С тех пор как возраст Вселенной составлял 1 секунду, она выросла почти в 1 трлн раз. Если бы в тот давний миг плотность Вселенной была не в точности такой, какая ожидается для плоской Вселенной, а, скажем, составляла бы только 10 % того, что было нужно тогда для плоской Вселенной, то сегодня плотность нашей Вселенной отличалась бы от плотности плоской Вселенной как минимум в 1 трлн раз. А это гораздо больше, чем скромный множитель 100, отличающий плотность видимого вещества во Вселенной от плотности, которая обеспечила бы плоскую Вселенную сегодня.
Об этой «проблеме плоской Вселенной» прекрасно знали еще в 1970-е гг. Рассматривать геометрию Вселенной – это все равно что представлять себе карандаш, который стоит на столе на острие. Стоит хрупкому равновесию чуть-чуть нарушиться, и карандаш тут же упадет. Вот и с плоской Вселенной так же. Малейшее отклонение от плоского состояния стремительно нарастает. И как же Вселенная может быть так похожа на плоскую в наши дни, если она не в точности плоская?
Ответ прост: да, она и сегодня должна быть, по существу, плоской.
Однако на самом деле этот ответ не очень прост, потому что сразу же в голову приходит следующий вопрос: как так вышло, что первоначальные условия привели к возникновению плоской Вселенной?
На этот вопрос, куда более трудный, есть два ответа. Первый был получен еще в 1981 г., когда один молодой теоретик, после защиты диссертации работавший в Стэнфордском университете, по имени Алан Гут[20], задумался над проблемой плоской Вселенной и еще двумя смежными вопросами, связанными с общепринятой картиной Большого взрыва, – это так называемые проблема горизонта и проблема магнитного монополя. Речь у нас пойдет только о первой из них, поскольку проблема магнитного монополя просто заостряет вопросы горизонта и плоской Вселенной.
Проблема горизонта относится к тому обстоятельству, что реликтовое излучение необычайно однородно. Небольшие вариации температуры, о которых я уже писал, отражают вариации плотности вещества и излучения, существовавшие еще в те времена, когда Вселенной было всего несколько сотен тысяч лет, и составляют меньше 1/10 000 по сравнению с фоновой плотностью и температурой, которые в целом однородны. Так что, хотя я много говорил об этих мелких отклонениях, гораздо более важный и насущный вопрос звучит иначе: как Вселенная могла быть такой однородной?
Ведь если бы вместо предыдущей карты реликтового излучения, где колебания температуры в несколько стотысячных отражены разными цветами, я показал бы его температурную карту с линейной шкалой, отражающей колебания температуры, скажем, в ± 0,03º К относительно средней фоновой температуры примерно в 2,72° выше абсолютного нуля (то есть отклонения в одну сотую от среднего значения) картинка выглядела бы примерно так, как на следующей странице:
Сравните это изображение, на котором невозможно уловить никакой структуры, с картой земного рельефа, сделанной чуть более подробно, – здесь колебания цвета отражают отклонения примерно в 1/500 от среднего радиуса Земли.
То есть Вселенная на больших масштабах поразительно однородна!
Как так может быть? Ну, можно просто предположить, что в давние времена юная Вселенная была горячей и плотной и находилась в тепловом равновесии. Это значит, что слишком горячие участки остывали, а холодные нагревались, пока температура в этом первобытном бульоне не установилась на одном уровне.
Однако, как я уже отметил, когда Вселенной было всего несколько сотен тысяч лет, свет мог пройти только несколько сотен тысяч световых лет, а это лишь небольшая доля всей наблюдаемой на сегодня Вселенной (это прежнее расстояние представлено углом лишь около 1° всей поверхности последнего рассеяния на сегодняшней карте реликтового излучения). Поскольку, согласно Эйнштейну, информация не может распространяться быстрее света, в стандартной картине Большого взрыва в принципе невозможно, чтобы на какую-то часть наблюдаемой сегодня Вселенной тогда влияло существование или температура других частей на угловых масштабах более 1°. Таким образом, газ на таких масштабах не мог прийти в такое равновесие, чтобы повсюду получилась настолько однородная температура!
Алан Гут, специалист в области физики элементарных частиц, размышлял о том, какие процессы на ранних этапах существования Вселенной могли бы помочь в понимании этой проблемы, когда ему в голову пришла поистине блестящая мысль: а что, если при остывании Вселенной произошел какой-то фазовый переход, типа того, что происходит в момент замерзания воды или когда железный брусок при остывании намагничивается? Тогда можно было бы решить не только проблему горизонта, но и проблему плоской Вселенной (а заодно, если уж на то пошло, и проблему магнитного монополя).
Если вы любите ледяное пиво, то, возможно, сталкивались с таким явлением: когда берешь из холодильника холодную бутылку, открываешь ее и сбрасываешь таким образом избыточное давление, пиво вдруг промерзает насквозь, причем иногда при этом даже трескается бутылка. Дело в том, что при высоком давлении пиво достигает предпочтительного состояния минимальной энергии, пока оно жидкое, а когда давление сбрасывается, предпочтительным состоянием минимальной энергии становится твердое состояние. В момент фазового перехода может высвобождаться энергия, поскольку состояние минимальной энергии в одной фазе может требовать меньшей энергии, чем аналогичное состояние в другой фазе. Когда эта энергия высвобождается, ее называют «скрытая теплота».
Гут понял, что когда сама Вселенная остывала в процессе расширения после Большого взрыва, то конфигурация вещества и излучения в расширяющейся Вселенной, вероятно, на некоторое время «застряла» в каком-то метастабильном состоянии, а потом, когда Вселенная остыла еще сильнее, у этой конфигурации внезапно произошел фазовый переход в энергетически предпочтительное основное состояние вещества и излучения. Энергия, запасенная в конфигурации «ложного вакуума» до завершения фазового перехода, – если хотите, скрытая теплота Вселенной – могла оказывать сильнейшее влияние на расширение Вселенной в период до перехода.
Энергия ложного вакуума в таком случае повела бы себя в точности так же, как энергия, выраженная космологической постоянной, потому что действовала бы как энергия, пронизывающая пустое пространство. Это должно было вызвать все более быстрое расширение Вселенной. В конце концов то, чему предстояло стать нашей наблюдаемой Вселенной, стало бы расти со скоростью выше скорости света. В ОТО такое возможно, хотя, казалось бы, противоречит специальной теории относительности Эйнштейна, которая говорит, что ничто не может перемещаться быстрее света. Но тут надо подойти к делу дотошно, прямо-таки казуистически. СТО гласит, что невозможно перемещаться в пространстве быстрее, чем со скоростью света. Зато само пространство вправе вытворять все, что ему заблагорассудится, по крайней мере согласно ОТО. И если пространство расширяется, то скорость, с которой оно растаскивает далекие объекты, находящиеся в этом пространстве в состоянии покоя, может быть и сверхсветовой.
Оказывается, в этот инфляционный период Вселенная могла расшириться более чем в 1028 раз. Это невероятно много – и при этом такое вполне могло произойти, как ни поразительно, за какую-то долю секунды очень ранней Вселенной. В таком случае все в пределах нашей наблюдаемой Вселенной когда-то, до инфляции, было заключено в области куда меньшей, чем получалось по нашим расчетам в случае, если никакой инфляции не было, а главное, такой крошечной, что у нее было время на то, чтобы прийти в тепловое равновесие и получить одинаковую температуру.
Теория инфляции[21] сделала возможным и другое общее предсказание. Чем сильнее раздуваешь воздушный шар, тем меньше становится кривизна его поверхности. Нечто подобное происходит и со Вселенной, размеры которой растут экспоненциально, как при инфляции, под влиянием постоянной и огромной энергии ложного вакуума. Тогда к моменту завершения инфляции (что решает проблему горизонта) кривизна Вселенной (если она в самом начале была ненулевой) сводится к смехотворно малой величине, так что и сейчас Вселенная при самых точных измерениях выглядит, в сущности, плоской.
На сегодняшний день инфляция является единственным правдоподобным объяснением того, что Вселенная однородная и плоская, базирующимся на, по-видимому, фундаментальных и вычисляемых микроскопических теориях элементарных частиц и их взаимодействии. Мало того, теория инфляции позволяет сделать и еще одно, возможно даже более интересное, предсказание. Как я уже писал, из законов квантовой механики следует, что на очень маленьких масштабах и в очень короткие промежутки времени пустое пространство похоже на кипящую пену виртуальных частиц и полей с дикими колебаниями амплитуды. Эти квантовые флуктуации, возможно, определяют природу протонов и атомов, но в целом на более крупных масштабах незаметны – отчасти именно поэтому они кажутся нам такими неестественными.
Однако во время инфляции эти квантовые флуктуации способны определять, когда кончается период экспоненциального расширения у того, что при других обстоятельствах было бы разными маленькими областями пространства. Если разные области прекращают инфляцию в (микроскопически) разные моменты времени, то, когда энергия ложного вакуума высвобождается в виде тепловой энергии, плотность вещества и излучения в каждой области получается своя – чуть-чуть не такая, как в соседних.
Как выяснилось, картина флуктуаций плотности после инфляции, которые возникают – лишний раз подчеркну – из квантовых флуктуаций в пустом в прочих отношениях пространстве, полностью соответствует наблюдаемой картине распределения холодных и горячих пятен на карте микроволнового излучения. Такое соответствие, конечно, само по себе не доказательство, однако космологи все больше склоняются к мысли, что если кто-то ходит, как утка, выглядит, как утка, и крякает, как утка, то, вероятно, это утка и есть. А если во всех мелких флуктуациях плотности вещества и излучения, которые впоследствии привели к гравитационному коллапсу вещества в галактики, звезды, планеты и людей, виновата инфляция, тогда с полным правом можно сказать, что все мы очутились здесь сегодня из-за квантовых флуктуаций, происходивших в полной пустоте.