Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

Такой результат, несомненно, позволил Эйнштейну вздохнуть с облегчением. Какие сердечные муки он должен был испытывать, когда десятилетие тяжелейших исследований, которое он посвятил формулировке общей теории относительности, привело бы в итоге к теории, которая была несовместима со статической Вселенной, которую видит каждый, кто вглядывается в ночное небо. Но, как мы видели, дюжину лет спустя история сделала резкий поворот. В 1929 г. Хаббл показал, что поверхностный взгляд на небо может вводить в заблуждение. Его систематические наблюдения показали, что Вселенная не статична. Она действительно расширяется. Если бы Эйнштейн поверил исходным уравнениям общей теории относительности, он мог бы предсказать расширение Вселенной более чем за десять лет до того, как оно было открыто путём наблюдений. Это определённо должно быть поставлено в ряд величайших открытий — это может быть самым великим открытием всех времён. После ознакомления с результатами Хаббла Эйнштейн пожалел о том дне, когда он подумал о космологической постоянной, и он убрал её из уравнений общей теории относительности. Он хотел, чтобы все забыли весь этот прискорбный эпизод, и на несколько десятилетий все действительно его забыли.

Однако в 1980-х гг. космологическая постоянная снова вышла на сцену в совершенно новой форме и указала путь к одному из наиболее судьбоносных переворотов в космологическом мышлении со времён, когда человек впервые заинтересовался космологией.

О прыгающих лягушках и переохлаждении

Поймав взглядом летящий вверх бейсбольный мяч, вы можете используя закон тяготения Ньютона (или более утончённые уравнения Эйнштейна) предсказать его последующую траекторию. И, если вы проведёте требуемые вычисления, вы получите полное понимание того, как движется мяч. Однако открытым остаётся вопрос: кто или что подбросило мяч вверх вначале? Как мяч приобрёл начальное направленное вверх движение, которое вы затем можете математически описать? В этом простом примере, немного поразмыслив, можно найти ответ. Но более сложная версия аналогичного вопроса состоит в том, чтобы объяснить начало расширения Вселенной с использованием общей теории относительности.

Уравнения общей теории относительности, как впервые было показано Эйнштейном, датским физиком Виллемом де Ситтером и впоследствии Фридманом и Леметром, допускают расширяющуюся Вселенную. Но, так же как уравнения Ньютона ничего не говорят нам о том, почему началось движение мяча вверх, уравнения Эйнштейна ничего не говорят о том, как началось расширение Вселенной. Многие годы космологи говорили о начальном расширении пространства как о чём-то данном и необъяснимом, и просто разрабатывали уравнения, исходя из этого. Именно это я имел в виду, когда ранее говорил, что теория Большого взрыва молчит о самом взрыве.

Так дела обстояли до той важной ночи в декабре 1979 г., когда Алан Гут, работавший в Стэндфордском линейном ускорительном центре (сейчас он профессор Массачусетского технологического института), показал, что мы можем гораздо больше. Намного больше. Хотя остались детали, которые и сегодня, более чем через два десятилетия, ещё требуют своего обсуждения, Гут сделал открытие, которое разорвало это молчание, снабдив Большой взрыв взрывом как таковым, и который оказался больше, чем кто-либо мог ожидать.

Гут не был специалистом-космологом. Его специальностью была физика частиц, и в конце 1970-х гг. вместе с Генри Таем из Корнельского университета он изучал различные модели полей Хиггса в теориях великого объединения. Вспомним из обсуждения предыдущей главы о спонтанном нарушении симметрии, что поле Хиггса вносит минимально возможный вклад в энергию в некоторой области пространства, когда величина поля имеет специальное ненулевое значение (которое зависит от точной формы чаши его потенциальной энергии). В ранней Вселенной, когда температура была необычайно высока, мы обсуждали, как величина поля Хиггса сильно флуктуирует от одного значения к другому, подобно прыжкам лягушки в горячей металлической чаше, которая жжёт ей лапки, но когда Вселенная остыла, поле Хиггса скатилось на дно чаши к величине, которая минимизировала его энергию.

Гут и Тай изучали причины, по которым поле Хиггса может задержаться на пути к конфигурации с наименьшей энергией (к жёлобу в чаше на рис. 9.1в). Если мы применим аналогию с лягушкой к вопросу, который интересовал Гута и Тая, его можно сформулировать так: что если лягушке в одном из своих первых прыжков, когда чаша начала охлаждаться, случится приземлиться на центральной площадке? И что если, когда чаша продолжит охлаждаться, лягушка задержится на центральном плато (неторопливо поедая червяков), вместо того чтобы соскользнуть вниз в жёлоб чаши? Или, в физических терминах, что если величина флуктуирующего поля Хиггса приземлится на центральном возвышенном плато энергетической чаши и останется там, когда Вселенная продолжит охлаждаться? Если это происходит, физики говорят, что поле Хиггса переохлаждено. Это означает, что хотя температура Вселенной упала до уровня, когда вы ожидаете, что величина поля Хиггса должна приблизиться к низкоэнергетическому жёлобу, поле остаётся захваченным в высокоэнергетической конфигурации. (Это напоминает воду высокой чистоты, которая может быть переохлаждена до температуры ниже 0°C, когда ожидается, что она превратится в лёд, но тем не менее всё ещё останется жидкостью, поскольку образование льда требует малых примесей, вокруг которых могут начать расти кристаллы.)

Гут и Тай заинтересовались этим сценарием, поскольку их расчёты наводили на мысль, что это может иметь отношение к проблеме, с которой исследователи столкнулись в попытках реализовать различные сценарии великого объединения (проблема магнитного монополя){194}. Но Гут и Тай осознали, что отсюда вытекают и другие возможности. Они предположили, что энергия, связанная с переохлаждённым полем Хиггса, — вспомним, что высота поля представляет его энергию, так что поле имеет нулевую энергию, только если его величина лежит на дне в жёлобе чаши, — может влиять на расширение Вселенной. В начале декабря 1979 г. Гут пошёл дальше в этом же направлении, и вот что он обнаружил.

Поле Хиггса, которое удерживается на плато, не только наполняет пространство энергией, но, что критически важно, Гут понял, что оно также даёт вклад в однородное отрицательное давление. Фактически он нашёл, что в том, что касается энергии и давления, поле Хиггса, которое удерживается на плато, имеет такие же свойства, как и космологическая постоянная: оно наполняет пространство энергией и отрицательным давлением в точности в той же пропорции, как и космологическая постоянная. Так Гут открыл, что переохлаждённое поле Хиггса сильно влияет на расширение пространства: подобно космологической постоянной оно является носителем отталкивающей гравитационной силы, которая заставляет пространство расширяться{195}.

Здесь, поскольку вы уже знакомы с отрицательным давлением и отталкивающей гравитацией, вы можете подумать: да, это прекрасно, что Гут нашёл особый физический механизм для реализации идеи Эйнштейна о космологической постоянной, ну и что из того? Что тут особенного? Концепция космологической постоянной давно уже отброшена. Её введение в физику было не чем иным, как заблуждением Эйнштейна. Почему повторное открытие чего-то, что дискредитировало себя более шести десятилетий назад, вызвало такое возбуждение?

Инфляция

А вот почему. Хотя переохлаждённое поле Хиггса обладает определёнными свойствами космологической постоянной, Гут понял, что они не абсолютно идентичны. Напротив, имеется два ключевых различия, которые всё меняют.

Во-первых, в то время как космологическая постоянная является константой — она не меняется со временем, так что она обеспечивает постоянное, неизменное отталкивание, — переохлаждённое поле Хиггса не обязательно должно быть постоянным. Подумаем о лягушке, усевшейся на выпуклость в центре чаши на рис. 10.1а. Она может сидеть там некоторое время, но рано или поздно случайный прыжок — прыжок, вызванный не тем, что чаша горячая (она уже остыла), а скорее тем, что лягушка неугомонная, — столкнёт лягушку с выпуклости, после чего она соскользнёт вниз к низшей точке чаши, как показано на рис. 10.1б. Поле Хиггса может вести себя аналогично. Его величина во всём пространстве может застрять на центральном плато энергетической чаши, в то время как температура упадёт слишком низко, чтобы вызвать существенное тепловое воздействие на поле. Но квантовые процессы будут вызывать хаотические скачки величины поля Хиггса, и достаточно большой скачок сбросит его с плато, позволив его энергии и давлению релаксировать к нулю{196}. Расчёты Гута показали что, в зависимости от точной формы выпуклости в центре энергетической чаши этот скачок может произойти быстро, возможно, в течение такого короткого времени, как 0,00000000000000000000000000000001 (10−35) с. Впоследствии Андрей Линде, работавший в то время в Физическом институте им. П. Н. Лебедева в Москве, и Пол Стейнхардт, работавший тогда со своим студентом Андреасом Альбрехтом в университете Пенсильвании, нашли способ для поля Хиггса релаксировать к нулевой энергии и давлению во всём пространстве даже более эффективно и существенно более однородно (при этом разрешив некоторые технические проблемы, свойственные изначальному предложению Гута){197}. Они показали, что если чаша потенциальной энергии более гладкая и более пологая, как на рис. 10.2, то квантовые скачки могут не потребоваться: величина поля Хиггса быстро скатится в жёлоб, как мяч с горки. Итог таков: если поле Хиггса действовало подобно космологической постоянной, это продолжалось лишь крошечное мгновение.