Физика с Хокингом. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас Страница 10

Хотя на первый взгляд кажется, что инфляция нарушает сразу два закона природы, это не совсем так. С одной стороны, закон сохранения энергии не подразумевает создание энергии (или массы) из ничего. Но есть лазейка в виде так называемой отрицательной энергии. Сюда входит и энергия гравитационного поля. Отрицательная энергия гравитации и положительная энергия излучения и материи уравновешивают друг друга, поэтому общая энергия сохраняется. К тому же согласно теории относительности ничто не может двигаться быстрее скорости света. Но это относится только к обычным частицам в космосе. Однако во время инфляции само пространство расширялось быстрее скорости света. И это не только не противоречит теории относительности, но и объясняется ею.

Космическая инфляция сделала наблюдаемое пространство не только большим, но и однородным и не искривленным. Его можно сравнить с мятой и скомканной футболкой из стиральной машины: если ее быстро растянуть, она снова станет большой и плоской, а складки исчезнут.

Самый большой из самого маленького

Первые модели космической инфляции были сформулированы в 1979 году. Хокинг внимательно следил за исследованиями и сам быстро включился в них. В 1982 году он опубликовал статьи по этой теме, одну из них в соавторстве со своим учеником Яном Моссом. Он исследовал вопрос, как могли возникнуть небольшие нарушения в распределении энергии в очень молодой Вселенной. Это стало началом новой области исследований, связывающей микро- и макромиры. Согласно им, небольшие квантовые флуктуации – неизбежные колебания энергии и материи, которые, согласно квантовой физике, присутствуют повсюду – впоследствии были раздуты инфляцией до огромных изменений плотности в первичном газе. И именно их «отпечаток» проявляется в виде небольшой разницы температур в космическом фоновом излучении. Самые крупные – сверхскопления галактик – возникли из самых маленьких, можно даже сказать, микроскопических квантовых эффектов.

Поначалу эти идеи казались незрелыми. Но в ходе трехнедельного семинара в Кембридже, организованного совместно с Хокингом в середине 1982 года, были разработаны детали. Это была одна из самых влиятельных конференций в истории космологии. И действительно, десятилетие спустя спутник СОВЕ (Cosmic Background Explorer) зафиксировал первые признаки этих температурных колебаний. Это открытие было удостоено Нобелевской премии по физике в 2006 году. Температурные закономерности теперь нанесены на карту очень точно – триумф науки!

Рождение материи

Что именно вызвало и остановило инфляцию, до сих пор остается неясным. Для простоты используется термин для основного физического состояния «ложный вакуум». В нем преобладало по крайней мере одно энергетическое поле: инфлатонное[5]. Затем он спонтанно распался – образовался «настоящий вакуум», новое состояние, в котором наша Вселенная находится до сих пор. Это звучит сложнее, чем есть на самом деле. Доказано, что подобные фазовые переходы происходили и позднее, и они достаточно хорошо изучены в физике элементарных частиц.

Существовал ли инфлатон или подобный ему механизм на самом деле, еще неизвестно. В конце концов, в последней модели мира Хокинга инфляция, по-видимому, происходит «естественным образом». Расчеты показывают, что вероятность длительной космической инфляции в новой инстантонной[6] модели весьма высока.

Инфляция не только сделала наш мир большим, тем самым создав простор для всего остального, но и доставила, так сказать, до двери все составляющие: в конце инфляции энергия разрывающегося инфлатонного поля преобразовалась в каскад элементарных частиц при переходе от «ложного» к «реальному» вакууму. Это и было рождение материи.

Вечная инфляция и Мультивселенная

В рамках этой теории инфляция не является частью модели Большого взрыва, но Большой взрыв является частью сценария космической инфляции. И все становится еще более радикальным: инфляция, вероятно, остановилась не во всем космосе одновременно, а в разных местах в разное время. Тогда был не один – наш – Большой взрыв, в результате которого была создана материя, а было сразу огромное количество. Любой Большой взрыв должен был привести к образованию уже не инфляционно расширяющегося космического пузыря, а отдельной Вселенной.

Космологи предполагают, что наша Вселенная – лишь одна из многих, возникших из ложного вакуума. Расширение отдельных пузырьковых Вселенных происходит гораздо медленнее, чем расширение ложного вакуума между ними.

Поэтому пропорции на рисунке очень условные: пузырьки гораздо меньше и расположены дальше друг от друга.

Этот процесс похож на кипение воды, при котором выделяются пузырьки газа. Однако все космические пузыри оказываются разделенными неизмеримо большими расстояниями, которые все еще находятся в процессе инфляции. Инфляция в целом, вероятно, никогда не прекратится и будет продолжаться вечно. Время от времени повсюду возникают новые пузыри-Вселенные. Но их объем и темпы расширения ничтожны по сравнению с постоянно раздувающейся средой.

Таким образом, космос должен состоять не из одной Вселенной, а из невообразимого их количества, контакт между которыми, весьма вероятно, невозможен. Совокупность всех Вселенных называется мультивселенной.

Хокинг изначально скептически отнесся к этому сценарию вечной инфляции. Однако позже он не только принял ее, но и вписал в свою собственную модель мира. Он размышлял о космических условиях за горизонтом нашей наблюдаемой Вселенной.

Законы природы и константы в каждом пузырьке могут быть совершенно разными. Даже число измерений может быть разным. Есть версия, что все возможные физические условия где-то становятся реальностью. В большинстве пузырей-Вселенных, вероятно, не будет ни звезд, ни планет. Но если все возможное действительно существует, то не стоит удивляться, что мы существуем во Вселенной, благоприятной для жизни.

Этот аргумент был назван «антропным принципом»[7]в 1973 году Брэндоном Картером, который в середине

 1960-х годов работал в одном офисе с Хокингом в Кембридже. Хокинг использовал его для оценки различных эволюционных теорий Вселенной в своих космологических моделях, чтобы иметь возможность делать выводы «из настоящего в прошлое» (на конференции 2003 года в Университете Дэвиса в Калифорнии, которую автор также посетил, Хокинг назвал это «Космологией сверху вниз») и чтобы понять особую форму наших естественных