Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной - читать онлайн книгу. Автор: Стивен Хокинг cтр.№ 20

Вселенная могла достичь современного гладкого и однородного состояния при множестве различных неоднородных начальных состояний.

Эйнштейн ввел космологическую постоянную в общую теорию относительности, когда пытался построить стационарную модель Вселенной. Однако в данном случае Вселенная уже расширяется. Эффект отталкивания, связанный с этой космологической постоянной, заставил бы Вселенную расширяться с постоянно возрастающей скоростью. Даже в тех областях, где содержание частиц материи превышает среднее значение во Вселенной, отталкивание, обусловленное эффективной космологической постоянной, перевесило бы гравитационное притяжение материи. Так что и эти области расширялись бы в ускоренном, инфляционном режиме.

По мере расширения Вселенной расстояние между частицами материи увеличивается. Так можно получить расширяющуюся Вселенную, где едва ли содержится хоть одна частица. Вселенная все еще будет находиться в переохлажденном состоянии, в котором симметрия взаимодействий не нарушена. Любые неоднородности во Вселенной будут попросту сглажены расширением, как разглаживаются складки на воздушном шарике, когда вы его надуваете. Таким образом, Вселенная могла достичь современного гладкого и однородного состояния при множестве различных неоднородных начальных состояний. Скорость расширения также могла стремиться к критическому значению, достаточному для того, чтобы избежать обратного коллапса.

Более того, идея инфляции позволяет также объяснить, почему во Вселенной так много материи. В наблюдаемой нами области Вселенной содержится примерно 10⁸⁰ частиц. Откуда они взялись? Ответ на этот вопрос дает квантовая теория, согласно которой частицы могут рождаться из энергии в виде пар частица-античастица. Но тогда возникает вопрос: откуда появилась энергия? Ответ заключается в том, что общая энергия Вселенной в точности равна нулю.

Материя во Вселенной создана из положительной энергии. Однако вся материя притягивается под действием гравитации. Два куска материи, находящиеся близко друг к другу, обладают меньшей энергией, чем те же самые куски материи, разделенные большим расстоянием. Это связано с тем, что необходимо затратить энергию, чтобы разделить их. Требуется преодолеть силу гравитации, притягивающую их друг к другу. Получается, что в некотором смысле гравитационное поле обладает отрицательной энергией. Что касается Вселенной в целом, можно показать, что эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию материи. Следовательно, суммарная энергия Вселенной равна нулю.

Итак, дважды нуль будет нуль. Таким образом, во Вселенной может удвоиться количество положительной энергии материи и удвоиться количество отрицательной гравитационной энергии, причем закон сохранения энергии не нарушается. Такого не происходит при обычном расширении Вселенной, при котором плотность энергии вещества уменьшается с увеличением размеров Вселенной. Однако это происходит при инфляционном расширении, поскольку плотность энергии в переохлажденном состоянии остается постоянной, тогда как Вселенная расширяется. Когда размер Вселенной удваивается, положительная энергия материи и отрицательная энергия гравитации также удваиваются, так что суммарная энергия остается равной нулю. Во время инфляционной фазы размер Вселенной сильно увеличивается. Следовательно, общее количество энергии, доступной для образования частиц, становится очень большим. Как отметил Гут: «Говорят, что бесплатных обедов не бывает, но Вселенная — это самый настоящий бесплатный обед».

Конец инфляции

В настоящее время Вселенная уже не расширяется в инфляционном режиме. Поэтому должен был существовать некий механизм, исключающий очень большую эффективную космологическую постоянную. Он должен был изменить скорость расширения с возрастающей на ту скорость, которая наблюдается сейчас, то есть замедленную гравитацией. Можно ожидать, что со временем, по мере расширения и остывания Вселенной, симметрия между взаимодействиями нарушается, подобно тому как переохлажденная вода в конце концов всегда замерзает. Тогда избыточная энергия состояния с ненарушенной симметрией высвобождается и вновь нагревает Вселенную. Затем Вселенная продолжает расширяться и остывать, совсем как в модели горячего Большого взрыва. Однако теперь у нас будет объяснение, почему Вселенная расширялась именно с критической скоростью и почему разные области имели одинаковую температуру.

В первоначальной модели Гута предполагалось, что переход к состоянию с нарушенной симметрией происходит внезапно, подобно появлению кристаллов льда в очень холодной воде. Идея заключалась в том, что «пузырьки» нового фазового состояния с нарушенной симметрией могли сформироваться в старом фазовом состоянии, как пузырьки пара в кипящей воде. Предполагалось, что пузырьки расширяются и сливаются друг с другом, пока вся Вселенная не окажется в новой фазе. Проблема заключалась в том, что, как заметили я и другие ученые, Вселенная расширялась настолько быстро, что пузырьки не успевали бы слиться, так как удалялись бы друг от друга слишком быстро. Вселенная оказалась бы в очень неоднородном состоянии, в котором в некоторых областях все еще сохранялась бы симметрия между разными взаимодействиями. Такая модель Вселенной не соответствовала бы тому, что мы наблюдаем.

В октябре 1981 г. я приехал в Москву на конференцию по квантовой гравитации. После конференции я провел семинар, посвященный инфляционной модели, в Астрономическом институте им. Штернберга. В нем участвовал молодой российский ученый Андрей Линде. Он сказал, что трудность, связанную с тем, что пузырьки не сливаются, можно преодолеть, если предположить, что пузырьки были очень большими. В этом случае наша область Вселенной могла бы содержаться внутри одного пузырька. Чтобы работала эта модель, переход от симметрии к нарушенной симметрии должен был происходить внутри пузырька очень медленно, что вполне возможно в соответствии с теориями великого объединения.

Гипотеза Линде о медленном нарушении симметрии была очень хороша, но я обратил его внимание на то, что размер таких пузырьков был бы больше размера Вселенной в то время. Я показал, что симметрия нарушилась бы везде одновременно, а не только внутри пузырьков. Это привело бы к однородной Вселенной, какую мы и наблюдаем. Модель медленного нарушения симметрии была хорошей попыткой объяснить, почему Вселенная такова, какова она есть. Однако я и несколько других исследователей показали, что предсказанные ею вариации микроволнового фонового излучения значительно превышают наблюдаемые. Кроме того, более поздние работы поставили под сомнение идею о том, что на ранних этапах развития Вселенной могли происходить правильные фазовые переходы. Более удачная модель, называемая моделью хаотической инфляции, была предложена Линде в 1983 г. Она не зависит от фазовых переходов и дает правильные значения вариаций микроволнового фонового излучения. Эта инфляционная модель показала, что современное состояние Вселенной могло стать результатом развития из достаточно большого числа различных начальных конфигураций. Однако нельзя сказать, что любая начальная конфигурация привела бы к появлению такой Вселенной, какую мы наблюдаем. Таким образом, даже инфляционная модель не отвечает на вопрос, почему начальная конфигурация была такой, которая может привести к наблюдаемому состоянию Вселенной. Может быть, нам следует искать объяснение, обратившись к антропному принципу? Возможно, все это было просто счастливой случайностью? Тогда это было бы шагом отчаяния, отказом от всех наших надежд понять законы, лежащие в основе Вселенной.