Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев
Во Вселенной действуют по крайней мере четыре типа физического взаимодействия. Два дальнодействующих типа, которым соответствуют известные нам поля, — это гравитационное и электромагнитное взаимодействия. На чрезвычайно коротких расстояниях, сопоставимых с размером ядра атома (порядка 10–15 см), действуют еще два типа взаимодействия — сильное и слабое. Достаточно немного увеличить расстояние — и эти силы исчезают. Но внутри ядра атома они успешно работают: так, например, сильное взаимодействие «склеивает» между собой протоны и нейтроны в ядре атома (преодолевая электрическое отталкивание протонов), а слабое взаимодействие определяет некоторые свойства маломассивных частиц нейтрино и обеспечивает радиоактивный распад ядер.
Идея Гута заключалась (помимо прочего) в том, что в природе могут существовать типы вакуума, не похожие на привычный нам. Электрослабый вакуум — это среда, в которой электромагнитное и слабое взаимодействия оказываются проявлением некой единой силы и становятся равны друг другу. В таком вакууме электроны и нейтрино радикально меняют свои свойства — они лишаются массы и движутся со скоростью света. Теория подсказывает, что каждый кубический сантиметр электрослабого вакуума должен содержать в себе чудовищную энергию, примерно эквивалентную энергии тела с массой Луны (1019 тонн). Если же смоделировать вакуум, в котором все типы взаимодействия оказываются неотличимы друг от друга (вакуум Великого объединения), то в нем плотность энергии должна быть еще на много порядков выше (в 1048 больше).
Анализ показал, что в таком высокоэнергичном вакууме, помимо гравитации, непременно возникает натяжение — отрицательное давление, причем втрое более сильное, чем гравитация. Поскольку натяжение сильнее гравитации, появляется превалирующая сила отталкивания, пропорциональная расстоянию между элементами вакуума. Это значит, что крошечный (но изначально очень плотный) фрагмент вакуумной материи сразу после своего рождения должен начать стремительно расширяться, и все точки этого элемента должны удаляться друг от друга по так называемому экспоненциальному закону. Согласно этому закону, за равные промежутки времени (в данном случае — каждые 10−38 секунды) размеры растущего шара Вселенной увеличиваются вдвое, и за фантастически малый интервал времени (всего лишь 10−35 секунды) размеры элемента должны увеличиться невероятно (в 1027 раз!). Однако не надо забывать, что изначальный размер Вселенной в рамках этой модели был почти точечным — всего 10−27 см, и значит, размер всей Вселенной не превысил к концу этапа начального расширения одного сантиметра!
В те времена, когда Гут разрабатывал свою концепцию, инфляция в США достигала впечатляющих 14 %, и денежная масса в Америке нарастала по тому же самому экспоненциальному закону, по которому в рамках новой модели рос размер Вселенной. Поэтому Гут предложил название инфляция для начального этапа расширения Вселенной, а особое поле, обеспечивавшее энергией этот процесс, было названо инфлатоном.
На фазе инфляции, продолжавшейся микроскопические доли секунды, расширение (иногда для описания этого процесса применяется термин раздувание) происходило со скоростью, существенно превышавшей скорость света. На первый взгляд, это противоречит всей современной физике, основанной на теории относительности. На самом деле нарушение кажущееся. Теория относительности действительно запрещает движение тел, волн, сигналов со скоростью, превышающей скорость света. Но на стадии инфляции Вселенной с гигантской, постоянно увеличивающейся скоростью расширялось само пространство, наполненное высокоэнергичным вакуумом. Можно сказать, что со сверхсветовой скоростью перемещались внешние границы раздувающейся Вселенной, но такие границы — это не материальный объект, не частица, не волна, распространяющаяся по какому-то полю, и не сигнал, передаваемый от одной точки пространства к другой. Это воображаемый объект — граница расширяющейся области единого пространства-времени растущей Вселенной при наблюдении изнутри[61].
Мы помним, что теория относительности установила связь между пространством-временем и его содержимым: масса (энергия), содержащаяся в пространстве-времени, искривляет его. Стремительное раздувание высокоэнергичного вакуума растягивало, распрямляло скрученное, замкнутое в начальном фрагменте вакуума его собственное пространство-время, разворачивая сцену, на которой должно было происходить дальнейшее действие.
Но выше не случайно сказано, что стадия инфляции продолжалась совсем недолго. Исходя из наших знаний физики, высокоэнергичный вакуум должен быть нестабильным: он неизбежно распадается. Вакуум должен перейти в низкоэнергичное состояние (на этот раз это будет уже привычный для нас «истинный» вакуум, сегодня наполняющий всю Вселенную). Избыток энергии, в рамках этой гипотезы, должен был воплотиться в частицы темной материи и барионное вещество, а также в электромагнитное излучение при огромной температуре.
Стадия инфляции завершилась возникновением барионного вещества и электромагнитного излучения.
Высокоэнергичный вакуум превратился в другие формы материи в соответствии с главной формулой физики
. Весь стремительно расширяющийся объем юной Вселенной, в рамках модели Гута, обратился в огненный шар, состоящий из элементарных частиц, хаотично движущихся с околосветовыми скоростями, и фотонов — энергичных частиц света с очень короткой длиной волны (гамма-излучение). Фотонов, согласно расчетам, должно было получиться существенно больше, чем материальных частиц: на каждую частицу — миллиард фотонов.Когда в научно-популярных фильмах иногда показывают Большой взрыв в виде взрыва (во все стороны разлетается огненная материя) — это неверный образ. Снаружи Большой взрыв, судя по всему, не виден. Согласно модели Гута, он произошел внутри отдельного замкнутого фрагмента пространства-времени, заполненного высокоэнергичным вакуумом. Снаружи этот фрагмент выглядит, скорее всего, как отдельная элементарная частица, крошечный шарик, который сложно отличить от других элементарных частиц. Для воображаемого же бессмертного наблюдателя, находящегося внутри этого фрагмента, все окружающее его пространство должно превратиться в бескрайний океан гамма-излучения и микроскопических элементарных частиц. Температура этой среды должна быть чудовищной — порядка многих миллиардов градусов, и это значит, что скорость движения частиц была близкой к скорости света.
Именно этот момент рождения вещества и излучения из энергии распадающегося высокоэнергичного вакуума, по-видимому, и следует называть Большим взрывом. Во вспышке Большого взрыва родилась наша Вселенная в экстремальном (раскаленном) состоянии, но это уже были привычные для нас физические реалии: известные нам элементарные частицы и поля.
Расширение продолжалось, но уже без ускорения: поскольку энергия вакуума воплотилась в массу элементарных частиц, наполнивших Вселенную во всем ее объеме, антигравитация исчезнувшего высокоэнергичного вакуума тоже должна была исчезнуть. Зато гравитация родившихся элементарных частиц включилась в процесс торможения расширения. Тем не менее громадная кинетическая энергия расширения пространства, достигнутая Вселенной на стадии инфляции, никуда не делась — расширение, хотя и меньшими темпами, продолжалось по инерции. Пространство Вселенной продолжало растягиваться, при этом не только на
