Проблема плоскостности Вселенной

 

Алан Гут увидел, что его теория разрешает еще одну проблему, проблему плоскостности Вселенной, которую мы упоминали ранее. Стандартная картина Большого Взрыва не могла объяснить, почему Вселенная такая плоская. В 1970-е годы считалось, что плотность вещества во Вселенной, называемая to, равнялась приблизительно ОД. Тот факт, что значение было относительно близко к критической плотности 1,0 через столько миллиардов лет после Большого Взрыва, очень беспокоил ученых. По мере того как Вселенная расширялась, со должна была бы со временем измениться. Ее же значение было неуютно близко к значению 1,0, которое описывает полностью плоский космос.

Уравнения Эйнштейна для любого разумного значения со в начале времен показывают, что в наши дни со должна равняться почти нулю. Потребовалось бы чудо, чтобы со находилась так близко к значению 1 через столько миллиардов лет, прошедших после Большого Взрыва. Это то, что в космологии называют проблемой точной настройки. Бог, или Творец, должен был «выбрать» значение со с фантастической точностью, чтобы в наши дни она равнялась 0,1. Если в наши дни значение со находится в диапазоне от 0,1 до 10, то это подразумевает, что через одну секунду после Большого Взрыва ее значение равнялось 1,00000000000000. Иными словами, в начале времен значение со должно было быть «выбрано» равным единице с точностью до одной стотриллионной, что с трудом укладывается в голове.

Представьте, что вы стараетесь поставить карандаш на острие. Сколько бы вы ни искали баланс, карандаш все равно падает. По сути, необходима потрясающая точность настройки — сбалансировать карандаш таким образом, чтобы он не упал. А теперь попробуйте сбалансировать карандаш так, чтобы он простоял на острие грифеля не несколько секунд, а несколько лет! Вот также невероятна и точная настройка, необходимая для того, чтобы сегодня со равнялась 0,1. Малейшая ошибка в настройке стала бы причиной нынешнего значения со, намного отличного от единицы. Так почему же плотность столь близка к Первому дню Творения, если, Тю справедливости, ее значение должно бы уйти астрономически далеко?

Для Гута ответ был очевиден. Вселенная просто-напросто расширилась до такой степени, что стала казаться плоской. Подобно человеку, считающему, что Земля плоская, потому что он не видит горизонта, астрономы заключили, что значение со находится в области 1, потому что инфляция сделала Вселенную плоской.

 

Проблема горизонта

 

Инфляция не только объясняла факты, свидетельствующие о том, что Вселенная плоская, — она также решила проблему горизонта. Эта проблема основана на простом понимании того, что ночное небо кажется относительно однородным, в какую бы точку вы ни смотрели. Если вы повернете голову на 180°, то увидите, что Вселенная однородна, хотя только что видели сегменты Вселенной, разделенные десятками миллиардов световых лет. Мощнейшие телескопы не могут обнаружить каких-либо заметных отклонений в этой однородности. Наши космические спутники показали, что космическое фоновое микроволновое излучение также распределено чрезвычайно однородно. В какую бы точку космоса мы ни проникли, температура фонового излучения меняется не более чем на одну тысячную градуса.

Но в этом-то и проблема, поскольку скорость света является конечным скоростным пределом во Вселенной. За время жизни Вселенной свет или информация никоим образом не могли пройти расстояние от одной части ночного неба к другой. Если взять, скажем, микроволновое излучение, видимое в одном направлении, то оно путешествовало более 13 млрд лет с момента Большого Взрыва. Но если мы повернем голову на 180°, то увидим такое же микроволновое излучение, которое тоже пропутешествовало более 13 млрд лет. Поскольку эти излучения имеют одну и ту же температуру, это означает, что они находились в термальном контакте еще в начале времен. Но различные точки в ночном небе, разделенные расстоянием в 26 миллиардов световых лет, с момента Большого Взрыва никоим образом не могли обменяться информацией.

Ситуация выглядит еще хуже, если взглянуть на небо через 380000 лет после Большого Взрыва, когда впервые образовалось микроволновое фоновое излучение. Если мы взглянем на противоположные точки небесной сферы (не простым глазом, естественно), то увидим, что излучение почти однородно. Но, согласно расчетам в рамках теории Большого Взрыва, между этими противоположными точками лежит расстояние в 90 миллионов световых лет (из-за космического расширения после взрыва). Но свет никак не мог пройти 90 миллионов световых лет за 380 000 лет. Информация должна была бы двигаться со скоростью, намного превышающей скорость света, а это невозможно.

По справедливости, Вселенная должна бы казаться довольно комковатой, при этом одна ее часть находилась бы слишком далеко от другой, чтобы они могли контактировать между собой. Как может Вселенная казаться настолько однородной, когда у света просто-напросто не было достаточно времени, чтобы перенести и распространить информацию из одной части Вселенной в другую? (Принстонский физик Роберт Дик назвал эту проблему «проблемой горизонта», поскольку горизонт — самая отдаленная точка, которую мы можем видеть, самая отдаленная точка, до которой может распространяться свет.)

Однако Гут понял, что инфляция дает ключ к разрешению и этой проблемы. Он сделал следующий вывод: наша Вселенная, видимо, была крошечным язычком изначального огненного облака. Температура и плотность этого язычка были однородны. Но инфляция внезапно расширила этот язычок однородного вещества в 10⁵⁰раз, со скоростью, намного превышающей скорость света, а потому видимая сегодня Вселенная кажется столь однородной. Так что ночное небо и микроволновое излучение кажутся столь однородными из-за того, что видимая Вселенная была когда-то крошечным, но однородным язычком изначального облака пламени, который внезапно расширился, образовав Вселенную.

 

Реакция на инфляцию

 

Хотя Гут был уверен в том, что инфляционная теория верна, он несколько нервничал, когда начал читать первые публичные лекции. Когда в 1980 году он представил свою теорию, то признался: «Я все еще беспокоился о том, что некоторые заключения в теории могли быть неверны. И побаивался, что покажусь незрелым космологом». Но его теория была столь изящна и мощна, что физики всего мира незамедлительно уяснили всю ее важность. Нобелевский лауреат Марри Гелл-Манн воскликнул: «Вы решили важнейшую проблему космологии!» Другой нобелевский лауреат Шелдон Глэшоу по секрету сообщил Гуту, что Стивен Вайнберг был «взбешен», когда услышал об «инфляции». Гут взволнованно спросил: «У Стива были какие-то возражения по поводу теории?» Глэшоу ответил: «Нет, просто он жалел, что сам до нее не додумался». Ученые задавались вопросом, как они могли упустить такое простое решение. Теорию Гута восторженно приняли физики-теоретики, пораженные ее размахом.

Новая теория расширила и перспективы Гута на получение работы. Когда-то из-за большой конкуренции на рынке труда он лицом к лицу столкнулся с безработицей. «Я находился в критической ситуации в смысле трудоустройства», — признавался он. Внезапно на него посыпались предложения из лучших университетов, но

Массачусетский технологический институт, который он выбрал с самого начала, не прислал ему приглашения. Тогда же Гут прочитал записочку-предсказание, запеченную в печенье, которая гласила: «Если вы не слишком застенчивы, то прямо перед вами находится волнующая возможность». Это предсказание придало ему мужества позвонить в Массачусетский технологический институт и осведомиться о возможности получения работы. Он был ошеломлен, когда через несколько дней ему перезвонили из института и предложили должность профессора. В следующем печенье он обнаружил вот такое предсказание: «Не нужно действовать под влиянием момента». Не обратив внимания на совет, он решил принять предложение МТИ. «В конце концов, что может знать китайское печенье?» — спросил он себя.

Однако возникли серьезные проблемы. Астрономы были не слишком очарованы теорией Гута, поскольку в ней зияла пробоина; она давала неверный прогноз со. Тот факт, что со относительно близка к 1, мог объясняться теорией инфляции. Однако инфляционная теория шла намного дальше и предсказывала, что со (или со плюс л) должна в точности равняться 1, что соответствовало плоской Вселенной. В следующие годы по мере того, как накапливалось все больше экспериментальных данных о расположении темной материи во Вселенной, значение со несколько сдвинулось, поднявшись с 0,1 до 0,3. Но это значение все еще было потенциально опасным для теории инфляции. Хотя в течение следующего десятилетия физики посвятили теории инфляции более трех тысяч работ, для астрономов она оставалась странной. Им казалось, что имеющиеся у них данные исключают возможность инфляции Вселенной.

Некоторые астрономы жаловались, что физики, занимающиеся теорией частиц, настолько захвачены красотой теории инфляции, что готовы пренебречь экспериментальными фактами. (Астроном Роберт Киршнер из Гарварда писал: «Эта «инфляционная» теория звучит безумно. Тот факт, что ее серьезно воспринимают люди, которые пользуются заслуженным авторитетом, не превращает ее автоматически в правильную». Роджер Пенроуз из Оксфорда назвал теорию инфляции «модой, которую специалисты, занимающиеся физикой высоких энергий, навязали космологам. Даже муравьеды думают, что их детеныши прекрасны».)

Сам же Гут верил: рано или поздно подтвердится, что Вселенная плоская. Но его и вправду беспокоил тот факт, что в изначальной картине наблюдался маленький, но очень серьезный недостаток, который и до сих пор не до конца объяснен. Теория инфляции идеально подходила для решения глубоких космологических проблем. Проблема заключалась в том, что Гут не знал, как «выключить» инфляцию.

Представьте, что вы поставили на огонь чайник и температура воды в нем подходит к точке кипения. Как раз перед тем, как закипеть, она мгновенно переходит в состояние высокой энергии. Она стремится закипеть, но не может, потому что для образования пузырьков ей требуется какая-то неравномерность, инородное тело. Но когда пузырек образуется, он быстро переходит в состояние низкой энергии чистого вакуума, и чайник наполняется пузырьками. В конце концов пузырьки становятся такими большими, что сливаются, пока чайник не наполняется однородным паром. Когда все пузырьки сливаются, фаза перехода воды в пар завершена.

В изначальной картине Гута каждый пузырек представлял из себя частичку нашей Вселенной, расширяющейся из вакуума. Но когда Гут провел расчеты, он обнаружил, что пузырьки не сливаются должным образом, тем самым оставляя Вселенную невероятно комковатой. Иными словами, по его теории оставался полный чайник пузырьков пара, которые никогда не сольются вместе, чтобы образовать полный чайник однородного пара. Чайник кипящей воды Гута, казалось, никогда не превратится во Вселенную сегодняшнего дня.

В1981 году Андрей Линде из Института П. Н. Лебедева в России, а также Пол Дж. Штайнхардт и Андреас Альбрехт из Пенсильванского университета нашли способ разрешить эту загадку, поняв, что если одиночный пузырекложного вакуума будет расширяться достаточно долго, то в конце концов он заполнит весь «чайник» и создаст однородную Вселенную. Иными словами, наш мир может быть побочным продуктом одиночного пузырька, который расширился и заполнил Вселенную. Тогда не понадобилось бы большое количество пузырьков, которые должны слиться и заполнить чайник однородным паром. Достаточно было бы одиночного пузырька, при условии, что он расширялся бы достаточно долго.

Вернемся к аналогии с плотиной и ложным вакуумом. Чем шире плотина, тем больше времени понадобится воде, чтобы ее прорвать. Если стена плотины достаточно толстая, то время, нужное воде, чтобы пройти сквозь плотину, может быть произвольно долгим. Если Вселенная может расшириться в 10⁵⁰раз, то у одиночного пузырька достаточно времени решить проблемы горизонта, плоскостной Вселенной и монополя. Иными словами, если процесс туннелиро-вания достаточно замедлен, то Вселенная расширяется достаточно долго, чтобы стать плоской и чтобы по ней распространились моно-поли. Но это все же не решает вопрос: какой механизм может продлить инфляцию такого большого масштаба?

В конце концов, эта трудная проблема стала известна как «проблема мягкого выхода», то есть как расширять Вселенную достаточно долго, чтобы один-единственный пузырек смог образовать целиком всю Вселенную. За несколько лет было предложено по крайней мере 50 различных способов решения «проблемы мягкого выхода». (Это обманчиво простая задача. Я сам пытался найти несколько решений. Было относительно легко создать расширение умеренных масштабов в ранней Вселенной. Но чрезвычайно трудно заставить Вселенную расшириться в 10⁵⁰раз. Конечно, можно просто вписать цифру 10⁵⁰, но это будет искусственно и натянуто.) Иными словами, общепринятым было мнение, что процесс инфляции решает проблему монополя, горизонта и плоскостности Вселенной, но никто точно не знал, что вызвало инфляцию и что ее остановило.