Лев Шильник Космос и хаос. Что должен знать современный человек о прошлом, настоящем и будущем Вселенной

Всеобъемлющая инфляция

Астрофизиков экономические неурядицы занимают мало, однако современная космология с готовностью взяла на вооружение солидный термин, попутно вернув ему первоначальный смысл. Если в экономике инфляция всего лишь красивая метафора, то в космологии под ней понимается реальный физический процесс – стремительное раздувание вынырнувшего из сингулярности новорожденного пространства. Это закономерный и необходимый этап в истории очень ранней Вселенной, принципиально отличающийся от сменившего его тривиального расширения, о котором подробно рассказывалось в предыдущей главе. Немедленно возникает вопрос: для чего физикам понадобилось вводить дополнительную сущность, если старая добрая теория Большого взрыва, казалось бы, неплохо объясняла все наблюдаемые факты? Ведь даже знаменитый английский ученый Фред Хойл, еретик от астрофизики и оригинальный мыслитель, усердно развивавший теорию стационарной Вселенной, в конце концов сдался и принял концепцию Большого взрыва.

Дело в том, что в рамках традиционной модели не смогли найти разрешения несколько весьма важных космологических проблем. Прежде всего это так называемая проблема горизонта частиц и проблема плоскостности. Кроме того, стандартная модель не давала ответа на вопрос, что было до Большого взрыва, и не умела объяснить размеров наблюдаемой Вселенной (если теория Большого взрыва справедлива, то Вселенная должна быть много меньше). Эти досадные неувязки подобно занозам торчали из тела стандартной теории, и многие космологи откровенно закрывали на них глаза, полагая, что с течением времени они как-нибудь сами собой рассосутся. Однако события повернулись так, что из ничтожных мелочей вырос принципиально иной сценарий происхождения нашего мира. Нечто похожее в свое время приключилось с выдающимся немецким физиком Максом Планком, которого пытались отговорить от занятий теоретической физикой, поскольку эта наука практически завершена. Только отдельные пятнышки омрачают ее светлые горизонты, говорил ему наученный жизнью учитель, для чего же попусту тратить ваши лучшие годы на бестолковое наведение глянца? Планк, как известно, не послушался: вскоре он предложил гипотезу квантов и вывел свою знаменитую постоянную, положив тем самым начало новой, неклассической физике.

Разберем неувязки теории Большого взрыва по порядку. Начнем с проблемы горизонта частиц. Астрономические наблюдения показывают, что Вселенная исключительно однородна в больших масштабах. Температура реликтового излучения, как мы помним, составляет в среднем около 3 градусов Кельвина (2,725 К), причем отклонения температуры от среднего значения по различным направлениям совершенно ничтожны – они не превышают одной стотысячной (10-5). Расстояния, доступные современным телескопам, укладываются в величину порядка 10 миллиардов световых лет, и на этих пространствах мы наблюдаем в точности то же самое – поразительную «выглаженность» контрастов плотности. По современным представлениям, истинный размер Вселенной многократно превышает ее наблюдаемую часть, которую принято называть Метагалактикой. Поскольку начало мира состоялось примерно 13–14 миллиардов лет тому назад, свет от далеких объектов элементарно не успел до нас добраться – ему просто не хватило времени. Звезды и галактики, расположенные за горизонтом событий (если таковые там имеются), принципиально недоступны, ибо скорость света – максимально возможная из всех скоростей. Но внутри горизонта все частицы причинно связаны друг с другом, так как они давным-давно уже успели обменяться между собой необходимой информацией.

Закавыка в том, что теория Большого взрыва не в состоянии объяснить, каким образом этот обмен мог состояться. Горизонт прирастает (и всегда прирастал) со скоростью света, а взаимодействие между частицами в полном соответствии с теорией относительности неизбежно осуществляется со скоростями несколько меньшими. Космологи так и пишут: горизонт частиц всегда будет расширяться быстрее взаимного расстояния между двумя пробными частицами. Получается, что тепловое равновесие (а его существование – непреложный факт) никоим образом не могло быть достигнуто в рамках стандартной модели за истекшие 14 миллиардов лет.

Когда Вселенной было 300 тысяч лет от роду, температура плазмы существенно упала, и началось образование нейтрального водорода. Излучение отделилось от вещества, и фотоны получили возможность беспрепятственно распространяться во все стороны. Этот момент времени принято называть эпохой рекомбинации, или эпохой последнего рассеяния. Понятно, что размер горизонта в ту далекую пору был значительно меньше нынешних 10 миллиардов световых лет и составлял приблизительно один мегапарсек (1 Мпк). Таким образом, на момент рекомбинации тепловое равновесие могло установиться на масштабах, не превышающих 1 Мпк. Сегодня участок такой величины имеет на небосводе угловой размер около 2 градусов, следовательно, мы вправе ожидать заметных колебаний температуры реликтового излучения, заполняющего Вселенную. Однако астрономические наблюдения показывают высокую степень изотропии на всех угловых масштабах: температурный перепад, как мы помним, не превышает трех стотысячных (3 х 10-5).

Помимо всего прочего, в рамках стандартной космологической модели остается непонятным сам механизм первоначального толчка. Какая сила привела миры в движение? Быть может, Вселенная возникла в результате чудовищного по мощности термоядерного взрыва неизвестной природы? Ведь в конце концов, стандартная космологическая модель, которая создана трудами Г. А. Гамова и других ученых, так и называется – теория Большого взрыва. Но при ближайшем рассмотрении немедленно выясняется: взрывные механизмы практически ничего не дают. При взрыве (химическом или термоядерном – значения не имеет) возникают разница давлений и неоднородное распределение вещества: в одну сторону его улетает больше, в другую – меньше. Кроме того, непременно существует особая точка – центр взрыва.

В реальной же Вселенной ничего подобного не наблюдается: она на редкость однородна, а некая выделенная точка, которую можно было бы отождествить с центром, не обнаруживается. Уже упоминавшийся С. Г. Рубин, профессор МИФИ, пишет по этому поводу:

Пространство реальной Вселенной на больших расстояниях, сравнимых с горизонтом частиц, как уже говорилось, практически плоское. Разумеется, это не исключает участков локальной кривизны, особенно вблизи крупных тяготеющих масс, но в космологических масштабах отклонение геометрии нашего мира от геометрии Евклида совершенно ничтожно. Геометрия пространства самым непосредственным образом связана с величиной, обозначаемой греческой буквой ?, которая является отношением средней плотности вещества нашего мира к критической плотности. Если ? равна единице, то наша Вселенная – идеально плоская структура. Если Y больше единицы (плотность нашего мира выше критической), то Вселенная по достижении некоторого максимального радиуса начнет сжиматься под действием гравитации. В этом случае рано или поздно Большой взрыв сменится Большим крахом (или Большим хрустом), а Вселенная вновь обратится в точку и пропадет в сингулярности. Если ? меньше единицы (плотность Вселенной ниже критической), мир будет расширяться неограниченно долго, а плотность вещества станет постепенно падать.

Измерения, проведенные в последние годы, показали, что эта величина очень близка к единице, хотя, вероятнее всего, не равна ей в точности (измерения пока еще не вполне надежны). Вот тут-то и встает в полный рост пресловутая проблема плоскостности. Зная приблизительную величину параметра ?, можно без большого труда рассчитать, какими должны быть начальные условия очень ранней Вселенной, чтобы привести к сегодняшним наблюдаемым значениям. И сразу же обнаруживаются форменные чудеса. Процитируем М. В. Сажина, автора увлекательной книги «Современная космология в популярном изложении»:
Возьмем параметр ? примерно равным единице, скажем, 0,5 или 1,5. Посмотрим теперь, каким он должен быть в различные эпохи эволюции Вселенной, которые были до нашей эпохи. В эпоху рекомбинации отличие Q от единицы уже не должно превышать 0,001. Большее отличие привело бы к тому, что сегодня ? равнялось бы 10 или, скажем, 0,1, что легко измеримо. В эпоху нуклеосинтеза отличие Y от единицы не должно превышать 0,00000000000000001. В более раннюю эпоху кварк-глюонной плазмы отличие Q от единицы «пряталось» в 21 знаке после запятой. В планковский момент (это самое начало нашего мира, о котором мы еще поговорим. – Л. Ш.) это отличие выражалось величиной 10-60. Откуда могут взяться такие начальные условия?
Другими словами, складывается впечатление, что исходные параметры были подогнаны с небывалой точностью: в противном случае мы ни за какие коврижки не сумели бы получить сегодняшней величины показателя ?. Неслучайно некоторые астрофизики говорят о тонкой настройке параметра плотности. Что и говорить, картина неприятная, заставляющая всерьез задуматься о творце всего сущего. Между тем строгой науке как-то не к лицу заниматься пустопорожними рассуждениями о высшем разуме. Это удел философов и богословов. Но есть ли возможность не отдать космологию на откуп теологам?

Спешу вас, читатель, успокоить – такую возможность нам в полной мере дает инфляционный сценарий рождения Вселенной, о котором уже давно пора поговорить подробнее. Он легко и непринужденно снимает и проблему горизонта, и проблему плоскостности, и кучу других проблем, под грузом которых изнемогала классическая модель Большого взрыва.

Итак, что же такое космологическая инфляция и чем она отличается от стандартного расширения, которое мы продолжаем наблюдать сегодня в виде красного смещения в спектрах далеких галактик? Инфляция – это период катастрофически быстрого раздувания пространства в начальной фазе жизни нашей Вселенной. Сказать, что это раздувание было стремительным и мимолетным – ничего не сказать. Его продолжительность укладывается в исчезающе малые сроки: инфляция началась, когда возраст Вселенной составлял 10-43секунды, а закончилась, когда он достиг 10-37секунды. В начале инфляции размер Вселенной был чуть больше 10-33см, что сопоставимо с планковской длиной, а в момент ее окончания равнялся примерно 0,1 см (в других инфляционных сценариях эта величина колеблется от одного до тридцати сантиметров), то есть ее диаметр вырос по меньшей мере в 1027раз.

Легко видеть, что первоначальное расширение юной Вселенной происходило со скоростью, многократно превышающей скорость света, поскольку планковские длина и время связаны между собой: за 10-43секунды свет успевает пройти расстояние не больше, чем 10-33см. Неужто мы наконец опровергли самого Эйнштейна? Не будем спешить, читатель. В действительности никакого противоречия здесь нет и в помине, ибо теория относительности ограничивает скоростью света только перемещение материальных тел, но ровным счетом ничего не говорит о скорости расширения самого пространства как такового. Пока частицы вещества продолжают двигаться со скоростями меньшими, чем скорость света, объемлющему их пространству позволительно пухнуть сколь угодно быстро: скорость его раздувания ограничена только лишь количеством доступной энергии, обеспечивающей упомянутое раздувание.

Между прочим, введение одного-единственного дополнительного параметра – инфляционного расширения по экспоненте – автоматически разрешает проклятую проблему горизонта. В свое время мы постулировали, что горизонт всегда растет быстрее, чем увеличивается расстояние между двумя точками (или двумя частицами) в пространстве. Однако вскоре после рождения Вселенной это условие, очевидно, не выполнялось. Вообразим себе крошечную юную Вселенную порядка планковской длины – чуть более 10-33см. Внутри этого домена еще до начала инфляции успели установиться термодинамическое равновесие и причинная связь. Когда наступает фаза инфляции, пространство стремительно разгоняется, буквально пухнет как на дрожжах, в результате чего микроскопическая однородная область почти мгновенно чудовищно вырастает в размерах. Объем домена растет значительно быстрее, чем расстояние горизонта. К моменту окончания инфляции он составляет примерно 1 см3, и внутри этой области Вселенная является «гладкой», без заметных контрастов плотности, температуры и давления. В дальнейшем инфляция сменяется стандартным расширением, и горизонт частиц продолжает неторопливо расти, достигая к нашему времени величины порядка 1028см. При этом все частицы, заполняющие наблюдаемую часть Вселенной, еще до начала инфляции успели установить между собой причинную связь. Домен, разросшийся в ходе стандартного расширения, сохраняет то состояние, которое сформировалось во время инфляции. Космологи говорят, что вся современная Вселенная находится внутри одной причинно-связанной области.

Аналогично решается и проблема плоскостности. Сегодня пространство нашей Вселенной практически плоское, но до эпохи инфляции параметр ? мог ощутимо отличаться от единицы в любую сторону. Какой бы ни была кривизна мира вблизи точки «ноль», в финале мы все равно получим почти плоскую модель, потому что инфляционное распухание выглаживает контрасты плотности. Это легко увидеть на простом примере. Предположим, что параметр плотности до начала инфляции был заметно больше единицы (? › 1). Тогда мы получаем топологию замкнутого пространства, то есть Вселенная эквивалентна поверхности сферы. При раздувании шара его радиус растет, и если выбрать на его поверхности достаточно маленькую область, ее кривизна будет практически неотличима от нуля. В конце концов, поверхность Земли представляется нам совершенно плоской. Если же вспомнить, что в некоторых моделях инфляции (о различных инфляционных сценариях мы поговорим чуть ниже) первоначальный крошечный домен, сопоставимый с планковской длиной, раздувается до астрономической величины 101000см, то наблюдаемая Вселенная (или Метагалактика), диаметр которой примерно равен 1028см, будет составлять ничтожную часть гигантской Мегавселенной. Понятно, что в этом случае микроскопическая область, не превышающая Ю-1000части исполинского шара, будет восприниматься как идеально плоская. Таким образом, нет никакой необходимости постулировать особые начальные условия, которые впоследствии обеспечили почти нулевую кривизну Вселенной. Параметр плотности мог принимать любые значения около точки «ноль», так как всеобъемлющая инфляция неминуемо выгладит все неровности и сделает пространство практически плоским.

Вернемся к началу инфляции, в эпоху очень ранней Вселенной, когда ее возраст составлял 10-43секунды. Какие силы разогнали пространство до невообразимых скоростей и увеличили его объем на порядки порядков? Чтобы ответить на этот каверзный вопрос, ученым пришлось ввести дополнительное понятие об инфлатонном поле, которое нередко также называют скалярным полем Хиггса и состоянием фальшивого, или ложного, вакуума. Пугаться этого не стоит, поскольку для объяснения загадки скрытой массы и темной энергии (речь об этих феноменах у нас впереди) все равно так или иначе придется прибегать к услугам новых полей, неизвестных современной науке. В дебри высокой физики мы не полезем, поскольку адекватно разобраться в этих вещах без весьма сложного математического аппарата не представляется возможным. Отметим только, что гипотетическое инфлатонное поле обладает очень странными и даже немного пугающими характеристиками.

Обратимся к наглядному примеру, дабы в живых образах проиллюстрировать положение дел. Представьте себе заснеженный горный склон, изобилующий неровностями и локальными перепадами высот. Вы скатываете снежок и пускаете его вниз по склону. Если снег достаточно влажный, снежок начнет быстро увеличиваться в размерах, пока не превратится в громадный ком. Процесс развивается по экспоненте – чем больше диаметр снежка, тем быстрее он растет. Наш гипотетический склон заканчивается пропастью, и когда снежный ком достигнет края обрыва, то в полном соответствии с законами физики полетит вертикально вниз с нарастающей скоростью. Оказавшись на дне, он вдребезги разобьется, причем часть кинетической энергии снежного кома уйдет на нагрев окружающей среды.

Теперь вернемся к инфлатонному полю с его загадочными характеристиками. Во-первых, это скалярное поле, то есть поле никак не ориентированное в пространстве, в отличие, скажем, от электромагнитного. В нем отсутствуют силовые линии, а его напряженность всюду одинакова. С некоторыми оговорками его можно уподобить гомогенной субстанции вроде тягучего растекшегося меда. Во-вторых, инфлатонное поле характеризуется предельно сильным отрицательным давлением, которое буквально «расталкивает» вещество, преодолевая силу гравитации. В стандартной горячей модели Большого взрыва плотность материи падает по мере увеличения размеров Вселенной, что вполне естественно, так как энергетическая плотность определяется наличной энергией, поделенной на объем. А вот инфлатонное поле (то бишь фальшивый вакуум) ведет себя парадоксально: его энергетическая плотность по мере раздувания остается постоянной, поэтому энергия, управляющая распуханием пространства, не только не уменьшается, а напротив, растет по экспоненте. Однако ничто не вечно под луной – состояние вещества с нарастающим отрицательным давлением крайне неустойчиво, а потому должно неминуемо поменять режим расширения. Фаза инфляции стремительно сходит на нет, и вся потенциальная энергия фальшивого вакуума превращается в кипящий суп из новорожденных элементарных частиц, разогретый до высочайших температур. Другими словами, с окончанием эпохи инфляции рождается обычная материя в виде горячей плазмы.

Давайте еще раз прогуляемся по заснеженному горному склону и снова поиграем в снежки. В этой удобной модели аналогом инфлатонного поля, заполняющего все пространство, будет снег на склоне. Благодаря случайным квантовым флуктуациям наше поле может принимать самые разные значения в различных областях. Образование снежка является именно такой квантовой флуктуацией. Пока снежок покоится, ничего примечательного не происходит, но стоит ему двинуться вниз по склону, как он сразу же начинает стремительно расти. Инфлатонное поле, раздувающее новорожденную флуктуацию, стремится занять положение, в котором его энергия минимальна. В точности то же самое происходит и со снежным комом: теряя энергию и чудовищно распухая, он достигает наконец края обрыва и валится в пропасть, а вся накопленная им энергия трансформируется в кинетическую энергию разлетающихся частиц. Пока снежный ком путешествует по горному склону, инфляция все время продолжает набирать обороты, но стоит ему коснуться дна ущелья, как энергия инфлатонного поля скукоживается до минимума, ибо падать больше некуда. Происходит разогрев Вселенной, и как раз этот момент воспринимается нами как Большой взрыв.

Плато, по которому катится наш снежок, отнюдь не гладкий полированный стол без сучка и задоринки, а поверхность, имеющая куда более сложный рельеф. Локальные перепады высот в виде разного рода кочек и неожиданных препятствий неизбежно вносят ощутимые возмущения в траекторию снежного кома. Кроме того, таких комков (читай – квантовых флуктуации) на склоне имеется великое множество: одни лежат ближе к обрыву, другие располагаются дальше от него. И если отдельным снежкам удается сравнительно беспрепятственно скатиться прямиком вниз, то другие обречены петлять и прыгать «по долинам и по взгорьям», надолго застревая в ямах и глубоких выбоинах. Точно так же ведут себя и реальные квантовые флуктуации – зародыши будущих вселенных: одни из них переживают кратковременную инфляцию (инфляция, как мы помним, продолжается до тех пор, пока снежный ком движется по плато), другие раздуваются до сих пор, а третьи моментально схлопываются, не успев как следует вырасти. Таким образом, в нашем распоряжении оказывается целый ансамбль вселенных вместо одной-единственной, каждая со своим набором уникальных свойств.

Этот сценарий, получивший название вечной, или хаотической, инфляции, был предложен в середине 80-х годов прошлого века выдающимся американским астрофизиком Андреем Линде, бывшим нашим соотечественником. Помимо всего прочего, модель вечной инфляции замечательна тем, что позволяет избавиться от проклятия современной космологии – антропного принципа. Впрочем, об антропном принципе речь у нас пойдет в следующих главах, здесь же отметим только, что фундаментальные константы (гравитационная постоянная, масса электрона и др.) и сами законы природы, управляющие поведением нашего мира, удивительным образом допускают возникновение сложных структур вообще и разумной жизни в частности. Если их величину слегка подправить (совсем чуть-чуть, на ничтожную долю процента), Вселенная преобразится радикально. Скажем, при ином соотношении масс протона и электрона образование сколько-нибудь сложных структур станет принципиально невозможным. Между тем наблюдаемое соотношение – голый эмпирический факт, не выводимый из теоретических построений. Будто бы кто-то мудрый, дальновидный и предусмотрительный, тщательно взвесив все pro et contra, специально подобрал величины фундаментальных констант таким образом, чтобы недружелюбный космос сделался «гостеприимным» для человека. А вот идея о бесчисленном множестве вселенных, разнящихся по своим параметрам, автоматически снимает эту проблему.

Справедливости ради отметим, что гипотеза об инфляционном этапе в истории ранней Вселенной была впервые высказана отечественными учеными Э. Б. Глинером и А. А. Старобинским еще в 60 – 70-х годах прошлого века, но осталась, к сожалению, невостребованной научным сообществом. Сам термин «инфляция» предложил американский физик Алан Гут в 1981 году, и он же построил первую инфляционную модель на основе своеобразного фазового перехода, вызвавшего переохлаждение юной Вселенной. Здесь не место подробно разбирать гутовский сценарий, поскольку очень быстро выяснилось, что он не работает, так как дает в финале очень неоднородную Вселенную, чего в действительности не наблюдается. А вот модель А. Д. Линде была лишена этих недостатков, чем сразу же завоевала небывалую популярность: если раньше инфляционный сценарий сплошь и рядом принимался в штыки, то сегодня большинство физиков и астрономов перешли в ряды его сторонников. Из красивой, но шаткой гипотезы инфляционное начало Вселенной превратилось в полнокровную научную теорию, допускающую опытную проверку. Космология, бывшая до недавнего времени дисциплиной в значительной степени спекулятивной, мало-помалу становится строгой экспериментальной наукой.

Как мы помним, теория инфляции постулирует наличие ничтожных изменений в плотности материи ранней Вселенной. Поскольку объем новорожденного мира сопоставим с размерами элементарных частиц, разумно предположить, что квантовые флуктуации играли в то время весьма существенную роль. Принцип неопределенности Вернера Гейзенберга гласит, что мы не можем одновременно вычислить точную координату частицы и ее импульс (произведение скорости на массу). Другими словами, энергия и положение частицы никогда не могут быть измерены точно, и этот принцип в полной мере приложим к первым мгновениям жизни Вселенной (шар петляет по склону, а не катится прямиком вниз). Суммарный эффект квантовых флуктуации порождает крошечные перепады плотности, которые растут в процессе раздувания и становятся зародышами будущих галактик и звезд. Но отсюда с неизбежностью следует, что реликтовое излучение должно сохранить память о тех событиях, своего рода «отпечаток» в виде температурных колебаний между различными точками пространства. Долгое время измерить этот температурный разброс не удавалось – не хватало чувствительности аппаратуры. Прорыв произошел в 1992 году, когда американский спутник СОВЕ (Cosmic Background Explorer) и российский «Реликт-1» обнаружили температурные флуктуации фонового излучения. Их величина оказалась крайне незначительной (температура реликтового излучения составляет примерно 2,7 градуса Кельвина, а отклонения от среднего не превышали 0,00003 градуса Кельвина), поэтому совсем не удивительно, что раньше подобные измерения были сопряжены с немалыми сложностями. Так или иначе, но инфляционная теория получила надежное экспериментальное подтверждение.

Начало третьего тысячелетия ознаменовалось новыми достижениями. После полуторагодичных наблюдений и анализа данных, полученных с помощью космической обсерватории WMAP, была представлена гораздо более подробная карта распределения температуры реликтового излучения по всему небосводу. Английская аббревиатура MAP означает Microwave Anisotropy Probe, что можно перевести как «микроволновый анизотропный зонд» (или щуп), а буква W добавлена в честь астрофизика Уилкинсона, который был инициатором проекта, но не дожил до его окончания. Кроме того, тар – по-английски «карта». Ценность карты Уилкинсона трудно переоценить. Анализ полученных данных и последующее компьютерное моделирование позволили воссоздать картину рождения и развития Вселенной, уточнить ее возраст и состав. Это эпохальное событие произошло 13,7 миллиарда лет назад (плюс-минус 200 миллионов лет), что позволило поставить точку в бесконечных спорах о том, когда именно возникла Вселенная. Удалось окончательно выяснить, что пространство Вселенной геометрически плоское, и точно рассчитать одну из фундаментальных констант – постоянную Хаббла, отражающую скорость расширения Вселенной. Судя по данным зонда Уилкинсона, эта величина составляет 71 километр в секунду на один мегапарсек расстояния (вспомним, что один парсек – 3,26 светового года). Другими словами, участок размером в один мегапарсек (1 миллион парсек) каждую секунду прирастает на 71 километр.

Установлено, что Вселенная, остыв после Большого взрыва, долгое время оставалась темной и холодной. Первые звезды, по уточненным данным, начали формироваться через 400 миллионов лет после Большого взрыва, и столь раннее их появление лишний раз свидетельствует в пользу существования скрытой массы (или темной материи), которая своим гравитационным полем собирала размазанную материю в комки. Короче говоря, инфляционная модель показала себя надежной работоспособной теорией, замечательно согласующейся с опытными данными. А посему имеет смысл приглядеться к ней повнимательнее, проследив этап за этапом историю нашей Вселенной.

По современным представлениям, Вселенная рождается в результате случайной квантовой флуктуации, выпархивая из сингулярности – безразмерной точки, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. Плотность вещества в этой точке тоже достигает бесконечно больших величин, а пространство и время обращаются в нуль. Другими словами, ни пространства, ни времени, ни вещества в привычном понимании в сингулярности не существует, а все известные законы перестают работать. Не имеет никакого смысла спрашивать, что было раньше, ибо раньше не было ничего: сингулярность – это предельная граница, рубикон, который нельзя перейти. Хотелось бы специально подчеркнуть, что описанный сценарий рождения Вселенной практически «из ничего» – не пустые фантазии физиков-теоретиков на ровном месте; он опирается на строгие научные расчеты.

Читатель уже столько раз столкнулся с выражением «квантовые флуктуации», что у него наверняка давным-давно вертится на языке вопрос: что это за зверь такой и с чем его едят? Каким образом из этой случайной малости, по сути дела, из пустоты может возникнуть огромный мир с планетами, звездами и галактиками?

Люди, далекие от физики, склонны полагать, что вакуум – это полное отсутствие чего бы то ни было. Между тем из теории элементарных частиц с необходимостью следует, что физический вакуум отнюдь не пустота, а минимальная энергия полей и частиц, не равная нулю. Он буквально нафарширован так называемыми виртуальными частицами, которые рождаются парами как бы из ничего (например, электрон и его антипод позитрон), от души резвятся наподобие бабочек-поденок и через мгновение гибнут в акте аннигиляции, оставив память о себе в виде кванта света – фотона. Время их жизни настолько мало, что не может быть измерено в принципе. Любой измерительный процесс ограничен естественным физическим пределом – скоростью света, а виртуальные частицы, выныривая из пустоты, разрушаются так быстро, что никогда не могут наблюдаться непосредственно.

Между прочим, тот факт, что «пустое» пространство не может быть абсолютно пустым, с очевидностью вытекает из законов квантовой механики. Если бы вакуум был совершенно пуст, это означало бы, что все поля (электромагнитное, гравитационное и проч.) в нем в точности равны нулю. Однако величина поля и скорость его изменения со временем аналогичны положению и скорости частицы, а принцип неопределенности Гейзенберга, как известно, запрещает одновременное знание обоих параметров: чем точнее известна одна из этих величин, тем менее точно известна вторая. Не два горошка на ложку – приходится выбирать что-то одно. Послушаем Стивена Хокинга, известного английского физика-теоретика:

Такие частицы являются виртуальными ‹...›, в отличие от реальных виртуальные частицы нельзя наблюдать с помощью детектора реальных частиц. Но косвенные эффекты, производимые виртуальными частицами, например небольшие изменения энергии электронных орбит в атомах, можно измерить, и результаты удивительно точно согласуются с теоретическими предсказаниями. Принцип неопределенности предсказывает также существование аналогичных виртуальных пар частиц материи, таких как электроны или кварки. Но в этом случае один член пары будет частицей, а второй – античастицей (античастицы света и гравитации – это то же самое, что и частицы).

Подобные соображения применимы и к рождающейся из ничего Вселенной. На первый взгляд, мы сталкиваемся с неразрешимым парадоксом, ибо доступная наблюдениям часть Вселенной содержит астрономическое количество частиц, из которых построено вещество. Откуда они все взялись? Ответ прост: в соответствии с квантовой теорией частицы могут рождаться из энергии в виде пар частица – античастица. Хорошо, но откуда берется умопомрачительное количество энергии? Материя, наполняющая Вселенную (планеты, звезды и галактики, собранные из частиц), обладает положительной энергией, но в мире есть еще и гравитация, энергия которой отрицательна, поэтому суммарная энергия Вселенной равна нулю, как и ее электрический заряд (количество протонов и электронов одинаково). Но что имеется в виду, когда говорят об отрицательной энергии гравитации?

Еще раз процитируем Хокинга.
Вещество во Вселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия гравитационного поля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что в случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю.
Весьма любопытно, что количество положительной энергии может удвоиться параллельно удвоению отрицательной, поскольку дважды нуль – все равно нуль. При стандартном расширении сие невозможно, поскольку по мере увеличения Вселенной плотность энергии падает. А вот в эпоху инфляции, как мы помним, плотность энергии фальшивого вакуума остается постоянной, несмотря на увеличение размеров Вселенной. Поэтому при удвоении диаметра нашего мира вдвое вырастут и положительная энергия вещества, и отрицательная энергия гравитации, а суммарная энергия Вселенной будет по-прежнему равняться нулю. А поскольку в фазе раздувания размеры Вселенной увеличиваются экспоненциально, на порядки порядков, то и общее количество энергии, потребное для образования частиц, тоже чудовищно возрастает. Вот вам, читатель, и ответ на вопрос, каким таким чудесным образом вся материя, заполняющая сегодня Вселенную, могла уместиться в крохотном объеме, сопоставимом с планковской длиной. Она там и не думала помещаться: когда инфлатонное поле упало до минимума, вся запасенная в нем потенциальная энергия ушла на рождение элементарных частиц.

Вернемся к началу начал, к первым мгновениям жизни нашего мира, когда он только-только готовился выпорхнуть из космологической сингулярности. Надо сказать, что сингулярность – весьма неуютное понятие, потому как изобилует частоколом очень неприятных бесконечностей: бесконечно малый объем, бесконечно большие плотность, масса и температура, бесконечная кривизна пространства-времени и прочее в том же духе. Физики неслучайно не любят бесконечностей, потому что всюду, где они появляются, начинается свистопляска: законы отказываются работать, формулы теряют смысл, а непротиворечивые описания расползаются по швам. В таком случае нельзя ли попробовать обойтись вовсе без сингулярностей, выкинуть их, так сказать, на свалку истории? Ведь разговор идет об исчезающе малых пространственно-временных масштабах, где классическая физика Ньютона – Эйнштейна уже не работает и где безраздельно царят законы квантовой механики. Быть может, пространство и время, подобно заряду, спину или магнитному моменту, тоже имеют некий предел делимости, то есть, другими словами, квантованы? Вправе ли мы сделать такое допущение?

А почему бы, в конце концов, и нет? Вполне вероятно, что в природе существует некая неделимая клеточка пространства, своего рода минимальное расстояние, которое не поддается дальнейшему дроблению. Если дело обстоит именно так, то ни одно тело не может схлопнуться в безразмерную точку. И звезда, и Вселенная в целом будут в этом случае коллапсировать до некоторого предела, пока не упрутся в непреодолимый рубеж, и тогда внутри черной дыры будет сидеть не сингулярность с ее утомительными бесконечностями, а своеобразный квант пространства, элементарный объем диаметром 10-33сантиметров. Поскольку преодолевать это расстояние следует одним махом (в противном случае мы оказались бы в некоторый момент посреди неделимого отрезка, что невозможно по определению), то должен существовать и квант времени – минимальная длительность любых процессов. Несложный расчет показывает, что она составляет порядка 10-43секунд, и обе эти величины, получившие названия планковской длины и планковского времени, нам уже хорошо известны.

Планковские величины, отталкивающиеся от фундаментальных констант – постоянной Планка, скорости света и гравитационной постоянной, – неизбежно приводят нас к еще одному важному показателю – максимально возможной плотности материи в нулевой момент. Теперь она уже не бесконечна, хотя и невообразимо велика – 1093г/см3. Эта величина превосходит всякое воображение, ибо плотность атомного ядра на фоне этих астрономических цифр смотрится едва ли не абсолютным вакуумом. Достаточно сказать, что десять солнечных масс (а Солнце – это звезда средней величины с диаметром около 1,4 миллиона километров) без труда уместятся в объеме, вполне сопоставимом с ядром атома водорода. Температура такого сверхплотного сгустка тоже зашкаливает за все мыслимые пределы и составляет примерно 1032градусов Кельвина.

Смысл предельно возможных планковских величин заключается в том, что никакие иные параметры (меньшие, если речь идет о длине и временных промежутках, и большие, если разговор заходит о показателях плотности и температуры) не могут существовать в принципе. Например, нелепо спрашивать, что происходило через 10-45секунд после Большого взрыва, поскольку таких моментов времени попросту не было. Мы достигли начала начал и уткнулись в непроницаемую перегородку: дальше пути нет, ибо привычные представления о пространстве и времени утрачивают всякий смысл. В области планковских величин отсутствует последовательность событий, там ничего не происходит, и потому времени некуда течь. Пространство тоже теряет связность, обращаясь в кипящий хаос вспыхивающих и гаснущих пузырьков. Увидеть это мутное варево мы не в силах, так как масштабы, доступные современным ускорителям, лежат в пределах 10–16 сантиметров, а на таких расстояниях пространство-время продолжает оставаться гладким. Чтобы воочию лицезреть планковские масштабы, нам пришлось бы увеличить чувствительность аппаратуры в 1017раз. И вот тогда мы увидели бы квантовый океан, пребывающий в состоянии перманентного хаотического бурления, что-то вроде волнующейся морской стихии, которая беспрерывно гонит волну за волной. Однако с большой высоты отдельных волн не разглядеть – океан представляется спокойной водной гладью. И только спустившись пониже, мы сможем увидеть череду быстро бегущих пенных барашков.

В микромире, на уровне планковских величин пространственно-временной континуум разрушается бесповоротно, а пространство и время начинают пениться. В этом необычном мире нет никакой определенности, нет выделенных направлений или последовательности событий, и потому американский физик Дж. А. Уилер довольно удачно назвал его квантовой, или пространственно-временной, пеной. Пространство и время обретают дискретность, а понятия «раньше» или «позже» утрачивают всякий смысл. Державинская река времен разбилась на отдельные капли. И лишь когда из ничего вдруг выплывает нечто (случайная квантовая флуктуация переживает стремительное раздувание), рождаются привычные нам пространство и время, а вместе с ними – новая Вселенная. Хаос породил Космос. Таким образом, рождение Вселенной тождественно рождению пространства-времени.

Справедливости ради необходимо отметить, что квантовый характер пространства-времени не истина в последней инстанции, а всего лишь гипотеза, пусть даже более или менее убедительная. Между тем далеко не все ученые согласны с такой постановкой вопроса. Многие физики серьезно сомневаются в том, что пространство-время и гравитация вообще поддаются квантованию: вполне вероятно, что это сугубо классические объекты. Дело в том, что рождение Вселенной из квантовых флуктуации (или пространственно-временной пены) должно описываться законами не существующей на сегодняшний день науки – квантовой теории гравитации. Однако сформулировать эти хитрые законы, хотя бы даже на теоретическом уровне, пока еще никому не удалось. Это задача грандиозной сложности, и совсем не случайно ведущие ученые помещают ее на первое место среди десятка труднейших проблем современной физики. М. В. Сажин пишет:
Общая теория относительности (ОТО) – релятивистская теория гравитации – принципиально отличается от теории электромагнитного поля и известных полей других видов. ОТО связывает геометрию пространства-времени со свойствами материи. Поэтому построение квантовой гравитации эквивалентно построению квантовой геометрии пространства-времени. При этом возникает много чисто теоретических (скорее даже формально-математических) трудностей.
Другими словами, необходимо каким-то образом увязать квантовый подход с общей теорией относительности при описании явлений микромира. И чтобы не запутать вас, читатель, окончательно, попытаюсь коротко изложить суть проблемы, не вдаваясь в математические тонкости.

Квантовый и классический подходы отличаются принципиально. При описании движения частицы классическая физика оперирует понятием ее траектории, тогда как квантовый подход настаивает всего лишь на вероятности обнаружения частицы (в соответствии с принципом неопределенности – чем точнее вычислена скорость частицы, тем менее точно известно ее местоположение). На классическом языке мы говорим, что электрон движется, а вот на квантовом языке так сказать нельзя. Правильнее говорить, что электрон находится в определенном состоянии, описываемом некоей волновой функцией, дающей вероятность пребывания электрона в том или ином месте. В первом случае уравнение движения является дифференциальным уравнением и легко решается, а во втором требование дифференцируемости не выполняется. Математик скажет, что такая вероятностная траектория недифференцируема.

Позволю себе еще одну цитату из книги М. В. Сажина (если вы, читатель, не озабочены формальными выкладками, можете легко пропустить этот абзац):
Итак, в квантовой механике траектория заменяется понятием вероятности найти частицу. В теории поля понятие частицы заменяется понятием величины поля. Оно характеризуется амплитудой, фазой и частотой. В квантовой теории поля амплитуда, фаза и частота какого-либо поля заменяются понятием вероятности тех же величин. В общей теории относительности роль поля играет геометрия пространства-времени. В ней необходимо работать с вероятностью иметь какую-либо геометрию. Но в ОТО геометрия должна быть дифференцируемой, а в квантовой гравитации, как мы видели на примере траектории частицы, это, вообще говоря, не так!
Получается, нашла коса на камень. Теория относительности и квантовая механика упорно не желают стыковаться на уровне планковских величин. И если когда-нибудь их удастся непротиворечиво повязать, то течение времени в микромире будет описываться своеобразной волновой функцией, обозначающей вероятность протекания некоего промежутка времени, хотя это звучит, мягко говоря, несколько необычно. Впрочем, разрешение парадоксов квантовой гравитации, возможно, не за горами. Одна из новейших физических теорий – так называемая теория суперструн – похоже, обещает снять неустранимые противоречия между квантовой механикой и общей теорией относительности. Об этой весьма любопытной теории мы поговорим в следующей главе.

А пока для описания рождения нашего мира из ничего приходится привлекать самые общие идеи о квантовой эволюции Вселенной как целого. При этом должны выполняться несколько условий. Во-первых, чтобы юная неоперившаяся Вселенная выпорхнула из пустоты без затрат энергии, ее масса должна равняться нулю. Чуть выше я уже писал, что положительная энергия материи скомпенсирована отрицательной энергией гравитации, а потому полная энергия Вселенной (а значит, и ее масса) оказывается равной нулю. Законы сохранения в данном случае не нарушаются. Аналогично дело обстоит и с электрическим зарядом. Наконец, вероятность рождения Вселенной из ничего вычисляется подобно подбарьерному прохождению альфа-частицы в результате процесса туннелирования. Что здесь имеется в виду?

Когда потенциальный энергетический барьер много выше энергии частицы, она, казалось бы, ни в коем случае не сможет его преодолеть. Однако квантовые флуктуации вакуума заставляют пересмотреть этот вывод. Поскольку в соответствии с принципом неопределенности положение и энергию частицы невозможно установить одинаково точно, мы обязаны принимать во внимание квантовые эффекты, неизбежно влияющие на ее поведение. Рано или поздно энергия частицы случайным образом скачкообразно увеличится и станет относительно большой, в результате чего потенциальный барьер будет преодолен. Подобный феномен движения поверх барьеров известен в физике как процесс туннелирования. Нечто в том же духе однажды приключилось и с нашей Вселенной: хотя ее полная энергия равнялась нулю, случайные квантовые флуктуации позволили ей туннелировать в существование из ничего.

Итак, вынырнув из пространственно-временной пены, новорожденная Вселенная некоторое время распухала со сверхсветовой скоростью (теория относительности, как мы помним, этого не запрещает, ибо ограничивает скорость перемещения материальных тел), а когда энергия инфлатонного поля упала до минимума, произошло рождение вещества в виде горячей плазмы. Инфляция завершилась, сменившись обычным расширением, которое мы наблюдаем по сей день.

Рождение Вселенной из квантовой пены посредством туннельного перехода отстаивает теория вечной (или хаотической) инфляции Андрея Линде. Разумеется, термин «вечная инфляция» нельзя толковать в буквальном смысле. Инфляционная стадия вечна ровно в той же мере, в какой вечны, скажем, элементарные частицы, хотя каждая из них рождается и в свой срок погибает. Наша Вселенная находилась в инфляционной фазе вполне конечное (и очень непродолжительное) время, но мироздание одной только нашей Вселенной не исчерпывается. Вселенных существует великое множество, они непрерывно выныривают из пространственно-временной пены за счет квантовых флуктуации. Этот процесс случаен, хаотичен и не имеет ни конца, ни начала. Одни вселенные схлопываются, едва успев родиться, другие растут, оставаясь пустыми и мертвыми, поскольку законы в них таковы, что запрещают возникновение сложных структур, третьи превращаются в своего рода фантомы, ибо лишены времени и развития, а четвертые заполняются звездами, галактиками и планетами. По счастливому стечению обстоятельств мы живем именно в такой Вселенной. Попробуем пояснить механизм вечной инфляции на конкретном примере.

В планковский момент времени (10-43секунд), еще до начала инфляции, физические процессы успели распространиться максимум на расстояние планковской длины (10-33сантиметров). Только в таком элементарном объеме к началу инфляции могло быть достигнуто термодинамическое равновесие. Однако фактические масштабы Вселенной не обязательно должны ограничиваться планковской длиной; вполне вероятно, что они были намного больше и представляли собой набор крошечных областей, каждая из которых имела размер, приблизительно равный 10-33сантиметрам. Все эти области были изолированы друг от друга, потому что световому сигналу попросту не хватило времени проникнуть из одной области в другую. Следовательно, физические условия в разных областях заметно различались, меняясь от области к области хаотически. Энергетическая плотность внутри элементарных клеточек тоже существенно разнилась.

Вспомним еще раз беспорядочно разбросанные снежки на горном склоне: одни лежат почти у самого края пропасти, а другие удалены от нее на значительное расстояние. В огромном большинстве случаев снежный ком беспрепятственно скатывается вниз и легко достигает точки минимума. В таких «благополучных» областях инфляция завершается сравнительно быстро (как мы помним, она продолжается до тех пор, пока снежок находится на плато) и сменяется банальным расширением по закону Фридмана – Хаббла. Но картина осложняется тем, что отдельные комки под влиянием случайных квантовых флуктуации могут перемещаться и в прямо противоположную сторону, достигая невообразимых скоростей, поскольку процесс раздувания развивается по экспоненте. В таких областях инфляция не завершится никогда.

Чтобы вообразить это сколько-нибудь наглядно, представьте себе резиновый лист или полиэтиленовую пленку, расчерченную на клетки наподобие шахматной доски. Каждое из полей, соответствующих в данном случае элементарному планковскому объему, можно растянуть как угодно сильно или, наоборот, оставить в неприкосновенности. В результате мы получим запутанный конгломерат, состоящий из фрагментов единого целого, деформированных сугубо индивидуально. «Спокойный» участок, где инфляция давным-давно приказала долго жить, может быть окружен бесчисленным количеством областей, находящихся в совершенно разных режимах: в одних раздувание сразу же захлебнулось, а в других продолжается до сих пор.

Поэтому размер наблюдаемой ныне Вселенной (Метагалактики), составляющий 1028сантиметров, что примерно соответствует 10 миллиардам световых лет, может оказаться ничтожной частью мироздания в целом. Там, за горизонтом событий, живут-поживают иные миры, никак не соотнесенные с нашей Вселенной. И хотя формально они с нею связаны бесспорным фактом общности происхождения, с физической точки зрения они являются «вещами в себе», ибо не имеют никакого касательства к нашей Вселенной. Сценарий вечной стохастической (вероятностной) инфляции описывает все возможные вселенные, которые в известном смысле существуют «где-нибудь» в пространстве.

А. А. Старобинский, член-корреспондент РАН и главный научный сотрудник Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау, задается простым вопросом:

Когда инфлатонное поле достигло минимума потенциальной энергии, произошло рождение вещества в виде горячей плазмы из кварков, глюонов, электронов и их античастиц. Вселенная вновь разогрелась до весьма высоких температур порядка 1026– 1029градусов Кельвина. Экспоненциальное раздувание сменилось обычным неторопливым расширением по закону Хаббла, что воспринимается нами как Большой взрыв. Ранняя Вселенная представляла собой своего рода горячий кварковый суп: высокая температура препятствовала их объединению, а потому каждый кварк жил самостоятельной жизнью. По мере падения температуры они начали объединяться в нуклоны, так как существование кварков в виде свободных частиц при относительно низких температурах невозможно. Когда Вселенная остыла примерно до 1011– 1012градусов Кельвина (ее возраст в ту пору составлял 10-4секунд), свободных кварков в природе не осталось – все они объединились в протоны и нейтроны. Этот процесс принято называть бариосинтезом, или кваркадронным фазовым переходом. К этому времени пространство юной Вселенной превратилось в густую кашу из протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов, а также их античастиц. Однако вот что любопытно: если частиц и античастиц по окончании инфляции было поровну, то они неминуемо должны были бы взаимно уничтожиться в процессе аннигиляции, и тогда строительного материала, необходимого для образования звезд, галактик да и нас с вами, элементарно не хватило бы. Другими словами, почему произошло нарушение симметрии между частицами и античастицами?

Итак, законы природы одинаковы для частиц и античастиц, а потому неплохо бы разобраться, каким образом возник барионный избыток. На всякий случай заметим, что окончательного ответа на этот вопрос нет, имеется несколько версий, более или менее убедительных, и каждая из них требует привлечения сложного математического аппарата. Поэтому ограничимся упрощенной моделью, которая, однако, помогает понять суть дела.

Введем гипотетическое поле, одинаково взаимодействующее как с частицами, так и с античастицами, и обозначим его греческой буквой 0. Изобразим его графически, в виде параболы. Энергия поля будет максимальной на ее ветвях и минимальной в области дна, в точке, лежащей на оси абсцисс. Для наглядности можно представить себе яму или какой-нибудь сосуд, скажем, пиалу или расширяющийся кверху фужер с округлым дном. Поместим на внутреннюю стенку пиалы шарик и примем, что его энергия тем больше, чем выше он расположен. Скатываясь ко дну пиалы, шарик теряет энергию.

Теперь вспомним, что в момент рождения нашей Вселенной плотность энергии была весьма велика. В дальнейшем она все время падала, стремясь к нулю, а энергия поля переходила в энергию рождающихся частиц. В нашей модели античастиц должно быть немного меньше. Но как этого добиться? Предположим, что частицы рождаются при движении поля по левой части параболы, а античастицы – по правой. Картина продолжает оставаться вполне симметричной: ни частицы, ни их близнецы-антиподы не имеют ровным счетом никаких преимуществ, поскольку квантовая флуктуация – зародыш нашей Вселенной – с равной вероятностью может возникнуть как на левой, так и на правой ветви. А теперь посмотрим, что произойдет дальше.

Об этом хорошо и просто рассказывает С. Г. Рубин: