Книга: Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

* * *

В главе 16 описывалось основное свидетельство в пользу Большого взрыва со всеми добавками: это структура реликтового фонового излучения. Последние измерения, проведенные аппаратом WMAP, показывают, что реликтовое излучение почти однородно и по температуре отклоняется от среднего значения не более чем на 200 миллионных долей кельвина. Небольшие флуктуации — это именно то, что предсказывает теория Большого взрыва, но эти отклонения слишком малы — настолько малы, что, судя по ним, для развития нынешней комковатости у Вселенной просто было недостаточно времени. Это утверждение основано на компьютерном прогоне математических моделей эволюции Вселенной, упомянутых в главе 15.

Один из способов разрешить эту проблему состоит в том, чтобы модифицировать теорию и сказать, что ранняя Вселенная с самого начала была более комковатой[88]. Но эта идея сталкивается с другой сложностью, едва ли не противоположного характера. Хотя материя на сегодняшний день слишком комковата для стандартной теории Большого взрыва, пространство-время, напротив, комковато недостаточно. Оно почти плоское.

Космологов беспокоил также более глубокий вопрос — проблема горизонта, на которую указал Миснер в 1960-е годы. Стандартная теория Большого взрыва предсказывает, что части Вселенной, расположенные слишком далеко друг от друга для того, чтобы между ними были причинно-следственные связи, должны тем не менее иметь схожее распределение вещества и схожую температуру реликтового излучения. Более того, это должно быть очевидным для наблюдателя, потому что космологический горизонт — то, насколько далеко можно видеть, — расширяется со временем. Значит, области, которые прежде не были причинно связанными, могут позднее сделаться таковыми. Проблема: как эти области могут «знать», какое распределение и какую температуру им положено иметь? Так что дело не только в том, что пространство-время слишком плоское: оно, кроме того, однородно плоское на масштабах, которые слишком велики, чтобы «общаться» друг с другом.

В 1979 году Алан Гут выдвинул остроумную идею, помогающую разобраться с обоими этими вопросами. Новая теория делает пространство-время плоским и в то же время позволяет веществу оставаться комковатым; кроме того, она решает проблему горизонта. Чтобы описать эту идею, нам нужно знать кое-что об энергии вакуума.

В сегодняшней физике вакуум — это не пустое пространство, а бурлящий котел виртуальных квантовых частиц, которые появляются из ничего парами и затем аннигилируют друг с другом раньше, чем кто-либо успевает их увидеть. Это возможно в квантовой механике благодаря принципу неопределенности Гейзенберга, который гласит, что невозможно определить энергию частицы в конкретный момент времени. Либо энергия, либо временной интервал должны сохранять неопределенность. Если «размыто» значение энергии, то она не обязана сохраняться в любой отдельно взятый момент. Частицы могут занимать ее на какое-то время, а потом возвращать, и на этом коротком интервале времени энергия не сохраняется. Если неопределенным оказывается интервал времени, это останется незамеченным.

Этот процесс — или что-то другое, физики не могут сказать точно — порождает пузырящееся поле фоновой энергии, пронизывающее всю Вселенную. Это слабое поле — примерно одна миллиардная доля джоуля на кубический метр. Достаточно, чтобы питать одну секцию электронагревателя на протяжении одной триллионной доли секунды.

Инфляция говорит, что разделенные большим расстоянием области пространства-времени имеют сходное распределение вещества и температуру, потому что в прошлом они могли поддерживать связь друг с другом. Предположим, что далекие теперь области Вселенной когда-то были достаточно близки, чтобы взаимодействовать. Предположим также, что в то время энергия вакуума была больше, чем теперь. В таком состоянии доступный для наблюдения горизонт не увеличивается; он остается постоянным. Если затем Вселенная подвергается стремительному расширению, то близкие наблюдатели быстро оказываются разделены и все становится однородным. Важно, что любые локальные комки[89] и пустоты, существовавшие еще до начала инфляции, внезапно распределяются по поистине гигантскому объему пространства-времени. Это как положить кусочек масла на маленький тост — а затем заставить этот тост внезапно увеличиться до необычайных размеров. Масло расширится вместе с ним, и вы получите тонкий, почти однородный слой.

Не пробуйте проделать это дома.