Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев
Наш неистребимый наблюдатель внутри раскаленной молодой Вселенной, оглядываясь по сторонам, обнаружил бы, что плотность огненного океана вокруг него постепенно падает: расстояние между бешено и беспорядочно носящимися частицами нарастает, их скорость понемногу уменьшается. Поток гамма-излучения, приходящего со всех сторон (поскольку все точки юной Вселенной первоначально являлись источниками такого излучения), постепенно ослабевает, а длина волны излучения медленно растет.
Но это должно было происходить позже. К тому, что должен увидеть наш несгораемый наблюдатель в молодой Вселенной, мы еще вернемся, а пока зададим важный вопрос: зачем физикам и космологам понадобилась стадия инфляционного раздувания Вселенной? Зачем Алан Гут придумал инфляцию и почему его идея произвела сильное впечатление на его коллег?
Дело в том, что гипотеза инфляции красиво решала проблемы теории Большого взрыва.
Во-первых, изящно разрешалась проблема горизонта. Надо заметить, что сама эта проблема (почему в противоположных направлениях от нас Вселенная выглядит одинаково даже на тех расстояниях от нас, которые не могли взаимодействовать между собой и обмениваться условиями своего развития?) появляется во Вселенной с замедляющимся расширением, описанным в моделях Фридмана. Стадия инфляции была специально придумана для того, чтобы обеспечить в самом начале развития Вселенной этап ускоряющегося расширения.
Это в корне меняло дело. Согласно модели Гута, в начале развития Вселенной вся материя находилась в одном месте, в микроскопическом пузырьке высокоэнергичного вакуума. Все микроскопические области внутри этого начального пузырька находились вблизи друг от друга и поэтому пребывали примерно в одном и том же состоянии. Нет ничего удивительного в том, что, когда инфляция разнесла эти области на чудовищные расстояния друг от друга, они, расширившись и превратившись в галактики, навсегда потеряв возможность обмениваться сигналами друг с другом, оказались очень похожими. Это сейчас они никак не связаны, а на стадии инфляции они находились совсем рядом в одинаковых условиях.
Аналогично решалась и вторая проблема. Вселенная кажется нам плоской (подчиняющейся геометрии Евклида), и мы (пока что) не можем понять, есть ли кривизна у пространства Вселенной, — при той точности, которая нам сегодня доступна. Почему же Вселенная оказалась объектом с очень малой (а возможно, и точно нулевой) кривизной пространства? Дело в том, что инфляция (если она была) оказалась невероятно мощным механизмом, буквально за мгновения раздувшим юную миниатюрную Вселенную до огромных размеров. Мы не замечаем кривизну пространства по той же причине, почему, ходя по Земле, не ощущаем ее шарообразности. Даже если пространство Вселенной слегка искривлено, мы этого просто не видим. Даже на самых больших расстояниях, которые доступны современным наблюдениям (они — эти расстояния — уже превышают 13 миллиардов световых лет), Вселенная кажется нам плоской. Траектории, по которым распространяется свет вдали от крупных масс (галактик и звезд), оказываются прямыми, и чувствительности наших методов не хватает, чтобы определить, отклоняются ли эти траектории от прямых.
Гипотеза инфляции говорит еще и о следующем. Мы видим в наши телескопы только крошечную часть Вселенной. Ведь свет распространяется не мгновенно. Если Большой взрыв произошел примерно 13,8 миллиарда лет тому назад, это значит, что самые далекие источники света, которые мы можем увидеть, должны находиться на расстоянии 13,8 миллиарда световых лет от нас.
Это было бы так, если бы Вселенная после Большого взрыва не расширялась. Но она продолжает расширяться. Свет, который испустила далекая галактика, на расстоянии 13 миллиардов лет от нас, только сейчас до нас дошел. Но за это время Вселенная продолжала расширяться. Мы уже упоминали, что эта галактика улетела от нас на невообразимое расстояние — 45 миллиардов световых лет! Шар радиусом 45 миллиардов световых лет — это та часть Вселенной, которая хоть как-то доступна нашим наблюдениям (мы уже обсуждали вопрос о том, что на расстоянии 45 миллиардов световых лет находятся галактики, свет от которых был испущен 13,8 миллиарда лет назад и только сейчас к нам пришел). Но этот шар — далеко не вся Вселенная. Согласно одному из вариантов теории, размер всей Вселенной может в 10274 раз превышать размер указанного шара[62]. Воистину, мозг человека уже давно оперирует сущностями, представить которые наглядно он не в состоянии.
Концепция инфляции, предшествовавшей Большому взрыву, вызвала огромный интерес у космологов. В первоначальном варианте теории, который предложил Алан Гут, были открытые вопросы, требовавшие решения[63]. Целый ряд нестыковок в еще сырой теории успешно разрешил в 1982 году сотрудник Физического института АН СССР Андрей Леонидович Линде.
Целая когорта исследователей, ученых высочайшего уровня подключилась к разработке новой идеи. В их числе перечисленные по алфавиту (не по важности вклада) Джим Бардин, Александр Виленкин, Дж. Ричард Готт, Сидней Коулман, Андрей Линде, Вячеслав Муханов, Андреас Олбрехт, Алексей Старобинский, Пол Стейнхардт, Майкл Тернер, Стивен Хокинг, Геннадий Чибисов и многие другие[64]. За первые 40 лет, прошедшие с момента своего создания, концепция заметно укрепилась, вошла в справочники и учебники как базовая гипотеза, описывающая события, подготовившие Большой взрыв либо последовавшие сразу после Большого взрыва.
Что позволяет воспринимать всерьез гипотезу начального инфляционного раздувания Вселенной?
Во-первых, как указано выше, она снимает и легко объясняет трудности классической теории Большого взрыва. Во-вторых, ее предсказания с высокой точностью подтверждаются наблюдениями: свойства флуктуаций реликтового излучения оказались именно такими, какие прогнозирует инфляционный сценарий, — если считать, что первые флуктуации возникли еще на самой начальной стадии, когда элемент высокоэнергичного вакуума начал свое стремительное расширение. Высокая степень совпадения расчетных данных с наблюдениями позволяет предполагать, что гипотеза инфляции как минимум имеет право на существование.
Надо заметить, что, несмотря на это, по сути, идея инфляции остается гипотезой, которой придерживаются не все специалисты в области космологии. Имеются альтернативные концепции, которые так же, как и идея инфляции, не противоречат законам физики и, следовательно, в принципе могут претендовать на существование. Какая из этих идей верна, мы пока не знаем. Вполне возможно, что в списке существующих гипотез пока нет правильной, но не исключено, что одна из них (например, та же инфляционная гипотеза) окажется той самой, которую мы ищем.
Тем не менее примерно через двадцать лет после появления идеи инфляции астрофизики сделали еще одно фундаментальное открытие, которое существенно изменило наши представления о Вселенной.
Речь идет о темной энергии.
12. Вселенная разгоняющаяся
…Мир становится пустой.
Мир наполнен пустотой.
Испаряется картина,
Словно иней
