Книга: Наша математическая вселенная

Вечная инфляция

Вечная инфляция

Пока наш разговор о теории инфляции не очень отличается от обсуждения жизненного цикла любой успешной физической идеи: новая теория разрешает старые проблемы. Затем следуют предсказания. Экспериментальное подтверждение. Широкое признание. Переписанные учебники. Складывается впечатление, что теорию инфляции пора проводить на заслуженный отдых: «Благодарим тебя, теория инфляции, за самоотверженную службу по увязыванию некоторых неясностей в отношении истоков Вселенной. Теперь настало время уйти на пенсию в специально выделенные разделы учебников, а нас оставить в покое — работать над иными, новейшими, более волнующими нас проблемами, которые пока не разрешены». Однако, подобно упорному стареющему профессору, инфляция отказывается уходить в отставку! Помимо того, что она продолжает плодоносить в своей области космологии ранней Вселенной, она преподносит сюрпризы, для некоторых моих коллег нежелательные.

Неостановимая

Первым потрясением стало то, что инфляция в общем случае не желает останавливаться, вечно порождая пространство. В рамках конкретной модели это обнаружили Андрей Линде и Пол Стейнхардт. Элегантное доказательство существования этого эффекта дал Алекс Виленкин, профессор из Университета им. Тафтса — тот самый, который пригласил меня сделать доклад, усыпивший Алана Гута. В студенческие годы на родной Украине он, несмотря на то, что был предупреждён о «последствиях», отказался по требованию КГБ свидетельствовать против однокурсника, который критически высказывался о властях. Хотя Алекса приняли в аспирантуру физического факультета МГУ, престижную для советского физика, он так и не получил разрешения переехать в Москву. Не было у него и возможности получить какую-либо нормальную работу. Год он прослужил ночным сторожем в зоопарке, а после ему удалось покинуть страну. Всякий раз, когда меня раздражают бюрократы, я вспоминаю историю Алекса, и она превращает моё раздражение в благодарное понимание того, как незначительны мои проблемы. Возможно, его непоколебимость объясняет, почему он продолжает открывать вещи, которые отвергают другие великие учёные.

Алекс обнаружил, что вопрос о том, где и когда инфляция завершается, очень тонкий и интересный. Мы знаем, что инфляция заканчивается по крайней мере в некоторых местах, поскольку 14 млрд лет назад она закончилась в той части пространства, где мы сейчас обитаем. Это означает, что некий физический процесс может избавить от инфлирующей субстанции, заставив её распасться на обычную неинфлирующую материю, которая продолжает расширяться, кластеризуется и, в конце концов, образует галактики, звёзды и планеты. Известно, что радиоактивность делает вещества неустойчивыми, заставляя их распадаться на другие вещества, так что можно предположить, что инфлирующей субстанции присуща подобная нестабильность. Это означает, что есть некий временной масштаб, период распада, в течение которого распадётся половина инфлирующей субстанции. Как показано на рис. 5.7, в этом случае возникает интересное противостояние между удвоением, связанным с инфляцией, и уполовиниванием, вызванным распадом. Чтобы инфляция работала, побеждать должно первое, так что общий инфлирующий объём должен со временем расти. А значит, время удвоения инфлирующей субстанции должно быть меньше периода её полураспада. На рисунке показан пример, где инфляция утраивает размер пространства за то время, пока распадается треть инфлирующей субстанции, и так раз за разом. Как видите, общий объём пространства, в котором идёт инфляция, продолжает удваиваться без ограничений. Но параллельно за счёт распада инфлирующей субстанции продолжают постоянно возникать, также удваиваясь в объёме, неинфлирующие области пространства, где инфляция прекратилась и могут образовываться галактики.

Неостановимость инфляции оказалась гораздо более общим свойством, чем первоначально предполагалось. Андрей Линде, которому принадлежит авторство термина «вечная инфляция», обнаружил, что даже простейшие предложенные им модели инфляции вечно инфлируют за счёт элегантного механизма, связанного с квантовыми флуктуациями, породившими наши первичные космологические флуктуации.

Рис. 5.7. Схематическая иллюстрация вечной инфляции. На каждый объём инфлирующей субстанции (кубик), который распадается, превращаясь в неинфлирующую вселенную с Большим взрывом, подобную нашей, приходится два других инфлирующих объёма, которые не распадаются. Так что общий инфлирующий объём удваивается, а не утраивается. Из-за этого никогда не прекращающегося процесса число вселенных с Большим взрывом на каждом шагу удваивается: 1, 2, 4 и т. д. Поэтому то, что мы называем нашим Большим взрывом (одна из вспышек), — это не начало всего, а конец инфляции в нашей части пространства.

Учёные, проанализировав очень широкий класс инфляционных моделей, выяснили, что почти все они приводят к вечной инфляции. Хотя большая доля этих расчётов сложна, рис. 5.7 отражает суть того, почему инфляция в общем случае вечна: прежде всего, чтобы инфляция работала, инфлирующая субстанция должна расширяться быстрее, чем распадаться, и это автоматически делает общее количество инфлирующей материи растущим без ограничений.

Открытие вечной инфляции радикально изменило наше понимание того, что является наибольшим масштабом в космосе. Теперь я ничего не могу поделать с тем, что наша прежняя история начинает звучать как сказка: «Давным-давно была инфляция. От инфляции случился Большой взрыв. Большой взрыв породил галактики». Рис. 5.7 поясняет, почему эта история наивна: опять повторяется характерная человеческая ошибка — считать всё, известное нам сегодня, всем существующим. Мы видим, что даже наш Большой взрыв — это лишь малая часть некоей величественной древовидной структуры, которая продолжает расти. Иными словами, то, что мы называем нашим Большим взрывом, не было подлинным началом, а скорее было концом — окончанием инфляции в некоторой части пространства.

Как образовать бесконечное пространство с конечным объёмом

Ребёнок в гл. 2 интересовался, тянется ли космос вечно. Вечная инфляция даёт недвусмысленный ответ: пространство не просто огромно — оно бесконечно. И с бесконечным числом галактик, звёзд и планет.

Рассмотрим данное представление. Хотя схематический характер рис. 5.7 не позволяет показать это ясно, мы всё ещё говорим об одном связном пространстве. Прямо сейчас (мы вернёмся к смыслу слов «прямо сейчас») некоторые части этого пространства очень быстро расширяются, поскольку содержат инфлирующую материю, другие расширяются гораздо медленнее, поскольку инфляция в них прекратилась, а третьи, например область внутри нашей Галактики, не расширяются вовсе. Так закончилась ли инфляция? Исследования инфляции, о которых я упоминал, показывают, что и да, и нет. Она закончилась и не закончилась в следующем смысле:

1. Почти во всех частях пространства инфляция в конце концов завершится Большим взрывом, подобным нашему.

2. Тем не менее останутся некоторые точки пространства, где инфляция не завершится никогда.

3. Общий инфлирующий объём вечно возрастает, удваиваясь через постоянные интервалы времени.

4. Общий постинфляционный объём, содержащий галактики, также вечно возрастает, удваиваясь через постоянные интервалы времени.

Но означает ли это, что пространство действительно бесконечно уже сейчас? Это приводит нас к ещё одному вопросу из гл. 2: как бесконечное пространство может быть создано за конечное время? Это кажется невозможным. Но инфляция подобна магическому шоу, где кажущиеся невозможными вещи случаются за счёт творческого использования законов физики. В действительности инфляция может сделать даже нечто лучшее, и я думаю, это лучший фокус из всех: она может породить бесконечный объём внутри конечного объёма! Она может начать с чего-либо меньшего, чем атом, и породить внутри него бесконечное пространство, содержащее бесконечно много галактик, не влияя при этом на окружающее пространство.

На рис. 5.8 показано, как инфляция проделывает этот фокус. Изображён срез пространства и времени, на котором правый и левый края соответствуют точкам, где инфляция никогда не закончится, а нижний край соответствует времени, когда вся область между этими двумя точками инфлирует. Нарисовать расширяющееся трёхмерное пространство трудновато, так что на рисунке я буду игнорировать расширение и два из трёх измерений пространства (ни то, ни другое осложняющее обстоятельство не влияет на суть). Рано или поздно инфляция завершится везде, за исключением левого и правого краёв. Искривлённая граница показывает точное время её завершения в различных местах. Как только инфляция завершается в конкретной области, там начинает разворачиваться описанная в двух предыдущих главах традиционная история Большого взрыва с горячим космическим «термоядерным реактором», который в итоге остывает и даёт начало атомам, галактикам и, возможно, наблюдателям вроде нас.

Рис. 5.8. Инфляция может порождать бесконечные вселенные внутри того, что со стороны выглядит как объём субатомного размера. Наблюдатель внутри увидит, что а одновременно с б, а в — с г. Бесконечная U-образная поверхность, где заканчивается инфляция, — для него момент нуль, а бесконечная U-образная поверхность, где формируются атомы, — момент 400 тыс. лет, и т. д. Для простоты здесь проигнорировано расширение пространства, а также два из его трёх измерений.

А вот и суть фокуса: согласно общей теории относительности, наблюдатель, живущий в одной из галактик, будет воспринимать пространство и время иначе, нежели я определил их с помощью осей координат на своём рисунке. Наше физическое пространство не содержит встроенных сантиметровых отметок, которые есть на линейках. Нет у Вселенной и заранее установленных часов. Вместо этого любой наблюдатель может определить свои собственные мерные стержни и часы, которые, в свою очередь, определяют его представления о пространстве и времени. Эта идея восходит к одной из догадок Эйнштейна: наблюдатели могут воспринимать пространство и время по-разному. Например, относительной может быть одновременность.

Представьте, что вы отправляете электронное письмо подруге-астронавту на Марс: «Привет! Как у тебя дела?» Через десять минут она получает ваше сообщение, переданное ей со скоростью света посредством радиоволн. Пока вы ждёте, приходит письмо из Нигерии с предложением задёшево купить «Ролекс». Ещё через десять минут вы получаете ответ с Марса: «Всё хорошо, но тоскую по Земле».

Теперь вопрос: что произошло раньше — вы получили спам или ваша подруга-астронавт отправила вам сообщение? Поразительно, но, как догадался Эйнштейн, на этот простой вопрос нет простого ответа. Оказывается, правильный ответ зависит от скорости того, кто на него отвечает! Например, если я, пролетая мимо Земли к Марсу на космическом корабле, перехватываю эти три сообщения и анализирую ситуацию, то по моим бортовым часам ваша подруга на Марсе отправила сообщение раньше, чем вы получили спам. Если же я лечу в обратную сторону, то, по-моему, спам вы получили раньше. Вы сбиты с толку? То же самое было с большинством коллег Эйнштейна, когда он представлял свою теорию относительности, однако бесчисленные эксперименты с тех пор подтвердили, что время устроено именно так. Единственный случай, когда мы можем твёрдо сказать, что событие на Марсе произошло раньше, чем событие на Земле, это когда сообщение с Марса, отправленное после марсианского события, приходит на Землю раньше земного события.

Теперь применим всё это к ситуации на рис. 5.8. Наблюдателю вне данной области может показаться разумным определить пространство как горизонтальное направление, а время как вертикальное (см. рисунок), так что четыре события, обведённых кружками, произошли в следующем порядке: a, б, в, г. Более того, событие б определённо случилось раньше г, поскольку можно представить себе отправку сообщения от б к г. Аналогично событие а определённо произошло прежде в. Но можно ли быть вполне уверенным, что а случилось раньше б, притом что два эти события произошли слишком далеко друг от друга, чтобы свет успел дойти от одного до другого? Ответ Эйнштейна — нет. Для наблюдателя, живущего в одной из этих галактик, разумнее принять, что инфляция закончилась в определённый зафиксированный момент времени, поскольку конец инфляции соответствует его Большому взрыву, так что для него события а и б одновременны. Как видите, поверхность «конца инфляции» не горизонтальна. Она бесконечна, поскольку изгибается наподобие буквы U у левого и правого краёв рисунка, где, как мы договорились, инфляция никогда не заканчивается. Это значит, что с точки зрения данного наблюдателя его Большой взрыв произошёл в один момент в истинно бесконечном пространстве! Откуда эта бесконечность? Она проникла через бесконечность доступного будущего времени, поскольку пространственное измерение данного наблюдателя всё сильнее загибается вверх.

Аналогичным образом наблюдатель придёт к выводу, что его пространство бесконечно и в последующие времена. Например, если он поставит эксперимент по изучению космического микроволнового фона, чтобы получить «детские фотографии» своей 400-тысячелетней вселенной, плазменная поверхность, изображение которой он получит, будет соответствовать поверхности на рисунке, где протоны и электроны объединяются в прозрачные (невидимые) атомы водорода. Поскольку, как вы видите, это также бесконечная U-образная поверхность, наблюдатель сочтёт свою 400-тысячелетнюю вселенную бесконечной. Он также будет считать события в и г одновременными, так как они лежат на U-образной поверхности, где формируются первые галактики, и т. д. Поскольку вложить друг в друга можно бесконечное число U-образных кривых, наблюдатель будет считать, что его вселенная бесконечна и в пространстве, и во времени, хотя для внешнего наблюдателя вся она вписывается в исходную область субатомного размера. Пространство расширяется внутрь, не требуя увеличения места, которое оно занимает при наблюдении извне: Эйнштейн позволил пространству растягиваться и порождать дополнительный объём из ничего. На практике эта бесконечная вселенная может выглядеть извне как чёрная дыра субатомного размера. Надо сказать, что Алан Гут и его коллеги изучили спорную возможность проделать этот фокус, получив в лаборатории нечто, выглядящее снаружи как маленькая чёрная дыра, а изнутри как бесконечная вселенная. Вопрос, действительно ли такое возможно, пока открыт. Если желаете стать демиургом, рекомендую инструкции Брайана Грина для «амбициозных творцов вселенных» из его книги «Скрытая реальность».

Выше мы взялись за инфляцию из-за неудовлетворительных ответов, которые фридмановская теория Большого взрыва даёт на фундаментальные вопросы. Поэтому закончим ответами, которые даёт теория инфляции:

– Что стало причиной нашего Большого взрыва?

— Многократное удвоение в размерах взрывчатой субатомной капли инфлирующей материи.

– Произошёл ли наш Большой взрыв в одной точке?

Почти: он начался в области пространства размером много меньше атома.

– Где именно в пространстве произошёл наш Большой взрыв?

— В указанной крошечной области. Инфляция, однако, растянула её примерно до размеров грейпфрута, растущего столь быстро, что последующее расширение сделало его больше всего пространства, которое мы наблюдаем сейчас.

– Как бесконечное пространство может быть порождено за конечное время?

— Инфляция порождает бесконечное число галактик и продолжается вечно. Согласно общей теории относительности, наблюдатель в одной из галактик будет видеть пространство и время по-своему, воспринимая пространство как имеющее бесконечные размеры уже в момент окончания инфляции.

Подведём итоги. Теория инфляции радикально трансформировала представления о нашем космическом происхождении, заменив неуклюжие ответы, которые давала фридмановская модель Большого взрыва, простым механизмом, порождающим наш Большой взрыв почти из ничего. Теория инфляции дала нам много больше, чем мы надеялись: пространство, которое не просто огромно, а действительно бесконечно — в нём бесконечное число галактик, звёзд и планет. И это лишь верхушка айсберга.