которой потом все и возникло. Было непонятно, какой механизм мог привести к ее формированию, если Большое сжатие оказывалось исключено. В 1980-е годы стало понятно, что во Вселенной недостаточно вещества для того, чтобы достичь критической плотности, и для того, чтобы можно было запустить великое сжатие. Поэтому считалось, что разлет галактик будет постепенно замедляться гравитацией, но не будет менять направления к катастрофическому гравитационному коллапсу. Словом, оставалось только понять, откуда взялся первый большой толчок.
В объекте незначительных размеров, возникшем в силу механизмов сугубо случайных, сила, задающая весь хоровод, – это гравитация, то есть притяжение. Но, чтобы начать расширяться, то есть чтобы случился Большой взрыв, потребуется сильнейшее отталкивание, или антигравитация: что-то вроде той космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в свое уравнение, добиваясь стационарности Вселенной, но только значительно более действенное.
Обычная материя, ее энергия и масса, создает в вакууме отрицательную энергию, из-за чего возникает положительное давление, все сжимающее и удерживающее. Если ввести в игру совершенно новую субстанцию, создающую положительную энергию, то возникающее давление окажется отрицательным, оно будет все выталкивать наружу, вызывая расширение.
Еще одна загадка связана с невероятной однородностью наблюдаемой Вселенной. Повсюду вокруг нас мы находим галактики всевозможных форм, некоторые из них тихие и спокойные, другие раздираемы пиротехническими чудачествами сверхновых, нейтронных звезд и черных дыр, но удивительным образом космический пейзаж повторяется. Одним словом, если наблюдать области Вселенной достаточно больших размеров, то объекты, населяющие даже самые укромные их уголки, окажутся очень похожи.
Представьте себе, что вы прилетаете куда-нибудь на другой континент, в Сидней или Куала-Лумпур, и, проходя через аэропорт, видите там те же самые магазины с той же самой одеждой в витринах, что несколько часов назад видели, вылетая из аэропорта Парижа или Рима. То же нагромождение чемоданов, телефонов и фотоаппаратов. Вы будете изрядно дезориентированы. Но для этого явления у нас есть вполне очевидное объяснение: это торговые сети глобализованного мира. А для невероятной однородности в астрономических наблюдениях, напротив, до 1990-х годов не было никакого намека на объяснение.
Тайна усугубилась с появлением новых, еще более мощных телескопов, с помощью которых стало возможно наблюдать части Вселенной, остававшиеся пока недоступными, но и там обнаруживалось все то же, что было уже хорошо известно: галактики, очень похожие на уже виденные, скопления галактик, казавшиеся близнецами тех, что были уже внесены в каталоги.
Еще больше поражала однородность космического микроволнового фонового излучения – куда бы ни наводились инструменты, результат получался всегда один и тот же: 2,72 кельвина, чуть выше абсолютного нуля.
Как могло так получиться, что самые удаленные части Вселенной, отстоящие одна от другой на миллиарды световых лет, проявили столь исключительное согласие, продемонстрировав одну и ту же температуру в тот момент, когда ученые крошечной планеты какой-то безымянной планетной системы ничем не примечательной галактики решили проявить интерес к тому, что происходит вокруг? Расстояния между наблюдавшимися областями Вселенной слишком велики, чтобы делать предположения, хоть как-то объясняющие этот феномен.
В поисках ответа на этот вопрос Гут попытался представить себе, что бы произошло, если бы во время расширения первичного пузырька его крошечный объем был заполнен положительной энергией вакуума, вроде той, которую предполагает гипотетическая космологическая константа. Наиболее перспективным кандидатом на эту роль ему представлялся бозон Хиггса – элементарная частица, о которой тогда много говорили в поисках ответа на вопрос о возникновении массы у элементарных частиц.
Бозон Хиггса электрически нейтрален, к тому же это скалярная частица, то есть ее спин равен нулю, она не вращается вокруг своей оси, как делают все остальные элементарные частицы. И в самом деле, поле Хиггса обеспечивает вакууму положительную энергию, но при быстром расширении пузырька плотность энергии так же быстро бы упала – и процесс бы остановился. Для поддержания постоянной плотности энергии в быстро увеличивающемся объеме нужно, чтобы полная энергия тоже увеличивалась, а это нарушило бы принцип сохранения энергии. Но что, если во время губительного падения возникнет какая-то заминка, если по какой-то причине движение к нулевому потенциалу, вакуумному состоянию, отчего-то на мгновение остановится? Что тогда произойдет?
Ответ, данный Гутом на этот вопрос, снова все изменил в том, как надо смотреть на происхождение Вселенной.
Неостановимое расширение
Механизм включает в себя скалярное поле, которое сообщает вакууму положительную потенциальную энергию и на долю секунды застывает в состоянии ложного вакуума, словно бы застревая во впадине потенциала при постоянной и отличной от нуля энергии.
Представим себе неопытного лыжника, который выбирает для спуска несложный склон и, едва начав движение, вынужден остановиться, выехав на горизонтальную поверхность или попав в слишком глубокую лыжню. Оказавшись в ловушке, он будет отталкиваться палками, возможно, даже упадет, прежде чем снова выберется на склон и начнет свое движение сначала. Но, пережив это неприятное приключение, он сможет разогнаться и быстро достигнет долины в конце склона.
Если скалярное поле попадает в положение такого лыжника, то есть застревает на мгновение в какой-то неглубокой канавке, то последствия для него оказываются совершенно несоразмерными. Из-за положительной энергии вакуума стенки пузырька расталкиваются – и его объем растет. И пока поле остается застрявшим в своей канавке, плотность энергии постоянна, а объем пузырька растет, увеличивая тем самым заключенную в нем положительную энергию; возрастает при этом и расширяющая пузырек сила.
Расширение, вместо того чтобы истощать энергию внутри пузырька, увеличивает ее. Чем он становится больше, тем больше и раздувающая его сила. Такая динамика типична для экспоненциального роста, и в данном случае все показания сходятся. Благодаря избытку энергии пузырек вытягивает из вакуума дополнительные скалярные частицы, которые заполняют его объем и увеличивают силу давления.
Застряв в своей канавке, поле заполняет все пространство субстанцией, оказывающей сильное давление, только не положительное, какое оказывала бы нормальная материя и ее энергия, а отрицательное, какое производила бы энергия вакуума, введенная Эйнштейном с помощью космологической постоянной.
Великому ученому достаточно было силы относительно небольшой, чтобы уравновесить притяжение тяготеющих масс, и тогда энергия вакуума оставалась бы постоянной: поле уснуло бы навеки, как Белоснежка в своем хрустальном гробу.
Первичное поле у Гута, напротив, оказалось очень динамично; как в сказке, поцелуй принца оборвал сон красавицы, но только на кратчайший миг, хотя и достаточный для немыслимого колдовства. Это мимолетное пробуждение, что на долю секунды заморозило поле в состоянии ложного вакуума, породило силу отталкивания, чрезвычайно быстро меняющуюся со временем. Она чудовищна, пока поле заморожено, но быстро спадает, как только поле выходит из состояния ложного вакуума. Антигравитация Алана Гута, запускающая расширение в момент рождения Вселенной, на сотню порядков превосходит космологическую постоянную. Именно это чрезвычайное отрицательное давление послужило причиной чудовищной скорости раздувания. Это и был взрыв.
В микроскопический интервал времени после него случилось невообразимое. Бесконечно малый объект, по размеру в миллиарды раз меньше протона, подвергся экспоненциальному росту, в диком ритме, с которым не сравнится самое безудержное россиниевское крещендо. Вмиг он стал уже макроскопическим. К концу приключившегося пароксизма объект достигает уже размеров футбольного мяча и содержит внутри всю материю и энергию, какие понадобятся ему на протяжении будущих миллиардов лет. За какое-то смехотворное время размеры этого ничтожного пузырька выросли на десятки порядков, а скорость его расширения значительно превзошла скорость света. Ограничения, диктуемые теорией относительности и запрещающие чему бы то ни было двигаться со скоростью, большей скорости света, относятся лишь к движению внутри пространства. Самому пространству, расширяющемуся внутри вакуума, или, выражаясь точнее, превращающему вакуум в пространство, эти путы не страшны. Нет пределов для скорости новорожденной Вселенной, которая несется навстречу своему будущему.
Очень скоро еще одна квантовая флуктуация, подобная той, что дала Вселенной жизнь, высвободила ее из той канавки, в которой она застряла, чтобы направить на верный путь, позволив устремиться к состоянию истинного вакуума, где она через мгновение и оказалась. От момента времени “ноль” прошло пока 10–32 секунды. Но все уже изменилось.
Как только эта фаза закончилась и пока еще поле мирно колебалось во впадине минимума потенциальной энергии, энергия внутри пузырька, накопленная во время такой взрывной трансформации, превратилась в колоссальное количество материи/антиматерии; пары частиц и их партнеров, вырванных в изобилии из вакуума, взаимодействовали между собой и с остатками поля до тех пор, пока не установилось термодинамическое равновесие.
Едва родившись, Вселенная уже содержала внутри очень небольшого объема всю энергию и всю материю, какие у нее есть сейчас; плотность и температура были очень высокими, и тогда началась вторая фаза расширения, тоже довольно быстрого, но не в том безумном ритме, который царил во Вселенной в первое мгновение.
Алан Гут развязал бычий мех, подаренный Эолом Одиссею, с заключенными в нем “буреносными ветрами”[14]