Инфляция и Мультиленная

Алан Гут, чей сценарий инфляционной Вселенной может помочь в объяснении, почему наша наблюдаемая Вселенная так близка к однородному и плоскому состоянию

Прохладным декабрьским утром 1979 года в Пало Альто Алан Гут что есть силы крутил педали велосипеда, спеша в свой офис в группе теоретической физики в SLAC, Стэнфордском центре линейных ускорителей Добравшись до рабочего стола, он открыл блокнот на новой странице и написал:

ПОТРЯСАЮЩАЯ ДОГАДКА: подобный тип переохлаждения может объяснить, почему Вселенная сегодня такая невероятно плоская, — и, следовательно, разрешить парадокс тонкой подстройки, который Боб Дике описал в своих лекциях на дне Эйнштейна.

Он аккуратно обвел эти слова прямоугольной рамкой. Затем еще одной Будучи ученым, вы живете ради того дня, когда вам удастся добиться результата — это может быть теоретическая догадка или экспериментальное открытие — настолько изумительного, что он заслуживает быть обведенным рамкой. В редких случаях результат достоин двойной рамки — обычно он в корне меняет жизнь человека, а заодно и направление хода научной мысли. Как пишет сам Гут, других результатов, которые следовало бы обвести двойной рамкой, в его блокнотах нет. А тот блокнот, которым он пользовался во времена работы в SLAC, теперь входит в экспозицию планетария Адлера в Чикаго, раскрытый на странице с процитированной выше записью.

Гут напал на след сценария, сегодня известного под названием «инфляция». Суть идеи в том, что ранняя Вселенная была заполнена временной формой темной энергии с ультравысокой плотностью, что заставляло пространство ускоряться в невероятном темпе (упомянутое выше «переохлаждение»). Это простое предположение способно дать объяснение практически всему, что касается условий, наблюдаемых в нашей ранней Вселенной, — от геометрии пространства до распределения возмущений плотности в космическом микроволновом излучении. И хотя мы пока не располагаем окончательными доказательствами того, что инфляция на самом деле происходила, эта идея, возможно, оказалась самой влиятельной в космологии за последние несколько десятилетий.

Из этого, конечно же, не следует ее истинность Если в ранней Вселенной в течение какого-то периода времени доминировала темная энергия с высокой плотностью, то можно понять, почему Вселенная эволюционировала именно в то состояние, в котором она, очевидно, находилась в ранние годы. Однако мы подвергаем себя опасности упустить из виду важный вопрос: почему Вселенная вообще находилась под властью темной энергии? Инфляция сама по себе не дает никакого ответа на загадку, почему энтропия в ранней Вселенной была низкой, за исключением предположения, что при зарождении Вселенной энтропия была еще ниже (что вполне может оказаться небольшим жульничеством). Тем не менее инфляция — это невероятно привлекательная идея, хорошо согласующаяся с наблюдаемыми свойствами нашей ранней Вселенной. И благодаря ей мы пришли к определенным удивительным выводам, которые не предвидел даже сам Гут, когда впервые предложил этот сценарий, — включая, как мы скоро узнаем, способ придать реалистичность идее Мультиленной. По мнению большинства работающих в настоящее время космологов, та или иная версия инфляционной теории, скорее всего, окажется в итоге правильной. Единственный вопрос — почему инфляция вообще происходила?

Кривизна пространства

Представьте себе, что вы взяли карандаш и пытаетесь поставить его на кончик грифеля. Очевидно, что он сразу же начнет падать. Но если бы в вашем распоряжении была чрезвычайно устойчивая поверхность, а вы были бы настоящим мастером балансировки, то вы бы могли установить эту конструкцию так, чтобы карандаш оставался в вертикальном положении очень долгое время. Скажем, более 14 миллиардов лет. Этот пример хорошо иллюстрирует нашу Вселенную, а карандаш представляет такую ее характеристику, как кривизна пространства. В действительности это не самое запутанное понятие, но космологи зачастую искусственно усложняют его, говоря то о «кривизне пространства—времени», то о «кривизне пространства». Это разные вещи, и нам приходится каждый раз из контекста догадываться, что именно имелось в виду. Так же как пространство — время может обладать кривизной, кривизна может быть и у пространства самого по себе, и вопрос о том, искривлено ли пространство, абсолютно не связан с вопросом искривленности пространства — времени.

Одна из проблем, которые потенциально могут всплыть при обсуждении кривизны пространства самого по себе, заключается в том, что общая теория относительности предоставляет нам возможность нарезать пространство — время на трехмерные копии эволюционирующего во времени пространства множеством разных способов; определение «пространства» не уникально. К счастью, в нашей наблюдаемой Вселенной существует естественный вариант подобной нарезки: мы определяем «время» так, чтобы плотность материи оставалась приблизительно одинаковой в пространстве на больших масштабах, но уменьшалась по мере расширения Вселенной. Другими словами, распределение материи определяет естественную покоящуюся систему координат во Вселенной. Это ни в коем случае не нарушает принципы относительности, так как отражает свойства одной конкретной конфигурации материи, а не базовые законы физики.

В целом пространство может совершенно произвольным способом искривляться в разных точках, и для того чтобы справиться с математикой, описывающей искривление, была разработана особая дисциплина, носящая название дифференциальной геометрии. Но космологам повезло: пространство при рассмотрении очень больших расстояний является однородным и выглядит одинаково во всех направлениях. В такой ситуации достаточно указать одно значение — «пространственную кривизну», чтобы узнать все необходимое о геометрии трехмерного пространства. Кривизна пространства может выражаться положительным числом, отрицательным числом или быть равной нулю. Если кривизна равна нулю, то мы, естественно, говорим, что пространство «плоское» и обладает всеми геометрическими характеристиками в привычном для нас понимании. Эти характеристики впервые были сформулированы Эвклидом и включают такие свойства, как «параллельные линии никогда не пересекаются» и «сумма углов треугольника равна в точности 180 градусам». Если кривизна положительна, то пространство напоминает поверхность сферы, — за исключением того, что оно трехмерно. Линии, параллельные на каком-то участке, в конечном счете пересекутся, а сумма углов треугольника превышает 180 градусов. Если же кривизна отрицательная, то пространство похоже на седло или картофельные чипсы. Линии, параллельные на каком-то участке, расходятся в стороны, а сумма углов треугольника — ну, вы, вероятно, уже догадались.



Варианты пространств с постоянной кривизной. Сверху вниз: положительная кривизна как на сфере; отрицательная кривизна как на седле; нулевая кривизна как на плоской поверхности.

Согласно правилам общей теории относительности, если при рождении Вселенная была плоской, то она остается плоской. Если она появилась в искривленном состоянии, то кривизна постепенно, по мере расширения Вселенной, уменьшается. Однако, как мы уже знаем, плотность материи и излучения также уменьшается. (Пока позабудьте даже о том, что вы когда-либо слышали такой термин, как темная энергия, потому что она все ставит с ног на голову). Написав уравнения, можно убедится, что плотность материи или излучения уменьшается быстрее, чем вклад кривизны пространства. По сравнению с материей и излучением, кривизна по мере расширения Вселенной оказывает всё большее влияние на эволюцию Вселенной.

Следовательно, если в ранней Вселенной присутствовал хоть сколько-нибудь заметный вклад кривизны, сегодня искривлённость Вселенной должна быть очевидной. Плоская Вселенная подобна карандашу, поставленному на кончик грифеля: малейшее отклонение влево или вправо моментально приведет к падению карандаша. Схожим образом, любое мельчайшее отклонение от идеальной плоскости в раннее годы должно с годами становится все более заметным. Но наблюдения показывают, что Вселенная выглядит очень плоской. Насколько можно судит, никакой поддающейся измерению кривизны в современной Вселенной не наблюдается.

Такое состояние дел известно под названием проблемы плоскостности. Раз Вселенная настолько плоская сегодня, она должна была быть невероятно плоской и в прошлом. Но почему?

Проблема плоскостности имеет определенное сходство с проблемой энтропии, которую мы разбирали в предыдущей главе. В обоих случаях загвоздка не в ужасающем несоответствии между теорией и наблюдением — нам достаточно постулировать, что ранняя Вселенная пребывала в какой-то определенной форме, и тогда головоломка прекрасно складывается. Проблема в том, что «определенная форма» создает впечатление формы неестественной и принудительно тонко подстроенной, причем без всяких очевидных на то причин.

Конечно, мы могли бы сказать, что и энтропия и пространственная кривизна ранней Вселенной были малы, и на этом закончить историю безо всяких дополнительных объяснений. Но эти очевидно неестественные свойства Вселенной могут быть ключом к чему-то важному, поэтому надлежит относиться к ним со всей серьезностью.

Магнитные монополи

Когда Алан Гут наткнулся на идею инфляции, он не пытался решить проблему плоскостности. Его интересовала совершенно другая загадка, известная под названием проблемы магнитных монополей. Гут, если уж на то пошло, космологией вообще особенно не интересовался. 1979 год был для него девятым годом постдоктората — фазы научной карьеры между аспирантурой и вхождением в преподавательский состав высшего учебного заведения, когда ученый может сконцентрироваться на исследованиях, не беспокоясь о преподавании и прочих академических обязанностях. (И без каких-либо гарантий обеспечения работой; большинство постдоков так никогда и не получают место на факультете и в конце концов уходят с научной арены.) Девять лет — это больше, чем талантливому постдоку, как правило, требуется, чтобы получить где-то должность доцента, но и история публикаций Гута на том этапе его карьеры не отражала дарования, которое в нем видели другие. Какое-то время он трудился над впавшей в общественную немилость теорией кварков, а затем переключился на попытки понять невнятное предсказание недавно ставших популярными теорий великого объединения — о существовании магнитных монополей.

Теории великого объединения (Grand Uniхed Theories, GUT) представляют собой попытку унифицированного объяснения всех сил природы, за исключением гравитации. Они завоевали большую популярность в 1970-х годах как благодаря присущей им простоте, так и за счет весьма интригующего предсказания, согласно которому протон, непоколебимая элементарная частица, которая(совместно с электроном и нейтроном) формирует основу для всей окружающей нас материи, в конце концов распадается на более легкие частицы.

Для поиска доказательств протонного радиоактивного распада были псотроены гигантские лаборатории, но пока никаких свидетельств этого явления обнаружено не было. Это не означает, что теории великого объединения неверны; они всё ещё довольно популярны, но неудача с обнаружением протонного распада заставила физиков погрузится в сомнения относительно того, каким же образом эти теории могут быть проверены.

Также теории великого объединения предсказывали существование нового типа частиц - магнитного монополя. Обычные заряженные частицы - это электрические монополи, т.е. они несут либо положительный заряд, либо отрицательный, и на этом история заканчивается. Никому ещё не удалось обнаружить изолированный "магнитный заряд" в природе. Магниты, как мы их знаем, всегда остаются диполями: у них есть северный и южный полюсы. Разрежьте магнит пополам между полюсами, и в месте разреза появятся два новых полюса. Насколько можно судить по результатам экспериментов, поиск изолированного магнитного полюса - монополя - это практически то же самое, что поиск фрагмента струны с одним концом.

Однако, согласно теориям великого объединения, монополи должны быть реальными. В конце 1970-х годов люди осознали, что можно просто сесть и подсчитать число монополей, которые должны быть рождены в результате Большого взрыва. И ответ оказался таков: их слишком много. Общая масса монополей, согласно этим расчетам, должна оказаться намного выше общей массы протонов, нейтронов и электронов. Магнитные монополи должны постоянно пролетать сквозь ваше тело.

Конечно же, из этой затруднительной ситуации можно выпутаться довольно простым способом, заявив, что теории великого объединения ошибочны. И это может быть верным ответом. Но Гут, размышляя над данной проблемой, наткнулся на куда более интересную идею: инфляцию.

Инфляция

Темная энергия - источник плотности энергии, остающейся практически (или точно) постоянной на всем протяжении пространства и времени, не разреживаясь по мере расширения Вселенной, - заставляет Вселенную ускоряться, постоянно подталкивая расширение. Мы пологаем, что большая часть энергии во Вселенной — от 70 до 75 % общей энергии — в настоящее время пребывает в форме темной энергии. Но в прошлом, когда плотность материи и излучения была выше, темная энергия, обладавшая, судя по всему, примерно такой же плотностью, как и сегодня, играла относительно незначительную роль.



Инфляция начинается в крохотном участке пространства и быстро расширяет его до громадных размеров. На этом рисунке масштаб абсолютно не соблюден; инфляция происходит за ничтожно малую долю секунды и растягивает пространство более чем в 10^26 раз.

Теперь вообразите, что в какой-то другой период жизни очень ранней Вселенной существовала темная энергия с еще большей плотностью энергии. Назовем эту необычайно плотную темную энергию «темной суперэнергией». Она доминировала во Вселенной и заставляла пространство ускоряться в колоссальном темпе. Затем — по причинам, которые будут названы позже, — эта темная суперэнергия внезапно распалась на материю и излучение, а те в свою очередь сформировали горячую плазму, из которой, по нашим представлениям, состояла ранняя Вселенная. Распад оказался почти полным, но все же относительно небольшая плотность темной энергии сохранилась, и в последнее время этот остаток начал существенно влиять на динамику Вселенной.

Таков сценарий инфляции. По сути, инфляция начинается в крохотной области пространства и раздувает ее до невероятных размеров. Возможно, вы задаетесь вопросом, почему это так важно: что такого необычного во временной фазе темной суперэнергии, если она просто-напросто распадается на материю и излучение? Популярность инфляционной идеи объясняется тем, что она аналогична исповеди — полностью стирает все прошлые грехи.

Вернемся к проблеме монополей. Если теории великого объединения верны, то монополи возникают в огромном количестве в самый ранний период жизни Вселенной. Итак, представим себе, что инфляция происходит довольно рано, но все же после возникновения монополей. В этом случае, если инфляция продолжается достаточно долго, пространство увеличивается до такого невероятного размера, что концентрация монополей уменьшается практически до нуля. При условии, что распад темной суперэнергии на материю и излучение не порождает дополнительных монополей (а этого не произойдет, если процесс не слишком энергетически эффективный), вуаля! — никакой проблемы монополей не остается.

То же самое и с кривизной пространства. По сути, проблема состояла в том, что кривизна падает намного медленнее, чем разреживаются материя и излучение, поэтому если хоть какая-то кривизна существовала в ранний период, она была бы хорошо заметна сегодня. Но темная энергия разреживается еще медленнее, чем кривизна, — на самом деле ее плотность вообще почти не уменьшается. Так что опять мы заключаем, что если инфляция займет достаточно много времени, то кривизна успеет уменьшиться почти до нуля, прежде чем материя и излучение будут заново созданы в процессе распада темной суперэнергии. Никакой больше проблемы плоскостности. Вы понимаете, почему инфляционная идея так взволновала Гута. Он размышлял о проблеме монополей, но с другой точки зрения — пытаясь не решить ее, а использовать в качестве аргумента против теорий великого объединения.

В своей исходной работе, посвященной данной проблеме и написанной в соавторстве с физиком из Корнелльского университета Генри Таем, он вообще проигнорировал возможную роль темной энергии и заключил, что решить проблему монополей чрезвычайно сложно. Однако стоило Гуту как следует задуматься о возможных эффектах раннего периода доминирования темной энергии, как решение проблемы монополей упало к нему в руки в готовом виде, — одно это заслуживает рамочки, по крайней мере одинарной.

Необходимость добавить вторую рамочку стала очевидной, когда Гут понял, что данная идея также способна решить проблему плоскостности, о которой он до этого даже не думал. Совершенно случайно чуть раньше Гут посетил лекцию физика из Принстонского университета Роберта Дике, одного из первых ученых, занявшихся исследованием космического микроволнового фонового излучения. В своей лекции, прочитанной в Корнелльском университете в рамках мероприятия под названием «день Эйнштейна», Дике упомянул о нескольких невыясненных вопросах традиционной космологической модели. Одним из них была проблема плоскостности, которая врезалась в память Гуту, несмотря на то что его исследования в то время не были особо связаны с космологией.

В результате, осознав, что инфляция решает не только проблему монополей, но и проблему плоскостности, Гут ясно увидел перспективы поистине великого открытия. И действительно, благодаря этому открытию Гут, можно сказать, проснулся знаменитым, превратившись из едва сводящего концы с концами постдока в самого желанного кандидата на рынке профессорских вакансий. В итоге он решил вернуться в MIT, где заканчивал аспирантуру, и по сей день он преподает в этом учебном заведении.

Отрывок из книги Ш. Кэрролла "Вечность. В поисках окончательной теории времени"