Брайан Грин - Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса
Могу представить, что, вспомнив идеи из главы 2 (и мои комментарии четырьмя абзацами выше), вы скажете: «Ну, это не более чем проявление космологического принципа: никакая точка во Вселенной никак не выделена по сравнению с любой другой точкой, поэтому температура реликтового излучения везде должна быть одинаковой». Весьма справедливый комментарий. Однако вспомните, что космологический принцип был упрощающим допущением, которое физики, включая Эйнштейна, ввели для математического анализа эволюции Вселенной. Так как реликтовое излучение действительно однородно в пространстве, его обнаружение является убедительным аргументом в пользу космологического принципа, что укрепляет нашу уверенность в полученных на его основе выводах. Однако удивительная однородность излучения проливает яркий свет и на сам космологический принцип. Каким бы разумным ни казался космологический принцип, что за механизм лежит за подтверждаемой наблюдениями однородностью Вселенной?
Быстрее скорости света
Всем нам знакомо неприятное ощущение, когда, подав кому-нибудь руку, мы обнаруживаем, что рука тёплая и влажная (что не так плохо) или холодная и липкая (определённо хуже). Однако если задержать руку на какое-то время, то окажется, что небольшая разница в температуре быстро исчезает. При контакте двух предметов тепло передаётся от горячего к холодному, и это продолжается до тех пор, пока их температуры не сравняются. Такое происходит повсеместно. Именно поэтому кофе, забытый на столе, в конце концов остывает до комнатной температуры.
Похожие рассуждения, по-видимому, объясняют однородность реликтового излучения. Точно так же как при рукопожатии и в случае забытого кофе однородность отражает, по-видимому, знакомое всем свойство окружающей среды выравнивать температуру. Единственное новшество состоит в том, что процесс выравнивания должен происходить на космических масштабах.
Однако в рамках теории Большого взрыва такое объяснение не проходит.
Для выравнивания температуры разных предметов существенным условием является взаимный контакт. Он может быть непосредственным, как при рукопожатии, либо по меньшей мере через обмен информацией, вследствие чего условия в разных местах становятся скоррелированными. Только посредством такого взаимного воздействия можно достичь общей среды. Термос, например, устроен так, чтобы избежать подобного взаимодействия и, препятствуя достижению однородности, сохранить разницу температур.
Это простое наблюдение указывает на трудности наивного объяснения однородности космической температуры. Рассмотрим две точки пространства, расположенные на очень большом расстоянии друг от друга: одна — справа от нас, так далеко в ночном небе, что первый испущенный ею луч света только что достиг нас, а вторая — столь же далеко, но слева от нас. Ясно, что они никогда не могли взаимодействовать друг с другом. И хотя мы можем видеть обе точки, расстояние, которое осталось преодолеть свету одной из них, чтобы достичь другую, огромно. Таким образом, воображаемым наблюдателям, находящимся в удалённых друг от друга правой и левой точках, только предстоит ещё увидеть друг друга, а поскольку скорость света является верхним пределом быстроты перемещения, то все взаимодействия для них ещё впереди. На языке предыдущей главы можно сказать, что каждый из них находится за пределами космического горизонта другого.
Вот мы и пришли к загадке. Вы бы сильно удивились, если бы узнали, что жители этих удалённых друг от друга мест говорят на одном языке, а их библиотеки заполнены одинаковыми книгами. Как может возникнуть общее наследие, если не было никакого контакта? Вы также должны удивиться, узнав, что без какого-либо явного контакта температура этих разделённых большим расстоянием областей одинакова с точностью, превышающей четыре знака после запятой.
Много лет назад, впервые столкнувшись с этой задачей, я действительно удивился. Однако, немного подумав, я уже удивился самой задаче. Как могли два предмета, когда-то находившиеся рядом друг с другом — а мы верим, что всё в наблюдаемой части Вселенной в момент Большого взрыва находилось рядом друг с другом, — отдалиться настолько быстро, что свету, испущенному одним из них, не хватит времени, чтобы достичь другого? Скорость света предельна для всего в космосе, поэтому как можно разнести предметы на такое расстояние, что даже свет не успевает его преодолеть?
Ответ на это вопрос выдвигает на передний план то, чему часто уделяют незаслуженно мало внимания. Предел скорости, устанавливаемый светом, относится исключительно к движению объектов сквозь пространство. Однако галактики удаляются друг от друга не потому, что они движутся в пространстве — у них нет реактивных двигателей, — а потому, что само пространство расширяется и галактики лишь увлекаются общим потоком.[9] Смысл в том, что теория относительности не накладывает никаких ограничений на скорость расширения пространства, и поэтому нет никаких ограничений на скорость разбегания галактик, увлекаемых общим расширением. Скорость разбегания галактик может быть выше любой скорости, включая скорость света.
Действительно, математический аппарат общей теории относительности показывает, что в самые ранние моменты Вселенной пространство может расширяться так быстро, что области будут удалятся друг от друга быстрее скорости света. В результате возможность оказывать друг на друга какое-либо влияние исчезает. Однако трудность теперь в том, чтобы объяснить, как практически одинаковые температуры возникли в независимых областях космоса: вопрос, который космологи назвали проблемой горизонта.
Расширяя горизонты
В 1979 году Алану Гуту (в ту пору сотруднику Стэнфордского линейного ускорителя) пришла идея, которая, подвергшись критическому осмыслению Андреем Линде (на тот момент сотрудником Физического института им. Лебедева в Москве), Полом Стейнхардом и Андреасом Альбрехтом (профессорско-студенческий дуэт из университета Пенсильвании), решает, по общему признанию, проблему горизонта. Это решение — инфляционная космология — основывается на тонких свойствах общей теории относительности Эйнштейна, которые я скоро объясню подробно, но основные черты можно сформулировать уже сейчас.
Проблема горизонта портит стандартную теорию Большого взрыва, потому что области пространства отдаляются слишком быстро для установления теплового равновесия. Инфляционная теория решает эту проблему, уменьшая скорость разделения областей пространства в начальные моменты времени и обеспечивая таким образом достаточно времени для выравнивания температуры. Затем из теории следует, что после завершения такого «космического рукопожатия» наступает непродолжительный период чрезвычайно быстрого и постоянно ускоряющегося расширения, названного инфляционным расширением, которое более чем достаточно компенсирует вялый старт и быстро разносит разные участки неба на огромные расстояния. Наблюдаемые нами однородные условия больше не являются загадкой, так как общая температура установилась до того, как разные области пространства были быстро разнесены.{16} В общих чертах, в этом и состоит суть идеи инфляционной теории.[10]
Однако следует иметь в виду, что не физики определяют, как расширяется Вселенная. Насколько мы можем судить из наиболее точных наблюдений, это делают уравнения общей теории относительности Эйнштейна. Таким образом, перспективность инфляционного сценария зависит от того, возникает ли предложенная модификация стандартной модели Большого взрыва из уравнений Эйнштейна. На первый взгляд это не так очевидно.
Например, я совершенно уверен, что будь у нас возможность встретиться с Ньютоном и объяснить ему в течение пяти минут основные положения общей теории относительности, не забыв про искривлённость пространства и расширяющуюся Вселенную, то он расценил бы наш последующий рассказ про инфляцию как абсурдный. Ньютон бы твёрдо настаивал, что независимо от вычурной математики и новомодного эйнштейновского языка, гравитация является силой притяжения. Стукнув кулаком по столу, он заявил бы, что гравитация притягивает предметы, снижая скорость любого космического разбегания. Расширение, которое начинается вяло, а затем резко ускоряется на каком-то коротком отрезке времени, могло бы решить проблему горизонта, но это фикция. Ньютон настаивал бы на том, что космическое расширение должно замедлиться со временем, подобно тому как гравитационное притяжение уменьшает скорость подброшенного вверх бейсбольного мяча. Конечно, если расширение полностью прекратится и начнётся космическое сжатие, то скорость схлопывания может постепенно возрастать, ровно так же как скорость мяча может расти по мере того, как он летит обратно вниз. Но скорость пространственного расширения не может увеличиваться.
