Глава 5. Инфляционное расширение пространства
Сегодня не осталось сомнений, что начало нашему миру положил Большой Взрыв. Однако, традиционная теория происхождения космоса не даёт ответы на ряд принципиальных вопросов.
Вот пять главных:
1.Почему Вселенная такая большая?
2.Почему Вселенная расширяется?
3.Почему Вселенная такая однородная и её разные части столь похожи друг на друга?
4.Почему пространство во Вселенной плоское?
5.Почему в первые моменты жизни Вселенная была очень горячей?
Ответы на эти вопросы дала инфляционная космология, или, проще говоря, теория инфляции. Она была сформулирована в 1979 году Алексеем Старобинским3 и Аланом Гутом4. Через несколько лет теория была развита в работах Андрея Линде5, Андреаса Альбрехта6 и Пола Стейнхардта7.
Согласно этому представлению, через 0.00000000000000000000000000000000001 секунды после Большого Взрыва Вселенная пережила стадию мгновенного расширения – инфляцию. За этот неуловимый промежуток времени космос одномоментно расширился минимум в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз. Чтобы понять, насколько это много, представьте себе, что точка в конце предыдущего предложения мгновенно стала размером с целую галактику.
То есть, за микроскопический период времени Вселенная увеличилась больше, чем за все последующие 14 млрд. лет своей эволюции. Космос расширился с невообразимо огромной скоростью. Инфляция разнесла разные участки неба на гигантские расстояния.
На первый взгляд, кажется, что эта модель противоречит теории относительности Эйнштейна, согласно которой ничто не способно перемещаться быстрее скорости света. Но это не так. Быстрее света не могут двигаться только материальные тела. А во время инфляции расширяется пространство. Поэтому ограничение, связанное со скоростью света, не действует. При инфляции «перемещается» нематериальная граница области пространства.
Этот механизм продолжает работать и в настоящее время. Мы наблюдаем, что расстояние от Земли до далёких галактик постоянно увеличивается. Кажется, что скопления звёзд разлетаются друг от друга. На самом деле расширяется пространство между галактиками, а сами они остаются практически неподвижными.
Что же способствовало столь стремительному «разбуханию» космоса?
Ответ состоит в том, что в первые моменты своего существования Вселенная была заполнена инфлатоном, особым полем, обладающим рядом необычных свойств. Главное из них заключается в том, что, при расширении, поле инфлатона не теряет плотность своей энергии. Это ключевой момент.
Из школьной программы физики все знают, что при обычном значительном расширении, всё вокруг резко охлаждается. После стадии инфляции, наоборот, происходит разогрев. Вся потенциальная энергия расширения пространства высвобождается заново. Поэтому температура возрастает, а Вселенная повторно разогревается.
В эпоху инфляционного расширения главная роль отводится плотности энергии особого вида материи, так называемого «ложного» вакуума. «Ложный» вакуум неустойчив и быстро распадается, а его энергия обладает отрицательным давлением. Именно из-за отрицательного давления постоянно увеличивается скорость расширения пространства. От избытка энергии образуется горячий сгусток высокотемпературной плазмы, который продолжает по инерции расширяться и в итоге разделяется на обычные материю и излучение. В теории инфляции именно распад «ложного» вакуума можно назвать Большим Взрывом.
Нам сложно вообразить себе отрицательное давление. Хотя его вполне можно образно представить внутри натянутого куска резины. При растяжении куска как раз образуется сила, направленная внутрь, заставляющая резину сжиматься.
Отрицательное давление поля инфлатона обеспечило мощное гравитационное отталкивание пространства и стало причиной его невероятно быстрого расширения. В результате Вселенная моментально стала огромной. В специфических условиях зарождения Космоса отталкивающая гравитация проявилась с невообразимой силой.
Это идея многим кажется фантастической, но на самом деле полностью соответствует основным законам физики. Из них прямо следует, что любое поле, однородное в определённой области пространства, неизбежно наполнит весь его объём энергией, что приведёт к появлению отрицательного давления. Далее отрицательное давление создаст гравитационное отталкивание. В свою очередь, это вызовет расширение объёма пространства наподобие взрыва. Иначе говоря, именно инфляция обеспечивает Большой Взрыв условным «взрывом».
Поле инфлатона насыщено огромной потенциальной энергией и отрицательным давлением. С началом расширения пространства оно высвобождает эту энергию. Именно поэтому её итоговое значение становится всё более низким.
Подобным образом высвобождается энергия снежного кома. Когда небольшой снежок начинает скатываться с горы, его размер постоянно растёт. К нему прилипают новые слои снега, ветки, камешки. Скорость его движения постоянно увеличивается. В конце концов, большой ком снега ударяется о дно пропасти и его отдельные части разлетаются в разные стороны. В этот момент высвободившаяся кинетическая энергия разогревает окружающую среду.
Аналогично заканчивается эпоха инфляции, когда энергия и отрицательное давление рассеиваются в пространстве. Поле инфлатона достигает минимума энергии – дальше «падать» некуда, это «дно» пропасти.
Важно уточнить, что энергия поля инфлатона не пропадает даром. Она преобразуется в элементарные частицы, которые однородно заполняют расширившееся пространство.
Поле инфлатона «падает» с вершины на дно, отключив отталкивающее давление, практически моментально, всего за 0.00000000000000000000000000000000001 секунды. Вся сдерживаемая им энергия передаётся на производство обычных частиц. Появляется первоначальный строительный материал для сложных структур в космосе. С этого времени история Вселенной возвращается на традиционный путь теории Большого Взрыва, охлаждения пространства и постепенного формирования звёзд и планет. После эпохи инфляции космос продолжает расширяться уже по инерции.
Теория инфляции отвечает на вопросы, поставленные мной в начале этой главы.
Вселенная расширяется из-за отталкивающей гравитации. Изначально она была очень горячей в силу высокой плотности энергии «ложного» вакуума. То, что Вселенная большая и однородная объясняется невероятно быстрым растяжением пространства за очень короткий промежуток времени.
Наш мир появился в результате расширения одной, очень маленькой и причинно-связанной области, существовавшей ещё до начала инфляции. Указанный факт также помогает понять, почему Космос выглядит плоским, а не сильно искривленным, как должно было быть в соответствии с традиционным представлением о физике Большого Взрыва.
Такая плоскостность объяснима простой геометрией. Поверхность земного шара, безусловно, искривлена. Но нам она кажется плоской. Если вы сможете «набросить» футбольное поле на шар, размером с футбольный мяч, оно будет очень сильно искривлённым. Но на поверхности столь большого шара как Земля, все футбольные поля кажутся плоскими.
Ещё более плоским такое поле будет выглядеть на поверхности сферы, скажем, размером с галактику. Во время инфляции пространство растягивается настолько сильно, что вся наблюдаемая Вселенная оказывается лишь маленькой частицей безбрежного «игрового поля». И поэтому кажется нам почти идеально плоской.
Теория инфляции достаточно чётко объясняет, почему наш мир таков, какой есть.
Алекс Виленкин8 предложил сценарий, при котором инфляционные расширения пространства вообще являются рядовыми, постоянно происходящими событиями. Он считает, что Космос в целом содержит бесконечное множество разрозненных областей. И каждая из них прошла свою стадию мгновенного расширения.
Во Вселенной достаточно места, чтобы Большие Взрывы происходили постоянно. В такой логике получается, что наш мир – лишь один из множества миров.
Все эти предположения научны и вполне обоснованы. Однако, вопросы остаются. И вопросы принципиальные.
Один из них заключается в том, что, хотя инфляция очень хорошо объясняет реально наблюдаемые эффекты, совершенно непонятно, что её вызвало. Для реализации инфляционного сценария должны быть чрезвычайно точно созданы начальные условия.
Почему сложился столь неординарный пазл – «правильное» поле инфлатона одновременно с «нужной» энергией и отрицательным давлением?
Чётких ответов нет и это большая проблема. Теория выглядит очень надуманной и даже противоестественной, если она объясняется удивительно тонкой настройкой её начальных параметров. Тем более, когда этому нет общепринятого научного объяснения.
Куда исчезло поле инфлатона после Большого Взрыва? Теоретики считают, что никуда, что оно продолжает флуктуировать. Но только за пределами области «нашей» Вселенной, в «другой». Границы этой области не может достичь ни один сигнал с Земли, это слишком огромное расстояние даже для света.
С этими доводами, конечно, можно согласиться. Обидно только, что мы никогда не сможем даже в принципе увидеть, измерить, потрогать «вживую» поле инфлатона. Это также плохо с научной точки зрения. Теория, вероятность экспериментального подтверждения которой равна нулю, не выглядит слишком элегантной. Кроме того, меня, как философа, ужасно коробит сам факт деления вселенных на «свои» и «чужие».
Откуда взялась первоначальная энергия, вдохнувшая жизнь в Космос? Ответ может заключаться в том, что в «ложном» вакууме заложена внутренняя нестабильность. По своей природе он содержит в себе энергию, необходимую для созидания Вселенной в приемлемой конфигурации и стимулирует процессы, порождающие её возникновение. Конечно, подобное объяснение спорное, но, в принципе, приемлемое.
Главная проблема в том, что остаётся без ответа стратегический вопрос – сам факт появления поля инфлатона. Откуда оно взялось?
Мало того, что инфлатон обладает очень специфическими свойствами, которые нужны лишь для того, чтобы запустить инфляцию. Но это ещё и абсолютно уникальное поле, как будто нарочно выделенное Природой, и никак не связанное с другими известными физическими полями. Непонятно почему вообще существовала какая-то область чего-то, где инфлатон находился в начальном метастабильном состоянии. Такое допущение, по меньшей мере, не совсем соответствует принципу причинности.
Стоит сказать, что на все заданные вопросы есть универсальный ответ. Всё решается, если «наша» Вселенная не одна, если их много.
Инфляцию тогда можно объяснить, как событие, которое случилось в предыдущей вселенной, а не как событие, которое создало теперешний наблюдаемый Космос. Более того, из самой логики инфляционной теории возникает необходимость существования множества миров. Но хорошо ли это?
Ведь изначально учёные разрабатывали именно теорию «нашей» Вселенной, а на выходе получили бесконечное многообразие «чужих» экзотических миров с совершенно разной физикой. К сожалению, ничего лучшего пока что придумать не удалось.
Однако, и в модели мира многих миров есть свои нестыковки. Например, она допускает возможность абсолютно всех вакуумных состояний и законов элементарных частиц, разрешённых основной теорией, то есть ею самой. Это принципиальный момент. Получается, что теория разрешает то, что разрешено этой теорией. То есть, нам предлагают выбрать один мир, вписывающийся в теорию, которая описывает все возможные в её рамках миры. Это не совсем корректно. Поэтому теория инфляции может постулировать хоть бесконечное число вселенных в своих рамках. Однако, это не значит, что наша свобода выбора ограничена лишь этой теорией при познании фундаментальных законов Мироздания.