На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё - Гефтер Аманда
Стандартная модель началась с Большого взрыва. С Эдвина Хаббла, наблюдавшего на горе Уилсон за галактиками, разбегающимися в бесконечных просторах пространства и времени. С Эйнштейна, с ужасом осознавшего свою величайшую ошибку: находясь в плену своих философских предрассудков, он упустил возможность сделать из своих уравнений самый неординарный вывод: что Вселенная расширяется и что пространство-время растягивается, растет вокруг нас.
Физикам не понадобилось много времени, чтобы мысленно прокрутить фильм назад во времени, пронаблюдать, как галактики устремляются навстречу друг другу, Вселенная становится все меньше и меньше, плотнее, жарче, сжимаясь в одну точку.
Если Вселенная зародилась в огне, то от него должен был остаться дым. Космос должно наполнять излучение рождающейся Вселенной, за четырнадцать миллиардов лет расширения растянутое в микроволновое фоновое излучение с температурой межзвездного пространства чуть-чуть выше абсолютного нуля. Арно Пензиас и Роберт Вильсон, два радиоастронома, работавших в Лаборатории имени Белла в 1965 году, случайно обнаружили излучение во время поиска источника постоянного статического шума их антенны. Сначала они думали, что виной всему был голубиный помет. Оказалось, что это было реликтовое излучение, и они стали лауреатами Нобелевской премии.
Но что-то в истории о реликтовом излучении не складывалось. Оно обладало одной и той же температурой, независимо от направления наблюдения на небе. Выбираем мы участок неба на расстоянии двенадцати миллиардов световых лет от нас в одном направлении, измеряем температуру микроволнового фона, и она оказывается равной 2,7 кельвинам. Выбираем другой участок неба на расстоянии двенадцати миллиардов световых лет от нас в противоположном направлении – и снова 2,7 кельвина. Разделенные расстоянием в двадцать четыре миллиарда световых лет, эти две области не могли узнать друг о друге всего за четырнадцать миллиардов лет истории Вселенной. Но они обладали одной и той же температурой, измеренной с точностью невероятной, чтобы это было просто совпадением. Чего-то в этой картине недоставало.
Решение проблемы пришло к Алану Гуту, тогда еще никому неизвестному постдоку[14] из Стэнфордского университета, поздней декабрьской ночью 1979 года как внезапное озарение. Он размышлял о монополях. В то время физики считали, что при чрезвычайно высоких температурах в первые мгновения после Большого взрыва все взаимодействия частиц объединены в единую суперсилу, которая затем разделяется на свои составляющие по мере того, как Вселенная расширяется и охлаждается. У этой идеи был один существенный недостаток. Когда температура снижается, суперсила – это не единственное, что подлежит расщеплению на составляющие: пространство-время само должно будет претерпевать топологические повреждения. Подобно воде, превращающейся в кристаллы льда, фрагменты пространства-времени при замерзании превращаются в экзотические частицы – согласно предсказанию теории, у них должен быть только один магнитный полюс, и поэтому они получили название монополей, однако их существование не было экспериментально подтверждено и оставалось гипотетическим. Неудача в поисках монополей представляла собой серьезную проблему для теории, которая предсказывала, что во Вселенной монополи более многочисленны, чем атомы.
Посидев над задачей, Гут понял, каким мог быть Большой взрыв, чтобы в пространстве-времени не было монополей. Решение пришло внезапно, и он записал в своем блокноте: «Захватывающий сценарий!»
Идея Гута заключалась в том, что, если в первые доли секунды расширения Вселенной некоторые ее части удаляются со скоростью больше скорости света, то любые монополи, возникнув в результате Большого взрыва, очень быстро окажутся за пределами области, доступной для каких-либо реальных наблюдений. Такое быстрое раздувание, называемое инфляцией, объясняет, почему никто никогда не наблюдал монополи в природе. И, в качестве бонуса, это также объясняло, почему значение температуры реликтового излучения распределено в пространстве настолько равномерно.
Почему области пространства, расположенные настолько далеко друг от друга, что даже свету не хватило бы всего времени существования Вселенной, чтобы из одной попасть в другую, имеют одну и ту же температуру, объяснить не просто. Ведь у них не было времени прийти в состояние термодинамического равновесия. Теория инфляции находит это дополнительное время за счет того, что некоторые области удаляются друг от друга со скоростью большей скорости света. Само по себе сверхсветовое расширение кажется находящимся в вопиющем противоречии с теорией относительности, но здесь имеется своеобразная космическая лазейка: хотя ничто в пространстве-времени не может двигаться быстрее, чем свет, нет закона, запрещающего самому пространству-времени расширяться со сверхсветовой скоростью. У фотонов не было нужного времени, чтобы обеспечить термодинамическое равновесие между удаленными областями, но если сами эти области удаляются друг от друга со сверхсветовыми скоростями, у фотонов появляется дополнительный запас времени, позволяющий им добраться до самых далеких уголков космоса гораздо быстрее, чем они могли бы, двигаясь сами по себе.
Конечно, чтобы теория заработала, необходим какой-то физический механизм, который заставит Вселенную раздуваться, словно рыба фугу. И Гут его придумал. Он предположил, что новорожденная Вселенная была заполнена полем гипотетических частиц – инфлатонов, представляющим собой ложный вакуум, то есть состояние неустойчивого равновесия с энергией, превышающей энергию основного состояния. Его можно сравнить с мячиком, катящимся с горы вниз и на мгновение задержавшимся на случайном выступе на полпути. Легкого толчка достаточно, чтобы столкнуть его дальше вниз, к основному состоянию, которое мы в этом случае называем землей. В случае с инфлатонами толчок к более низкому энергетического состоянию обеспечивают квантовые флуктуации. В этот момент в пространстве-времени действует отрицательное давление, своего рода антигравитационная сила, которая заставляет Вселенную экспоненциально расширяться, увеличиваясь в миллион триллионов триллионов раз в течение всего долей секунды. Как выразился Гут, инфляция объясняет, что начинает взрываться.
Когда Вселенная перейдет в истинный вакуум, вся кинетическая энергия инфлатонного поля высвободится, разогрев зарождающуюся Вселенную до тысячи триллионов триллионов градусов и заполнив ее излучением. То, что когда-то было крошечной квантовой флуктуацией плотности материи и энергии размером порядка 10—33 сантиметра, теперь растянулось до астрономических размеров, покрытое тонкой рябью и рассеченное глубокими долинами на всем протяжении пространства, определяя гравитационный ландшафт, которому в конечном счете предстоит стать сетью звезд и галактик.
Горячая Вселенная продолжает расширяться за счет инерции инфляции. Первые 380 000 лет горячая плазма настолько плотно заполняет пространство, что даже свет не может распространяться через него. Любой фотон, который пытается выкарабкаться оттуда, быстро поглощается протонами или электронами. Но по мере расширения Вселенной ее температура снижается, и частицы замедляются в достаточной степени, чтобы образовывать связанные состояния. По мере того как материя самоорганизуется в ядра, а затем и в атомы, фотоны, высвобожденные из непрозрачной плазмы, устремляются путешествовать по Вселенной самостоятельно. Эти высвобожденные фотоны первого поколения как раз и составляют микроволновой фон, отпечаток Вселенной от времени.
В то время как фотоны беспрепятственно распространяются в пространстве, частицы собираются в областях с повышенной плотностью, высеченных квантовыми флуктуациями, положив начало цепной реакции гравитационного коллапса. Материя громоздится и уплотняется, ее температура неуклонно растет, пока, примерно через двести миллионов лет, не запустится ядерный синтез. В этот момент пейзаж резко изменяется: звезды начинают сиять во тьме, рассеянные по всему небу. Цепная реакция продолжается – звезды сливаются в галактики, галактики в кластеры, кластеры в сверхскопления.
