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

Теперь представьте, что несколько проказников решили немного изменить положение дел. Они соединили толстыми резиновыми лентами противоположные стены комнаты, движущиеся наружу. Резиновые ленты оказывают направленное внутрь, отрицательное давление на стены комнаты, которое действует в точности противоположно направленному наружу положительному давлению, которое производят дети; вместо того чтобы переводить энергию в расширение комнаты, отрицательное давление резиновых лент «всасывает» энергию расширения. Когда комната расширяется, резиновые ленты натягиваются сильнее, что означает, что они заключают в себе возрастающее количество энергии.

Конечно, на самом деле мы интересуемся не расширяющимися комнатами, но расширяющейся Вселенной. И наши теории говорят нам, что пространство заполнено не толпами детей и множеством резиновых лент, а, в зависимости от космологической эпохи, однородным океаном поля инфлатона или горячими обычными частицами (электронами, фотонами, протонами и т. п.). Тем не менее одно простое наблюдение позволяет применить к космологии выводы, которые мы получили для комнаты. Точно так же, как быстро движущиеся дети производят работу против направленных внутрь сил со стороны стен комнаты при расширении, быстро движущиеся частицы в нашей Вселенной работают против направленных внутрь сил, когда расширяется пространство: они работают против сил гравитации. Это наводит на мысль (и математика это подтверждает), что можно провести аналогию между Вселенной и комнатой с детьми, заменив силу гравитации стенами комнаты.

Таким образом, точно так же, как полная энергия, заключающаяся в детях, падает вследствие её постоянной перекачки в энергию стен при расширении комнаты, полная энергия, переносимая обыкновенными частицами материи и излучения, падает вследствие её постоянного перекачивания в гравитацию, когда расширяется Вселенная. Более того, мы видим, что точно так же, как изготовленные проказниками резиновые ленты создают отрицательное давление внутри расширяющейся комнаты, однородное поле инфлатона создаёт отрицательное давление внутри расширяющейся Вселенной. Поэтому точно так же, как полная энергия, содержащаяся в резиновых лентах, возрастает при расширении комнаты, поскольку она отбирает энергию у его стен, полная энергия, заключённая в поле инфлатона, возрастает, когда Вселенная расширяется, поскольку оно извлекает энергию из гравитации.[69]

Суммируем: когда Вселенная расширяется, материя и излучение теряют энергию, отдавая её гравитации, в то время как поле инфлатона извлекает энергию из гравитации.[70]

Жизненно важное значение наблюдений становится ясно, когда мы пытаемся объяснить происхождение материи и излучения, из которых состоят галактики, звёзды и всё остальное, чем населён космос. В стандартной теории Большого взрыва материя/энергия, заключённая в материи и излучении, постоянно уменьшается при расширении Вселенной, так что материя/энергия в ранней Вселенной намного превышала то, что мы видим сегодня. Следовательно, вместо того чтобы предложить объяснение, откуда взялась вся материя/энергия, в настоящее время населяющая Вселенную, стандартная модель Большого взрыва ведёт бесконечную изнуряющую битву: чем дальше в прошлое заглядывает теория, тем больше материи/энергии она должна как-то объяснить.

Однако в инфляционной космологии верно почти противоположное. Напомним: инфляционная теория утверждает, что материя и излучение возникли в конце инфляционной фазы, когда поле инфлатона выделило заключающуюся в нём энергию, скатившись с возвышения на дно своей чаши потенциальной энергии. Следовательно, правильно поставленный вопрос будет звучать так: может ли теория объяснить содержание в поле инфлатона, в тот момент, когда инфляция подошла к концу, столь громадного количества материи/энергии, которое необходимо, чтобы породить всю материю и излучение, содержащиеся в современной Вселенной?

Ответ на этот вопрос таков: инфляция может легко это сделать, даже особо не утруждаясь. Как уже объяснялось, поле инфлатона является гравитационным паразитом — оно питается гравитацией, — так что полная энергия поля инфлатона возрастает, по мере того как пространство расширяется. Более точно, математика показывает, что плотность энергии поля инфлатона остаётся постоянной в течение фазы быстрого инфляционного расширения, откуда следует, что заключённая в нём полная энергия растёт прямо пропорционально объёму заполненного им пространства. В предыдущей главе мы видели, что размер Вселенной в ходе инфляции возрастает как минимум в 1030 раз, а это означает, что объём Вселенной возрастает по меньшей мере в (1030)3 = 1090 раз. Соответственно, заключённая в поле инфлатона энергия возрастёт в то же гигантское число раз: когда инфляционная фаза подходит к концу, примерно через 10−35 с после её начала, энергия поля инфлатона возрастает по порядку в 1090 раз, если не больше. Это означает, что в начале инфляции полю инфлатона не нужно иметь много энергии, поскольку гигантское расширение, порождённое инфлатоном, гигантски увеличит заключённую в нём энергию. Простой расчёт показывает, что крохотный кусочек пространства, порядка 10−26 см в поперечнике, заполненный однородным полем инфлатона — и весящий всего десять килограммов — в ходе последующего инфляционного расширения приобретает такое количество энергии, которого хватает на всё, что мы видим во Вселенной сегодня.{149}

Таким образом, в полной противоположности со стандартной теорией Большого взрыва, в которой полная материя/энергия ранней Вселенной была невыразимо огромной, инфляционная космология путём «разработки залежей» гравитации может произвести всю обыкновенную материю и излучение Вселенной из крохотного десятикилограммового кусочка заполненного инфлатоном пространства. Это ни в коем случае не отвечает на вопрос Лейбница о том, почему существует нечто вместо ничего, так как ещё необходимо объяснить, почему имелся инфлатон или даже само пространство, которое он занимал. Но то, что всё ещё требует объяснения, весит много меньше, чем моя собака Рокки, и это определённо совсем другая стартовая позиция по сравнению с той, что предусмотрена стандартной моделью Большого взрыва[71].

Инфляция, гладкость и стрела времени

Может быть мой энтузиазм уже выдал мои пристрастия, но из всех успехов, которые наука достигла в наше время, достижения космологии наполняют меня наибольшим трепетом и смирением. Мне кажется, я никогда не утрачивал то возбуждение, которое я первый раз испытал много лет назад, когда впервые изучал основы общей теории относительности и понял, что из нашего крохотного уголка пространства-времени, применив теорию Эйнштейна, мы можем изучать эволюцию всего космоса. Теперь, несколько десятилетий спустя, технологический прогресс позволил подвергнуть эти некогда абстрактные предположения о поведении Вселенной в свои самые ранние моменты проверке наблюдениями, и теория на самом деле работает.

Напомним, однако, что помимо общей важности космологии для понимания пространства и времени, в главах 6 и 7 мы взялись за изучение ранней истории Вселенной со специальной целью: найти истоки стрелы времени. Вспомним из этих глав, что единственные убедительные рамки, которые мы нашли для объяснения стрелы времени, заключались в том, что ранняя Вселенная была чрезвычайно упорядоченной, т. е. имела экстремально низкую энтропию, что сделало возможным будущее, в котором энтропия всегда увеличивается. Точно так же, как страницы романа «Война и мир» невозможно было бы привести в состояние большего беспорядка, если бы они не были в некоторый момент аккуратно сложены, так и Вселенная тоже не обладала бы способностью становиться всё более разупорядоченной — молоко не могло бы разливаться, яйца не могли разбиваться, люди стареть — без того, чтобы она имела высокоупорядоченную конфигурацию в начале. Загадка, с которой мы столкнулись, заключается в объяснении, как могла возникнуть эта высокоупорядоченная низкоэнтропийная стартовая точка.

Инфляционная космология предлагает существенный прогресс в этом вопросе, но позвольте мне сначала более точно напомнить вам загадку на случай, если некоторые существенные детали ускользнули от вашего внимания.

Имеются убедительные свидетельства, что в ранней истории Вселенной материя была распределена по пространству однородно. Как правило, это соответствует высокоэнтропийной конфигурации — вроде молекул углекислого газа, разлетевшихся по всей комнате из бутылки колы, — и потому могло бы оказаться настолько банальным, что едва ли потребовало объяснения. Но когда существенна гравитация, как это имеет место при рассмотрении целой Вселенной, однородное распределение материи является редкой, низкоэнтропийной, высокоупорядоченной конфигурацией, поскольку гравитация заставляет материю собираться в отдельные сгустки. Аналогично, гладкое и однородное пространство также имеет очень низкую энтропию; оно является высокоупорядоченным по сравнению с пространством, характеризующимся безумно скачущей, неоднородной пространственной кривизной. (Точно так же, как для страниц романа «Война и мир» имеется много способов быть разупорядоченными, но только один способ быть упорядоченными, имеется много способов для пространства иметь разупорядоченную, неоднородную форму, но очень мало способов, в которых оно может быть упорядоченным, гладким и однородным.) Так что мы остаёмся с загадкой: почему ранняя Вселенная имела низкоэнтропийное (высокоупорядоченное) распределение материи вместо высокоэнтропийного (сильно разупорядоченного) неоднородного распределения материи, такого как популяция разнообразных чёрных дыр? И почему распределение кривизны по пространству было гладким, упорядоченным и однородным с экстремально высокой точностью, а не пронизанным различными гигантскими искажениями и замысловатыми искривлениями, вроде того, которое могло бы генерироваться чёрными дырами?