Рис. 11.1. (а) Предсказание инфляционной космологией температурных вариаций микроволнового фонового излучения от одной точки на небе к другой. (б) Сравнение этого предсказания с основанными на спутниках наблюдениями
Я надеюсь, у вас перехватило дух от такого соответствия теории и наблюдения, а если нет — то, значит, я не смог передать всю удивительность этого результата. Поэтому, на всякий случай, позвольте мне ещё раз подчеркнуть, что здесь получается: телескопы, установленные на спутниках, недавно измерили температуру микроволновых фотонов, которые добирались до нас, не встречая препятствий, около 14 млрд лет. Было обнаружено, что фотоны, прибывающие с разных направлений, имеют почти одинаковую температуру, отличающуюся не более чем на несколько десятитысячных градуса. Более того, наблюдения показали, что эти крохотные различия в температуре рисуют определённую картину на небе, соответствующую упорядоченной последовательности ромбиков на рис. 11.1б. И, чудо из чудес, расчёты, проделанные сегодня на основании инфляционной схемы, способны объяснить картину этих ничтожных температурных вариаций — вариаций, возникших около 14 млрд лет назад, — и, наконец, ключом к этому объяснению является дрожь, возникающая из квантовой неопределённости. Здорово!
Этот успех убедил многих физиков в правильности инфляционной теории. И, что в равной степени важно, эти и другие точные астрономические измерения, которые стали возможными совсем недавно, позволили космологии перейти из области, основанной на спекуляциях и предположениях, в область, твёрдо основанную на наблюдениях, — наступило такое время, которое заставило многих работающих в этой области физиков назвать его золотым веком космологии.
Создание Вселенной
С таким прогрессом у физиков возникло желание посмотреть, как далеко может зайти инфляционная космология. Может ли она, например, решить основную загадку, заключённую в вопросе Лейбница: почему вообще существует Вселенная? Пожалуй, для нашего текущего уровня понимания, это слишком много. Даже если космологическая теория смогла бы наметить дорогу к решению этого вопроса, мы могли бы спросить, почему именно эта частная теория — её допущения, её ингредиенты и уравнения — имеет отношение к делу, так что это просто сдвинуло бы вопрос о начале на один шаг дальше. Если бы наша логика каким-то образом требовала, чтобы Вселенная существовала и управлялась уникальным набором законов, тогда, возможно, мы имели бы действительно нечто убедительное. Но на сегодняшний день это только сладкие мечты.
Другой относящийся ко всему этому, хотя и менее амбициозный, вопрос гласит: откуда взялась материя/энергия, наполняющая Вселенную? Хотя инфляционная космология не даёт исчерпывающего ответа, она ставит этот вопрос новым интригующим способом.
Чтобы понять, как это происходит, представим себе огромную прямоугольную комнату, в которой снуют многие тысячи непрерывно бегающих и прыгающих детей. Представьте, что комната совершенно непроницаемая, так что ни тепло, ни энергия не могут выйти наружу, но стены комнаты могут двигаться. Когда дети непрестанно врезаются в каждую из стен комнаты — сотни за раз, и ещё сотни немедленно вслед за этим, — комната постоянно расширяется. Теперь вы можете ожидать, что, поскольку стены непроницаемы, полная энергия, заключённая в снующих детях, будет оставаться внутри расширяющейся комнаты. В конце концов, куда ей деться? Но, хотя это резонное предположение, оно не совсем верно. Есть одно место, куда может уходить энергия. Дети тратят энергию, каждое мгновение вколачивая её в стены, и большая часть этой энергии преобразуется в движение стен. Само расширение комнаты поглощает и поэтому истощает энергию детей.
Теперь представьте, что несколько проказников решили немного изменить положение дел. Они соединили толстыми резиновыми лентами противоположные стены комнаты, движущиеся наружу. Резиновые ленты оказывают направленное внутрь, отрицательное давление на стены комнаты, которое действует в точности противоположно направленному наружу положительному давлению, которое производят дети; вместо того чтобы переводить энергию в расширение комнаты, отрицательное давление резиновых лент «всасывает» энергию расширения. Когда комната расширяется, резиновые ленты натягиваются сильнее, что означает, что они заключают в себе возрастающее количество энергии.
Конечно, на самом деле мы интересуемся не расширяющимися комнатами, но расширяющейся Вселенной. И наши теории говорят нам, что пространство заполнено не толпами детей и множеством резиновых лент, а, в зависимости от космологической эпохи, однородным океаном поля инфлатона или горячими обычными частицами (электронами, фотонами, протонами и т. п.). Тем не менее одно простое наблюдение позволяет применить к космологии выводы, которые мы получили для комнаты. Точно так же, как быстро движущиеся дети производят работу против направленных внутрь сил со стороны стен комнаты при расширении, быстро движущиеся частицы в нашей Вселенной работают против направленных внутрь сил, когда расширяется пространство: они работают против сил гравитации. Это наводит на мысль (и математика это подтверждает), что можно провести аналогию между Вселенной и комнатой с детьми, заменив силу гравитации стенами комнаты.
Таким образом, точно так же, как полная энергия, заключающаяся в детях, падает вследствие её постоянной перекачки в энергию стен при расширении комнаты, полная энергия, переносимая обыкновенными частицами материи и излучения, падает вследствие её постоянного перекачивания в гравитацию, когда расширяется Вселенная. Более того, мы видим, что точно так же, как изготовленные проказниками резиновые ленты создают отрицательное давление внутри расширяющейся комнаты, однородное поле инфлатона создаёт отрицательное давление внутри расширяющейся Вселенной. Поэтому точно так же, как полная энергия, содержащаяся в резиновых лентах, возрастает при расширении комнаты, поскольку она отбирает энергию у его стен, полная энергия, заключённая в поле инфлатона, возрастает, когда Вселенная расширяется, поскольку оно извлекает энергию из гравитации.[217]
Суммируем: когда Вселенная расширяется, материя и излучение теряют энергию, отдавая её гравитации, в то время как поле инфлатона извлекает энергию из гравитации.[218]
Жизненно важное значение наблюдений становится ясно, когда мы пытаемся объяснить происхождение материи и излучения, из которых состоят галактики, звёзды и всё остальное, чем населён космос. В стандартной теории Большого взрыва материя/энергия, заключённая в материи и излучении, постоянно уменьшается при расширении Вселенной, так что материя/энергия в ранней Вселенной намного превышала то, что мы видим сегодня. Следовательно, вместо того чтобы предложить объяснение, откуда взялась вся материя/энергия, в настоящее время населяющая Вселенную, стандартная модель Большого взрыва ведёт бесконечную изнуряющую битву: чем дальше в прошлое заглядывает теория, тем больше материи/энергии она должна как-то объяснить.
Однако в инфляционной космологии верно почти противоположное. Напомним: инфляционная теория утверждает, что материя и излучение возникли в конце инфляционной фазы, когда поле инфлатона выделило заключающуюся в нём энергию, скатившись с возвышения на дно своей чаши потенциальной энергии. Следовательно, правильно поставленный вопрос будет звучать так: может ли теория объяснить содержание в поле инфлатона, в тот момент, когда инфляция подошла к концу, столь громадного количества материи/энергии, которое необходимо, чтобы породить всю материю и излучение, содержащиеся в современной Вселенной?
Ответ на этот вопрос таков: инфляция может легко это сделать, даже особо не утруждаясь. Как уже объяснялось, поле инфлатона является гравитационным паразитом — оно питается гравитацией, — так что полная энергия поля инфлатона возрастает, по мере того как пространство расширяется. Более точно, математика показывает, что плотность энергии поля инфлатона остаётся постоянной в течение фазы быстрого инфляционного расширения, откуда следует, что заключённая в нём полная энергия растёт прямо пропорционально объёму заполненного им пространства. В предыдущей главе мы видели, что размер Вселенной в ходе инфляции возрастает как минимум в 1030 раз, а это означает, что объём Вселенной возрастает по меньшей мере в (1030)3 = 1090 раз. Соответственно, заключённая в поле инфлатона энергия возрастёт в то же гигантское число раз: когда инфляционная фаза подходит к концу, примерно через 10−35 с после её начала, энергия поля инфлатона возрастает по порядку в 1090 раз, если не больше. Это означает, что в начале инфляции полю инфлатона не нужно иметь много энергии, поскольку гигантское расширение, порождённое инфлатоном, гигантски увеличит заключённую в нём энергию. Простой расчёт показывает, что крохотный кусочек пространства, порядка 10−26 см в поперечнике, заполненный однородным полем инфлатона — и весящий всего десять килограммов — в ходе последующего инфляционного расширения приобретает такое количество энергии, которого хватает на всё, что мы видим во Вселенной сегодня.{219}
[217]
Аналогия с резиновыми лентами хотя и полезна, но неточна. Направленное внутрь отрицательное давление, создаваемое резиновыми лентами, затрудняет расширение комнаты, тогда как отрицательное давление инфлатона заставляет расширяться пространство. Это важное различие иллюстрирует уточнение, подчёркнутое в разделе «Эйнштейн и отталкивающая гравитация» (абзац 9): в космологии однородное отрицательное давление само по себе вовсе не вызывает расширение (к возникновению сил приводит только разность давлений, так что однородное давление, как положительное, так и отрицательное, сил не вызывает). Дело в том, что давление, подобно массе, вызывает гравитационную силу. А отрицательное давление вызывает отталкивающую гравитационную силу, которая ведёт к расширению пространства. Это не влияет на наши заключения.
[218]
Когда Вселенная расширяется, потеря энергии фотонами может непосредственно наблюдаться вследствие увеличения их длин волн (они подвергаются красному смещению), и чем больше длина волны фотона, тем меньшей энергией он обладает. Фотоны микроволнового фона подвергались такому красному смещению около 14 млрд лет, что объясняет их большие — микроволновые — длины волн и их низкую температуру. Аналогично, материя теряет свою кинетическую энергию (энергию движения частиц), но полная энергия, связанная в массе частиц (их энергия покоя — энергия, эквивалентная их массе, когда они покоятся), остаётся постоянной.
{219}
Даже после всего изложенного в основном тексте вы всё ещё можете быть озадачены, как крохотное количество материи/энергии в кусочке инфлатона могло дать гигантское количество материи/энергии, составляющее наблюдаемую Вселенную. Как вы можете получить больше материи/энергии, чем то, с чего вы начали? Как объяснялось в основном тексте, поле инфлатона в силу своего отрицательного давления «добывало» энергию из гравитации. Это означает, что по мере того как энергия в поле инфлатона возрастала, энергия в гравитационном поле уменьшалась. Специальное свойство гравитационного поля, известное со времён Ньютона, состоит в том, что его энергия может становиться сколь угодно отрицательной. Таким образом, гравитация подобна банку, который готов дать взаймы неограниченное количество денег, — гравитация заключает в себе, по существу, безлимитный ресурс энергии, которую извлекает поле инфлатона во время расширения пространства.
Точные значения массы и размера начального кусочка однородного поля инфлатона зависят от деталей изучаемой модели инфляционной космологии (больше всего от подробностей формы чаши потенциальной энергии поля инфлатона). В тексте я представлял, что начальная плотность энергии поля инфлатона была около 1082 г/см3, так что объём (10−26 см)3 = 10−78 см3 должен был иметь полную массу около 10 кг. Эти величины типичны для вполне обычного класса инфляционных моделей, но предназначены только чтобы дать вам грубое представление о величинах, с которыми приходится иметь дело. Чтобы дать представление о диапазоне возможностей, позвольте мне заметить, что в моделях хаотической инфляции Андрея Линде (см. примечание 197) наша наблюдаемая Вселенная могла бы появиться из начального кусочка даже меньшего размера, всего 10−33 см в поперечнике (так называемая планковская длина), с более высокой плотностью энергии, около 1094 г/см3, что даёт полную массу около 10−5 г (так называемая планковская масса). В этой реализации инфляции начальный кусочек должен был весить примерно как частичка пыли.