8 О снежинках и пространстве-времени

СИММЕТРИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ КОСМОСА

Ричард Фейнман однажды сказал, что если ему надо было бы суммировать самое важное открытие современной науки в одном высказывании, он выбрал бы "Мир состоит из атомов". Когда мы осознаем, что так много в нашем понимании вселенной зависит от свойств и взаимодействий атомов, – от причин, по которым звезды светят, а небо голубое, до объяснения, почему вы чувствуете эту книгу в своих руках и видите эти слова своими глазами, – мы можем правильно оценить выбор Фейнмана для выделения квинтэссенции нашего научного наследия. Многие из сегодняшних ведущих ученых согласны, что если было бы предложено второе высказывание, они выбрали бы "Симметрия лежит в основе законов вселенной". На протяжении последних нескольких сотен лет в науке было много переворотов, но самые устойчивые открытия имеют общую характеристику: они определяют свойства естественного мира, которые остаются неизменными, даже когда он подвергается широкому ряду преобразований. Эти неизменяемые атрибуты отражают то, что физики называют симметриями, и они играют все более важную роль во многих крупных достижениях. Это обеспечивает достаточную очевидность, что симметрия – во всех ее таинственных и тонких проявлениях – проливает мощный свет на темноту, где истина ожидает открытия.

Фактически, мы увидим, что история вселенной является в значительной степени историей симметрии. Самые стержневые моменты в эволюции вселенной были те, в которых равновесие и порядок внезапно изменялись, создавая космические арены, качественно отличные от арен предшествующих эпох. Современная теория придерживается точки зрения, что вселенная прошла через несколько таких переходов на протяжении ее самых ранних моментов и что все, с чем мы когда-либо сталкиваемся, является материальным следом более ранней, более симметричной космической эпохи. Но имеется даже еще более великий смысл, метасмысл, в котором симметрия лежит в сердцевине эволюционирующего космоса. Само время тесно сплетено с симметрией. Как станет ясно, практический скрытый смысл времени как меры изменения, точно так же как само существование разновидности космического времени, которое позволяет нам осмысленно говорить о вещах вроде "возраста и эволюции вселенной как целого", чувствительно зависит от аспектов симметрии. И когда ученые исследуют эволюцию, бросая взгляд назад к истокам в поиске правильной природы пространства и времени, симметрия оказывается самым устойчивым правилом, обеспечивающим проникновение в суть и ответы, которые другим способом могли бы быть и вовсе не достигнуты.

Симметрия и законы физики

Симметрия имеется в изобилии. Возьмите в вашу руку биллиардный шар и закрутите его тем или иным образом – приведите его во вращение вокруг любой оси, – и он будет выглядеть в точности тем же. Поместите плоскую круглую обеденную тарелку на подставку и закрутите ее относительно ее центра: она выглядит полностью неизменившейся. Осторожно поймайте недавно сформированную снежинку и поверните ее так, что каждый кончик переместится в положение, которое ранее занимал его сосед, и вы с трудом отметите, что вы вообще что-либо сделали. Возьмите букву "А", поверните ее относительно вертикальной оси, проходящей через ее вершину, и вы получите совершенный образ оригинала.

Как проясняют эти примеры, симметрии объекта являются манипуляциями над ним, настоящими или воображаемыми, при которых его внешний вид может не подвергаться изменениям. Чем больше видов передвижений может перенести объект без заметного эффекта для своего облика, тем более симметричным он является. Идеальная сфера имеет высшую симметрию, поскольку любое вращение вокруг ее центра, – используя вертикальную ось, горизонтальную ось или, фактически, любую ось, – оставляет ее выглядящей в точности так же, как и раньше. Куб менее симметричен, поскольку только вращения на углы по 90 градусов относительно осей, которые проходят через центр его граней (или комбинации таких вращений), оставляют его выглядящим неизменным. Конечно, если кто-то осуществит любое другое вращение, такое как на Рис. 8.1с, вы, очевидно, все еще сможете распознать куб, но вы также сможете ясно увидеть, что кто-то вмешивался в положение куба. В отличие от этого, симметрии похожи на самого ловкого вора; они являются манипуляциями, которые не оставляют каких-бы то ни было улик.

-----------------

-----------------

-----------------

- -

(а) (b) (с)

Рис 8.1 Если куб, как в (а), поворачивается на 90 градусов один или несколько раз относительно осей, проходящих через через любую из своих граней, он выглядит не изменившимся, как в (b). Но любые другие вращения могут быть отслежены, как в (с).

Все это были примеры симметрий объектов в пространстве. Симметрии, лежащие в основе известных законов физики, тесно связаны с этими симметриями, но сконцентрируемся на более абстрактном вопросе: какие манипуляции – еще раз, реальные или воображаемые, – могут быть проделаны над вами или над окружающей средой, что они совершенно не будут влиять на законы, которые объясняют наблюдаемые вами физические явления? Отметим, что есть такие симметрии, в соответствии с которыми манипуляции не требуют оставлять ваши наблюдения неизменными. Вместо этого мы интересуемся, изменяются ли законы, управляющие такими наблюдениями, – законы, которые объясняют, что вы видели ранее и что вы видите после некоторых манипуляций. Поскольку это центральная идея, рассмотрим ее в действии на некоторых примерах.

Представьте себе, что вы олимпийский гимнаст и в течение последних четырех лет вы старательно тренировались в вашем гимнастическом центре в Коннектикуте. Через кажущиеся бесконечными повторения вы довели каждое движение в ваших различных упражнениях до совершенства – вы знаете точно, как сильно надо оттолкнуться от равновесной перекладины для выполнения воздушного соскока, как высоко надо подпрыгнуть в упражнении на ковре для выхода с с двойным оборотом, как быстро надо крутнуться на брусьях, чтобы запустить ваше тело в совершенный соскок с двойным кульбитом. На самом деле, вашему телу с рождения присуще следование законам Ньютона, поскольку это именно те законы, которые управляют движением вашего тела. Теперь, когда вы, наконец, представили ваши упражнения перед переполнившей залы публикой в Нью Йорке, месте проведения самих олимпийских соревнований, вы рассчитываете на выполнение тех же самых законов, поскольку вы планируете выполнить ваши упражнения в точности так, как вы практиковались. Все, что мы знаем о законах Ньютона, придает веры вашей стратегии. Законы Ньютона не являются особыми в том или ином месте. Они не работают одним образом в Коннектикуте, а другим образом в Нью Йорке. Скорее, мы верим, что эти законы работают в точности тем же образом вне зависимости от того, где вы находитесь. Даже если вы измените местоположение, законы, которые управляют движением вашего тела, останутся так же не изменившимися, как это было с внешним видом биллиардного шара, который привели во вращение.

Эта симметрия известна как трансляционная симметрия или трансляционная инвариантность. Она применима не только к законам Ньютона, но так же и к законам электромагнетизма Максвелла, к СТО и ОТО Эйнштейна, к квантовой механике и, на самом деле, к любому предложению в современной физике, которое кто-либо принимает всерьез.

Тем не менее, отметим одну важную вещь. Детали ваших наблюдений и ощущений могут и иногда будут изменяться от места к месту. Если вы выполните выши гимнастические упражнения на Луне, вы обнаружите, что путь вашего тела в ответ на одинаковую силу прыжка вверх от ваших ног будет сильно отличаться. Но мы полностью понимаем это частное отличие, и оно уже встроено в сами законы. Луна менее массивна, чем Земля, так что она оказывает меньшее гравитационное притяжение; в итоге ваше тело путешествует по отличающейся траектории. И этот факт – что гравитационное притяжение тела зависит от его массы – является составной частью ньютоновского закона гравитации (точно так же, как и более утонченной ОТО Эйнштейна). Разница между вашими земными и лунными ощущениями не означает, что закон гравитации изменился от места к месту. Вместо этого, она (разница) просто отражает различие в окружающей среде, с которым закон гравитации уже согласован. Так что, когда мы говорим, что известные законы физики одинаково хорошо применимы в Коннектикуте или в Нью Йорке, – или, надо добавить, на Луне, – это будет верно, но надо держать в уме, что вам может понадобиться учесть особые отличия в окружающей среде, от которых зависят законы. Тем не менее, и это ключевое заключение, объяснительная система взглядов, которую обеспечивают законы, совсем не изменяется при изменении местоположения. Изменение в местоположении не требует от физика вернуться к грифельной доске и вывести новые законы.

Законы физики не действуют таким образом. Мы можем представить вселенную, в которой физические законы менялись бы так же, как местные и национальные правительства; мы можем представить вселенную, в которой законы физики, с которыми мы обычно имеем дело, ничего не говорили бы нам о законах физики на Луне, в галактике Андромеды, в Крабовидной туманности или на другой стороне вселенной. Фактически, мы не знаем с абсолютной определенностью, что законы, которые работают здесь, являются теми же самыми, которые работают в дальних уголках космоса. Но мы знаем, что если законы каким-то образом изменяются вне наших мест, это должно быть совсем вне наших мест, так как все более точные астрономические наблюдения обеспечивают все более убедительные свидетельства в пользу того, что законы однородны в пространстве, как минимум, в пространстве, которое мы можем видеть. Это подчеркивает поразительную силу симметрии. Мы связаны с планетой Земля и ее окрестностями. И все же, благодаря трансляционной симметрии мы можем получить знания о фундаментальных законах, работающих во всей вселенной, не покидая дома, поскольку законы, которые мы открываем здесь, являются и там законами.

Вращательная симметрия или вращательная инвариантность является близкой родственницей трансляционной инвариантности. Она основывается на идее, что каждое пространственное направление рассматривается на одинаковом основании с любым другим. Вид с Земли определенно не приводит вас к такому заключению. Когда вы смотрите вверх, вы видите вещи, весьма отличающиеся от того, что вы видите, когда вы смотрите вниз. Но, еще раз, это отражает детали окружения; это не характеризует сами лежащие в основании законы. Если вы покинули Землю и плаваете в пустом пространстве, далеко от любых звезд, галактик или иных небесных тел, симметрия становится очевидной: там нет ничего, что выделило бы одно особое направление в черной пустоте от другого. Они все равноправны. Вы не смогли бы дать идею, как удаленной в пространстве лаборатории, в которой вы сидите, исследовать свойства материи или сил, которые должны быть ориентированы таким или сяким образом, поскольку основополагающие законы нечувствительны к такому выбору. Если однажды ночью некий шутник изменит установки лабораторных гироскопов, вынудив их повернуться на некоторое число градусов относительно некоторой особой оси, вы должны ожидать, что это не будет иметь каких-либо следствий для законов физики, изучаемых вашими экспериментами. Каждое измерение всегда будет полностью подтверждать это ожидание. Так что мы уверены, что законы, которые управляют проводимыми вами экспериментами и объясняют найденные вами результаты, нечувствительны как к тому, где вы находитесь, – это трансляционная симметрия, – так и к тому, как вы сориентировались в пространстве – это вращательная симметрия.

Как мы обсуждали в Главе 3, Галилей и другие были хорошо осведомлены о другой симметрии, которую законы физики должны соблюдать. Если ваша удаленная в пространстве лаборатория движется с постоянной скоростью, – безотносительно, двигаетесь ли вы со скоростью 5 миль в час туда или 100 000 миль в час сюда, – движение абсолютно не должно влиять на законы, которые объясняют ваши наблюдения, поскольку вы так же правы, как и соседний парень в утверждении, что вы покоитесь, а движется что-то другое. Эйнштейн, как мы видели, расширил эту симметрию совершенно неожиданным образом, включив скорость света среди наблюдателей, которая не будет зависеть от вашего движения или от движения источника света. Это был ошеломляющий ход, поскольку мы обычно сбрасываем особенности скорости объекта в мусорное ведро деталей окружающей среды, полагая, что наблюдаемая в общем случае скорость зависит от движения наблюдателя. Но Эйнштейн, видя поток симметрии света через щели в фасаде ньютоновской природы, вознес скорость света на уровень несокрушимого закона природы, объявив ее независимой от движения, как вид биллиардного шара не зависит от поворотов.

ОТО, следующее великое открытие Эйнштейна, была сразу поставлена на этот путь к теориям с еще большей симметрией. Точно так, как вы можете думать об СТО как о теории, устанавливающей симметрию среди всех наблюдателей, двигающихся друг относительно друга с постоянной скоростью, вы можете думать об ОТО как о теории, идущей на шаг дальше и устанавливающей симметрию также и среди всех ускоренных систем отсчета. Это экстраординарно, поскольку, как мы подчеркивали, хотя вы не можете чувствовать движение с постоянной скоростью, вы можете чувствовать ускоренное движение. И кажется, что законы физики, описывающие ваши наблюдения, должны быть непременно другими, когда вы ускоряетесь, чтобы оценить добавочные силы, которые вы чувствуете. Это так в случае ньютоновского подхода; его законы, первое, что появляется во всех учебниках по физике для первого года обучения, должны быть модифицированы, если используется ускоренный наблюдатель. Но через принцип эквивалентности, обсужденный в Главе 3, Эйнштейн обнаружил, что силы, которые вы чувствуете при ускоренном движении, неотличимы от сил, которые вы чувствуете в гравитационном поле подходящей интенсивности (чем больше ускорение, тем больше гравитационное поле). Так что, в соответствии с эйнштейновской, более утонченной точкой зрения, законы физики не изменяются, когда вы ускоряетесь, до тех пор, пока вы включаете подходящее гравитационное поле в ваше описание окружения. ОТО рассматривает всех наблюдателей, даже тех, которые двигаются с произвольной непостоянной скоростью, одинаково, – они полностью симметричны, – поскольку каждый может утверждать, что он покоится при условии добавления особых сил, ощущаемых как влияние особых гравитационных полей. Отличия в наблюдениях между одним ускоренным наблюдателем и другим, следовательно, не являются больше удивительными и обеспечивают подтверждение изменения законов природы не больше, чем это делают отличия, которые вы найдете, когда выполните ваши гимнастические упражнения на Земле или на Луне.

Эти примеры несколько проясняют, почему многие рассматривают, и я подозреваю, Фейнман был бы согласен, что обширные симметрии, лежащие в основании законов природы, представляют вслед за атомной гипотезой второе место в списке обобщений наших наиболее глубоких научных достижений. Но это еще не все. В течение последних нескольких десятилетий физики вознесли принципы симметрии на высочайшую ступень лестницы объяснений. Когда вы сталкиваетесь с предлагаемым законом природы, естественный вопрос, который должен быть задан, таков: Почему это закон? Почему СТО? Почему ОТО? Почему максвелловская теория электромагнетизма?

Почему теория Янга-Миллса сильных и слабых ядерных сил (которую мы коротко рассмотрим)? Один важный ответ таков, что эти теории делают предсказания, которые раз за разом подтверждаются точными экспериментами. Это, определенно, существенно для доверия, которое физики испытывают к теориям, но это оставляет за кадром нечто важное.

Физики также верят, что эти теории находятся на правильном пути, потому что в некотором трудно объяснимом смысле они ощущаются правильными, и идеи симметрии существенны в этом ощущении. Ощущается непосредственно, что во вселенной нет места, которое как-то специально выделено по сравнению с любым другим, так что физики доверяют утверждению, что трансляционаая симметрия должна быть среди симметрий законов природы. Ощущается непосредственно, что нет особого движения с постоянной скоростью, которое было бы как-то выделено по сравнению с любым другим, так что физики доверяют утверждению, что СТО, полностью охватывая симметрию между всеми наблюдателями, движущимися с постоянной скоростью, является существенной частью законов природы. Ощущается непосредственно, более того, что любая точка отсчета наблюдателя – безотносительно к возможному включению ускоренного движения – должна быть так же применима, как и любая другая, так что физики верят, что ОТО, простейшая теория, включающая эту симметрию, находится среди глубоких, истинных, управляющих природой законов. И, как мы скоро увидим, теории трех сил, кроме гравитации, – электромагнетизма, сильного и слабого ядерных взаимодействий, – основываются на других, в некоторой степени более абстрактных, но равно убедительных принципах симметрии. Так что симметрии природы являются не просто следствиями законов природы. С нашей современной точки зрения симметрии являются основаниями, с которых начинаются законы.

Симметрия и время

Кроме своей роли по формированию законов, управляющих силами природы, идеи симметрии существенны и для концепции самого времени. Никто пока не нашел ясное, фундаментальное определение времени, но, несомненно, часть роли времени в структуре космоса заключается в том, что оно является учетчиком изменения. Мы распознаем, что время пролетело, отмечая, что вещи теперь отличаются от того, какими они были ранее. Часовая стрелка на ваших часах указывает на другое число, солнце находится в другом положении на небе, страницы в вашем расплетенном экземпляре Войны и мира стали более разупорядоченными, углекислый газ, который вырвался из вашей бутылки колы, еще более разлетелся, – все это делает очевидным, что вещи изменились, и время есть то, что обеспечивает возможность, чтобы такие изменения осуществились. Перефразируя Джона Уилера, время есть способ природы сохранять все – то есть, все изменения – от внезапных происшествий.

Существование времени, таким образом, зависит от отсутствия особой симметрии: вещи во вселенной должны изменяться от момента к моменту для нас, даже чтобы определить понятие "от момента к моменту", что полностью соотносится с нашей интуитивной концепцией. Если имеется полная симметрия между тем, каковы вещи сейчас, и тем, каковы они тогда, если изменение от момента к моменту не более значительно, чем изменения в поворачивающемся биллардном шаре, время, как мы себе его обычно представляем, не будет существовать. Это не значит, что описание пространства-времени, схематически проиллюстрированное на Рис. 5.1, не будет существовать; будет. Но, поскольку все будет полностью однородно вдоль оси времени, не будет смысла, в котором вселенная эволюционирует или изменяется. Время будет абстрактным свойством такой арены реальности, – четвертым измерением в пространственно-временном континууме, – но, с другой стороны, оно будет нераспознаваемым.

Тем не менее, даже если существование времени соотносится с отсутствием одной особой симметрии, его применение на космических масштабах требует от вселенной быть предельно связанной с другой симметрией. Идея проста и отвечает на вопрос, который мог появиться у вас при прочтении Главы 3. Если теория относительности учит нас, что прохождение времени зависит от того, как быстро вы двигаетесь и от гравитационного поля, в котором вы оказались погруженным, то что должно означать, когда астрономы и физики говорят о целой вселенной, имеющей особый определенный возраст – возраст, который в наши дни оценивается около 14 миллиардов лет? Четырнадцать миллиардов лет в соответствии с чем? Четырнадцать миллиардов лет по каким часам? Придут ли живущие в удаленной туманности Головастика тоже к заключению, что вселенной 14 миллиардов лет, и, если так, что будет гарантировать, что их часы тикали синхронно с нашими? Ответ зависит от симметрии – симметрии в пространстве.

Если бы ваши глаза могли видеть свет, чья длина волны значительно длиннее, чем у оранжевого или красного света, вы были бы не только в состоянии видеть внутренности вашей микроволновой печки в момент ее включения, когда вы нажимаете кнопку старта, но вы также видели бы слабое и почти однородное зарево, распространенное через то, что другие из нас воспринимают как темное ночное небо. Более сорока лет назад ученые открыли, что вселенная наполнена микроволновым излучением, – светом с большой длиной волны, – которое является холодным остатком жарких условий сразу после Большого взрыва. Эта космическая микроволновая фоновая радиация совершенно безопасна. Раньше она была в огромной степени более горячая, но в ходе эволюции и расширения вселенной радиация равномерно снижала концентрацию и охлаждалась. Сегодня ее температура всего около 2,7 градуса выше абсолютного нуля, и ее самое большое проявление в качестве источника неприятностей заключается в ее вкладе в небольшую часть "снега", который вы видите на вашем телевизоре, когда вы отключили кабель и настроились на станцию, которая не вещает в эфир.

Но эти слабые радиопомехи дают астрономам то же, что кости тираннозавров дают палеонтологам: окно в ранние эпохи, которое является ключевым для реконструкции того, что происходило в удаленном прошлом. Существенное свойство радиации, обнаруженное точными спутниковыми измерениями на протяжении последнего десятилетия, это то, что она предельно однородна. Температура излучения в одной части неба отличается от температуры в другой части неба менее, чем на тысячную долю градуса. На земле такая симметрия сделала бы телевизионные каналы погоды неинтересными. Если в Джакарте 85 градусов (Фаренгейта), то вы бы немедленно знали, что температура между 84,999 градусов и 85,001 градусов держится в Аделаиде, Шанхае, Кливленде, Анкоридже и, коли на то пошло, где угодно еще. В отличие от этого, на космических масштабах неоднородность температуры излучения фантастически интересна, так как она обеспечивает два критически важных наблюдения.

Первое, она обеспечивает наблюдаемое доказательство того, что на своих ранних этапах вселенная не была заселена большими, слипшимися, высокоэнтропийными скоплениями материи, такими как черные дыры, поскольку такое неоднородное окружение должно было бы оставить неоднородный отпечаток на излучении. Вместо этого однородность температуры радиации подтверждает, что молодая вселенная была однородной; и, как мы видели в Главе 6, когда важна гравитация, – как это было в плотной ранней вселенной, – однородность означает низкую энтропию. Это хорошая вещь, поскольку наше обсуждение стрелы времени сильно зависело от вселенной, стартовавшей с низкой энтропией. Одной из наших целей в этой части книги является зайти в объяснении этого наблюдения так далеко, насколько мы сможем, – мы хотим понять, как могло возникнуть однородное, низкоэнтропийное, весьма невероятное окружение ранней вселенной. Это позволит нам сделать большой шаг к пониманию причин стрелы времени.

Второе, хотя вселенная эволюционировала после Большого взрыва, в среднем эволюция должна была быть почти одинаковой в разных местах космоса. Ввиду того, что температуры здесь, и в галактике Вихря, и в кометном скоплении, и где угодно еще согласуются с точностью до четвертого знака после запятой, физические условия в каждом регионе пространства должны эволюционировать после Большого взрыва существенно одинаковым образом. Это важный вывод, но вы должны правильно его интерпретировать. Быстрый взгляд на ночное небо определенно показывает разнообразный космос: планеты и звезды различных сортов разбросаны там и тут по пространству. Суть, однако, в том, что когда мы анализируем эволюцию целой вселенной, мы рассматриваем макроскопическую перспективу, которая усредняется по этим "мелкомасштабным" отклонениям, и крупномасштабные средние оказываются всегда полностью однородными. Подумайте о стакане воды. На масштабе молекул вода в высшей степени неоднородна: здесь имеется молекула Н2О, затем, после простора пустого пространства, другая молекула Н2О, и так далее. Но если мы усредним по мелкомасштабной молекулярной комковатости и исследуем воду на "больших", повседневных масштабах, мы можем увидеть невооруженным глазом, что вода в стакане выглядит совершенно однородной. Неоднородность, которую мы видим, когда пристально вглядываемся в небо, подобна микроскопическому виду на отдельную молекулу Н2О. Но, как и в случае стакана воды, когда вселенная изучается на достаточно больших масштабах, – масштабах порядка сотен миллионов световых лет, – она становится предельно однородной. Однородность излучения является, таким образом, "ископаемым" свидетельством однородности как законов физики, так и деталей окружающей среды везде в космосе.

Это заключение является великим следствием, поскольку однородность вселенной есть то, что позволяет нам определить концепцию времени, применимую для вселенной как целого. Если мы принимаем измерение изменений в качестве работающего определения истекшего времени, то однородность условий везде в пространстве является свидетельством однородности изменений везде в космосе, так что предполагает также и однородность прошедшего времени. Точно так же, как однородность земной геологической структуры позволяет геологу в Америке, и такому же в Африке, и другому в Азии прийти к согласию относительно возраста земной истории, однородность космической эволюции во всех местах пространства позволяет физику в галактике Млечного Пути, и такому же в галактике Андромеды, и другому в галактике Головастика прийти в целом к согласию по поводу возраста и истории вселенной. Конкретно, однородная эволюция вселенной означает, что часы здесь, часы в галактике Андромеды и часы в галактике Головастика будут, в среднем, отсчитывать время примерно одинаковым образом. Таким образом, однородность пространства обеспечивает универсальную синхронизацию.

Поскольку я далеко отставил важные детали (такие как расширение пространства, освещаемое в следующей секции), обсуждение выделяет ядро проблемы: время располагается на распутье симметрии. Если вселенная имеет абсолютную темпоральную симметрию, – если она полностью неизменна, – будет тяжело определить даже, что означает время. С другой стороны, если вселенная не имеет симметрии в пространстве, – если, например, фоновое излучение было бы совершенно бессистемным, имея дико отличающуюся температуру в разных областях, – время с космологической точки зрения имело бы мало смысла. Часы в разных местах отсчитывали бы время с разным темпом, так что, если бы вы спросили, на что были похожи вещи, когда вселенной было 3 миллиарда лет, ответ зависел бы от того, на чьи часы вы посмотрели, чтобы увидеть, что эти 3 миллиарда лет истекли. Определение времени было бы затруднено. К счастью, наша вселенная не имеет так много симметрии, чтобы сделать время бессмысленным, но имеет достаточно симметрии, чтобы мы могли избежать таких сложностей, позволяя нам говорить о ее полном возрасте и ее полной эволюции сквозь время.

Итак, теперь обратим наше внимание на эту эволюцию и рассмотрим историю вселенной.

Растягивая ткань

История вселенной выглядит огромным объектом, но в рамках грубого, эскизного наброска является неожиданно простой и зависит в большой части от одного существенного факта: вселенная расширяется. Поскольку это является центральным элементом в разворачивании космической истории и, несомненно, является одним из наиболее глубоких человеческих открытий, рассмотрим коротко, как мы узнали, что это так.

В 1929 Эдвин Хаббл, используя 100-дюймовый телескоп в обсерватории Маунт-Вильсон в Пасадене, Калифорния, нашел, что пара дюжин галактик, которые он смог детектировать, все удаляются прочь. Фактически Хаббл нашел, что чем более удаленной является галактика, тем быстрее ее удаление. Чтобы дать представление о масштабах, более уточненные версии оригинальных наблюдений Хаббла (которые изучали тысячи галактик, используя в числе оборудования пространственный (орбитальный) телескоп имени Хаббла) показывают, что галактики, которые удалены от нас на 100 миллионов световых лет, удаляются со скоростью около 5,5 миллиона миль в час, те же, до которых 200 миллионов световых лет, удаляются в два раза быстрее, около 11 миллионов миль в час, а те, до которых 300 миллионов световых лет, улетают в три раза быстрее, около 16,5 миллионов миль в час, и так далее. Открытие Хаббла было шокирующим, поскольку господствовавшие научные и философские убеждения состояли в том, что вселенная должна быть на своих самых больших масштабах статической, бесконечной, фиксированной и неизменной. Но Хаббл одним ударом вдребезги разбил этот взгляд. И в удивительном слиянии теории и эксперимента ОТО Эйнштейна оказалась способной обеспечить превосходное объяснение открытию Хаббла.

На самом деле, вы можете не думать, что подход к объяснению может быть слишком сложным. Тем не менее, если вы ходили по заводу и видели, сколько сортов материалов неистово вылетают во всех направлениях, вы, вероятно, думали, что там произошел взрыв. Но если вы пропутешествуете назад вдоль путей, которым следует стружка металла и глыбы бетона, вы найдете их всех объединяющимися в месте, которое, вероятно, могло бы поспорить за звание источника взрыва. По тем же самым причинам, поскольку вид с Земли, – как свидетельствуют хаббловские и последующие наблюдения, – показывает, что галактики разлетаются, вы можете подумать, что наше положение в пространстве было местом древнего взрыва, который однородно разбросал сырой материал звезд и галактик. Проблема с этой теорией, однако, в том, что она выделяет один регион в пространстве – наш регион – как уникальный, поскольку делает его местом рождения вселенной. Будь это так, это повлекло бы за собой глубоко сидящую асимметрию: физические условия в областях, удаленных от изначального взрыва, – удаленных от нас, – были бы сильно отличающимися от условий здесь. Поскольку в астрономических данных нет подтверждений такой асимметрии и, более того, поскольку мы с большим подозрением относимся к антропоцентрическим объяснениям, смешанным с докоперниковским мышлением, требуется более изощренная интерпретация открытия Хаббла, одна из тех, в которых наше положение не занимает некоторое особое место в космическом порядке.

ОТО обеспечивает такую интерпретацию. С ОТО Эйнштейн нашел, что пространство и время являются эластичными, а не неподвижными, растягиваемыми, а не жесткими; и он обеспечил уравнения, которые точно говорят нам, как пространство и время откликаются на присутствие материи и энергии. В 1920е годы русский математик и метеоролог Александр Фридман и бельгийский священник и астроном Жорж Леметр независимо проанализировали уравнения Эйнштейна, когда те применены ко всей вселенной, и оба нашли кое-что поразительное. Точно так же, как гравитационное притяжение Земли предполагает, что бейсбольный мяч, запущенный высоко над принимающим, должен либо направляться дальше вверх, либо направляться вниз, но, определенно, не может остановиться (исключая отдельный момент, когда он достигает своей высшей точки), Фридман и Леметр обнаружили, что гравитационное притяжение материи и излучения, распределенных по всему космосу, подразумевает, что ткань пространства должна или растягиваться или сжиматься, но что она не может пребывать с фиксированным размером. Фактически, это один из редких примеров, в которых метафора не только схватывает суть физики, но также и ее математическое содержание, поскольку, как оказалось, уравнения, управляющие высотой полета бейсбольного мяча над землей, почти идентичны уравнениям Эйнштейна, управляющим размером вселенной.

Эластичность пространства в ОТО обеспечивает глубокий способ интерпретации открытия Хаббла. Вместо того, чтобы объяснять разбегающееся движение галактик космической версией взрыва на заводе, ОТО говорит, что в течение миллиардов лет пространство растягивается. И, раз уж оно разбухает, пространство растаскивает галактики друг от друга, почти как черные пятнышки на посыпанном маком пироге растаскиваются врозь, когда тесто поднимается в печи. Так что причина движения в разные стороны не во взрыве, который имел место внутри пространства. Вместо этого движение в разные стороны возникает из неослабевающего разбухания самого пространства.

Чтобы более полно ухватить эту ключевую идею, подумаем также о великолепно применимой для расширяющейся вселенной модели воздушного шара, которую физики часто используют (аналогия, которая может быть прослежена, как минимум, так же далеко назад, как веселый комикс, который вы можете увидеть в конечных комментариях, и который появился в заметке Датча в 1930 по итогам интервью с Виллемом де-Ситтером, ученым, который внес важный вклад в космологию). Эта аналогия уподобляет наше трехмерное пространство более легко визуализируемой двумерной поверхности сферического воздушного шара, как на Рис. 8.2а, который раздувается до все большего и большего размера. Галактики представляются многочисленными равномерно распространенными монетками (пенни с портретом Линкольна), приклеенными к поверхности шара. Отметим, что поскольку шар расширяется, все монетки удаляются друг от друга, обеспечивая простую аналогию тому, как расширяющееся пространство разносит в стороны все галактики.

Важное свойство этой модели в том, что тут имеется полная симметрия среди монеток, поскольку вид, который наблюдает любой отдельный Линкольн, будет таким же, как и вид, который наблюдает любой другой Линкольн. Чтобы показать это, представьте, что вы сжимаетесь, ложась на монетку, и обозреваете все направления на поверхности шара (вспомним, что в этой аналогии поверхность шара представляет все пространство, так что смотреть вне поверхности шара не имеет смысла). Что вы будете наблюдать? Ну, вы увидите монетки, удаляющиеся от вас во всех направлениях, так как шар расширяется. А если вы ложитесь на другую монетку, что вы будете наблюдать? Симметрия гарантирует, что вы будете видеть те же самые вещи: монетки, разлетающиеся во всех направлениях. Этот ясный образ хорошо фиксирует наши убеждения, – при поддержке все более точных астрономических исследований, – что наблюдатель в любой из более чем 100 миллиардов галактик вселенной*, пристально вглядывающийся в ее или его ночное небо через мощный телескоп, будет, в среднем, видеть образ, сходный с тем, что видим мы: окружающие галактики, удаляющиеся прочь во всех направлениях.

(*)"Имеются в виду, конечно, галактики наблюдаемой части вселенной. – (прим. перев.)"

Итак, в отличие от взрыва на заводе внутри фиксированного, существующего заранее пространства, если движение в разные стороны возникает вследствие того, что само пространство растягивается, не нужна специальная точка, – ни специальная монетка, ни специальная галактика, – которая является центром расходящегося движения. Каждая точка – каждая монетка, каждая галактика – выступает полностью наравне с любой другой.

Вид из любого места кажется похожим на вид из центра взрыва: каждый Линкольн видит всех других Линкольнов удаляющимися прочь; наблюдатель, вроде нас, в любой галактике видит все другие галактики удаляющимися прочь. Но поскольку это верно для всех положений, не существует специального или уникального положения, которое было бы центром, из которого происходит расходящееся движение.

Более того, это объяснение не только качественно оценивает расходящееся движение галактик пространственно однородным способом, оно также объясняет количественные детали, найденные Хабблом и подтвержденные с большей точностью последующими наблюдениями. Как иллюстрируется на Рис. 8.2b, если воздушный шар разбухает в течение некоторого интервала времени, например, удваиваясь в размере, все пространственные расстояния будут также удвоены по величине: монетки, которые находились на расстоянии 1 дюйм, теперь будут на расстоянии 2 дюйма, монетки, которые находились на расстоянии 2 дюйма, теперь будут на расстоянии 4 дюйма, монетки, которые находились на расстоянии 3 дюйма, теперь будут на расстоянии 6 дюймов, и так далее. Так что в течение любого заданного временного интервала увеличение расстояний между двумя монетками пропорционально начальному расстоянию между ними.

Рис 8.2 (а) Если равномерно распределенные монетки (1 пенни) приклеены к поверхности сферы, вид, который увидит каждый Линкольн, будет тем же самым, который увидит любой другой. Это согласуется с уверенностью, что вид из любой галактики во вселенной, в среднем, будет тем же самым, каким он будет из любой другой, (b) Если сфера расширяется, расстояния между всеми монетками увеличиваются. Более того, чем дальше монетки друг от друга разнесены на 8.2а, тем большее разделение они почувствуют из-за расширения в 8.2b.

Это хорошо согласуется с измерениями, показывающими, что чем более удалена от данной точки отсчета галактика, тем быстрее она движется прочь от этой точки. Отметим, что ни одна монетка не была выделена как специальная, что также согласуется с нашей уверенностью, что во вселенной нет специальной галактики или центра расширения пространства.

 А поскольку большее увеличение расстояния за данный временной интервал означает большую скорость, монетки, которые удалены дальше друг от друга, разлетаются более быстро. В сущности, чем дальше находятся друг от друга две монетки, тем больше поверхности воздушного шара находится между ними и тем быстрее они разлетаются в стороны, когда шар раздувается. Применяя точно такие же рассуждения для объяснения пространства и содержащихся в нем галактик, мы получаем объяснение наблюдений Хаббла. Чем дальше находятся две галактики, тем больше пространства имеется между ними и тем быстрее они будут расталкиваться прочь одна от другой при раздувании пространства.

При объяснении наблюдаемого движения галактик через раздувание пространства, ОТО не только обеспечивает объяснение, что все местоположения в пространстве трактуются симметрично, но также одним сильным броском оцениваются все данные Хаббла. Этот вид объяснения является одним из настолько элегантных шагов за пределы ящика (в этом случае, шагом, который действительно использует "ящик" – то есть, пространство) для объяснения наблюдений с количественной точностью и хитрой симметрией, что физики описывают его как едва ли не слишком прекрасное, чтобы быть неправильным. По существу, в настоящее время имеется универсальное соглашение, что ткань пространства растягивается.

Время и расширяющаяся вселенная

Используя небольшую вариацию модели воздушного шара, мы можем теперь понять более точно, как симметрия в пространстве, даже если пространство расширяется, дает понятие времени, которое однородно применимо в любом месте космоса. Представив себе, что каждая монетка заменена на одинаковые часы, как на Рис. 8.3, мы знаем из теории относительности, что одинаковые часы отсчитывают время с различным темпом, если они подвергаются различным физическим воздействиям – различным движениям или различным гравитационным полям. Но простое, хотя ключевое наблюдение заключается в том, что полная симметрия среди всех Линкольнов на раздувающемся шаре переносится на полную симметрию среди всех часов. Все часы помещены в одинаковые физические условия, так что все тикают в точности с одинаковым темпом и фиксируют одинаковое количество прошедшего времени. Аналогично, в расширяющейся вселенной, в которой имеется высокая степень симметрии среди всех галактик, часы, которые двигаются вместе с той или иной галактикой, также должны тикать с одинаковым темпом и, отсюда, фиксировать одинаковое количество истекшего времени. Как может быть иначе? Каждые часы выступают наравне с любыми другими, находясь, в среднем, примерно в одинаковых физических условиях. Это опять показывает ошеломительную силу симметрии. Без каких-либо расчетов или детального анализа мы обнаружили, что однородность физического окружения, как это подтверждается однородностью микроволновой фоновой радиации и однородным распределением галактик в пространстве, позволяет нам сделать заключение об однородности времени.

Хотя обоснование здесь проведено непосредственно, заключение может, тем не менее, сбить с толку. Поскольку галактики все разбегаются прочь по мере расширения пространства, часы, которые двигаются вместе с той или иной галактикой, также разбегаются прочь. И это не все, они двигаются друг относительно друга с гигантском диапазоне скоростей, определяемом гигантским диапазоном расстояний между ними. Не будет ли это движение вынуждать часы рассинхронизироваться, как нас учил Эйнштейн в СТО? По ряду причин ответ будет – нет; здесь приводим один особенно полезный способ подумать об этом.

Вспомним из Главы 3, что Эйнштейн открыл, что часы, которые двигаются через пространство различными способами, отсчитывают время с различными темпами (поскольку они переводят различные количества их движения через время в движение через пространство; вспомните аналогию с Бартом на его скейтборде, сначала двигающимся на север, а затем переводящим некоторое количество своего движения на северо-восток).

Рис 8.3 Часы, которые двигаются вместе с галактиками, – чье движение, в среднем, возникает только из расширения пространства, – обеспечивают универсальный космический хронометраж. Они остаются синхронизированными, даже если они отделены друг от друга, поскольку они двигаются с пространством, но не через пространство.

Но часы, которые мы сейчас обсуждаем, совсем не двигаются через пространство. Точно так же, как каждая монетка приклеена к одной точке воздушного шара и двигается относительно других монет только вследствие раздувания поверхности шара, каждая галактика занимает один регион в пространстве и, большей частью, двигается относительно других галактик только вследствие расширения пространства. А это означает, что по отношению к самому пространству все часы в действительности стационарны, так что они отсчитывают время идентично. Это именно те часы – часы, чье движение происходит только от расширения пространства, – которые обеспечивают синхронизированные космические часы, используемые для измерения возраста вселенной.

Отметим, конечно, что вы свободны взять ваши часы, прыгнуть на борт ракеты и пронестись через пространство таким образом и с такой громадной скоростью, что вы подвергнитесь существенному движению в дополнение к космическому течению от расширения пространства. Если вы это сделаете, ваши часы будут тикать с другим темпом и вы обнаружите другую продолжительность истекшего после Большого взрыва времени. Это совершенно допустимая точка зрения, но она полностью индивидуалистична: измеренное истекшее время тесно связано с историей вашего особого местоположения и состояния движения. Когда астрономы говорят о возрасте вселенной, тем не менее, они стремятся к чему-то универсальному, – они стремятся измерить то, что имеет одинаковое значение где угодно. Однородность изменений сквозь пространство обеспечивает способ это сделать.

Фактически, однородность микроволнового фонового излучения обеспечивает готовый тест для того, действительно ли вы двигаетесь с космическим течением пространства. Вы видите, хотя микроволновое излучение однородно по пространству, если вы предпримете дополнительное движение вне того, которое связано с космическим течением пространственного расширения, вы не будете наблюдать излучение однородным. Точно так же, как гудок мчащегося автомобиля имеет большую высоту, когда автомобиль приближается, и меньшую высоту, когда автомобиль удаляется, если вы несетесь сквозь пространство на космическом корабле, пики и впадины микроволн, направленные во фронт вашего корабля будут падать с большей частотой, чем они же, двигающиеся в направлении кормы вашего корабля. Более высокая частота микроволн переводится в более высокую температуру, так что вы найдете, что излучение в направлении вашего полета будет чуть теплее, чем излучение, достигающее вас сзади. Когда это производится здесь на "космическом корабле" Земля, астрономы находят микроволновой фон немного теплее в одном направлении в пространстве и немного холоднее в противоположном направлении. Причина в том, что Земля не только движется вокруг Солнца, а Солнце движется вокруг галактического центра, но и вся галактика Млечный Путь имеет небольшую скорость в дополнение к космическому расширению, направленную к звездному скоплению Гидры. Только когда астрономы внесли поправки на влияние этих относительно слабых дополнительных движений на микроволны, мы получили, что излучение проявляет истинную однородность температуры между одной частью неба и другой. Это та однородность, та общая симметрия между одним положением и другим, которая позволяет нам осмысленно говорить о времени, когда мы описываем всю вселенную.

Тонкие особенности расширяющейся вселенной

Несколько тонких моментов в нашем объяснении космического расширения достойны выделения. Первое, вспомним, что в аналогии с воздушным шаром какую-либо роль играет только поверхность шара – поверхность, которая всего лишь двумерна (каждое положение может быть отмечено заданием двух чисел, аналогичных широте и долготе на Земле), тогда как пространство, которое мы видим, когда обозреваем окружение, имеет три измерения. Мы использовали эту модель с меньшим числом измерений, поскольку она сохраняет концепции, существенные для правильной, трехмерной ситуации, но намного легче поддается визуализации. Важно иметь это в виду, особенно если вы намеревались сказать, что в модели воздушного шара имеется особая точка: центральная точка внутри шара, удаляясь от которой двигается вся резиновая поверхность. Хотя это наблюдение верное, оно бессмысленное в аналогии с шаром, поскольку любая точка вне поверхности шара не имеет значения. Поверхность шара представляет все пространство; точки, которые не лежат на поверхности шара являются просто не относящимися к делу добавками модели и не соответствуют какому-либо положению во вселенной.*

(*)"Выйти за пределы двумерной аналогии с поверхностью шара и получить сферическую трехмерную модель легко математически, но тяжело на картинке даже для профессиональных математиков и физиков. Вы можете попытаться подумать о твердом трехмерном шаре, похожем на шар для боулинга, но без дырок для пальцев. Однако, это неудовлетворительный образ. Мы хотим, чтобы все точки в модели рассматривались на одинаковом основании, поскольку мы верим, что каждое местоположение во вселенной (в среднем) в точности похоже на любое другое. Но шар для боулинга имеет все виды отличающихся точек: некоторые находятся на внешней поверхности, некоторые вложены во внутренность, одна находится прямо в центре. Напротив, точно так же, как двумерная поверхность воздушного шара окружает трехмерную сферическую область (содержащую воздух внутри шара), приемлемая сферическая трехмерная форма должна окружать четырехмерную сферическую область. Так что удовлетворительной формой является трехмерная сферическая поверхность в четырехмерном пространстве. Но если вы уже оставили ваши попытки представить это, сделайте то же самое, что делают все профессионалы: воспользуйтесь легко представимыми низкоразмерными аналогиями. Они содержат почти все существенные особенности. Чуть дальше мы рассмотрим трехмерное плоское пространство, в противоположность круглой форме сферы, и это плоское пространство можно представить."

Второе, если скорость удаления становится все больше и больше для галактик, которые удалены все дальше и дальше от нас, не означает ли это, что галактики, которые достаточно удалены будут убегать от нас со скоростью большей, чем скорость света. Ответ ошеломляющий – определенно да. Однако тут нет конфликта с СТО. Почему? Ну, это тесно связано с причиной, по которой часы, разлетающиеся вследствие космического течения пространства, остаются синхронизированными. Как мы подчеркивали в Главе 3, Эйнштейн показал, что ничто не может двигаться через пространство быстрее, чем свет. Но галактики, в среднем, совсем еле-еле двигаются через пространство. Их движение едва ли не полностью связано с растягиванием самого пространства. И теория Эйнштейна не запрещает пространству расширяться таким образом, что две точки – две галактики – удаляются друг от друга со скоростью большей, чем скорость света. Его результат только ограничивает скорость, из которой удалена составляющая, связанная с пространственным расширением, скорость, превышающая ту, которая возникает из пространственного расширения. Наблюдения подтверждают, что для типичных галактик, несущихся вместе с космическим течением, такое превышение движения является минимальным и полностью остается в рамках СТО, даже если их движение относительно каждой другой галактики, возникая из раздувания самого пространства, может превышать скорость света.*

(*)"В зависимости от того, ускоряется или замедляется темп расширения вселенной со временем, свет, испущенный такой галактикой, может вступить в битву, которая могла бы составить гордость Зенона: свет может лететь к нам со скоростью света, в то время как расширение пространства делает расстояние, которое свет еще должен пролететь, всегда больше, делая для света невозможным достижение нас когда-либо. Подробности в секции комментариев [10] ."

Третье, если пространство расширяется, не означает ли это, что в дополнение к тому, что галактики разлетаются друг от друга, раздувающееся пространство внутри каждой галактики будет двигать все ее звезды друг от друга, а раздувающееся пространство внутри каждой звезды, и внутри каждой планеты, и внутри вас, меня и чего угодно другого будет двигать все составляющие атомы друг от друга? Короче, не заставит ли раздувающееся пространство любую вещь, включая наши мерные линейки, увеличивать размеры и, таким образом, сделает невозможным распознать, что любое расширение на самом деле произошло? Ответ: нет. Подумайте еще раз о модели воздушного шара с монетками. Поскольку поверхность воздушного шара раздувается, все монетки двигаются в разные стороны, но сами монетки, несомненно, не расширяются. Конечно, если вы представите галактики маленькими кружочками, нарисованным на шаре черным маркером, тогда действительно, по мере увеличения размера шара маленькие кружочки будут также расти. Но монетки, а не зачерненные кружки, фиксируют, что реально происходит. Каждая монетка остается фиксированной по размеру, поскольку силы, удерживающие ее атомы цинка и меди вместе, намного больше, чем расталкивание расширяющегося шара, к которому монетка приклеена. Аналогично, ядерные силы, удерживая индивидуальные атомы как целое, и электромагнитные силы, удерживая ваши кости и кожу вместе, и гравитационные силы, удерживая планеты и звезды невредимыми и собирая их в галактики, более сильны, чем расталкивающее раздувание пространства, так что ни один из этих объектов не расширяется. Только на самых больших масштабах, на масштабах намного больше индивидуальной галактики раздувание пространства встречает мало сопротивления или не встречает совсем (гравитационное притяжение между сильно разделенными галактиками относительно мало вследствие включения больших расстояний), так что только на таких сверхгалактических масштабах раздувание пространства будет разносить объекты в стороны.

Космология, симметрия и форма пространства

Если кто-то разбудил вас среди ночи из глубокого сна и потребовал у вас рассказать ему о форме вселенной – общей форме пространства – вы, возможно, затруднитесь с ответом. Даже в вашем полусонном состоянии вы знаете, что Эйнштейн показал, что пространство должно быть разновидностью чего-то вроде игрушки Дурацкая замазка (Silly Putty), так что, в принципе, оно может иметь практически любую форму. Тогда как вы можете, возможно, ответить на вопрос вашего интервьюера? Мы живем на маленькой планете, вращающейся вокруг средней звезды на окраине галактики, которая всего лишь одна из сотен миллиардов, рассеянных по пространству, так как же вы можете надеяться знать хоть что-нибудь о форме всей вселенной? Ну, раз уж туман сна рассеялся, вы понемногу осознаете, что сила симметрии еще раз придет на выручку.

Если вы принимаете широко распространенное среди ученых мнение, что после усреднения на больших масштабах все местоположения и все направления во вселенной симметричны относительно друг друга, то вы на правильном пути к ответу на вопрос интервьюера. Причины в том, что почти все формы не удовлетворяют этому симметрийному требованию, поскольку одна часть или область формы фундаментально отличается от другой. Груша сильно выпукла у основания, но куда меньше у вершины; яйцо более плоское в середине, но более заостренное у своих концов. Эти формы, хотя и проявляют некоторую степень симметрии, не обладают полной симметрией. Исключив такие формы и ограничившись только теми, в которых каждый регион и направление похожи на любой другой, вы сможете фантастически ограничить возможности.

Мы уже сталкивались с одной формой, которая отвечает всем требованиям. Сферическая форма воздушного шара оказалась ключевой составляющей к установлению симметрии между Линкольнами на монетках на раздувающейся поверхности, также и трехмерная версия этой формы, так называемая 3-сфера, является одним из кандидатов на форму пространства. Но это не единственная форма, которая дает полную симметрию. Продолжая по причине более легкой визуализации двумерные модели, представим бесконечно широкий и бесконечно длинный резиновый лист – такой, который полностью неискривлен, – с равномерно распределенными монетками, наклееными на его поверхность. Если весь лист расширяется, то опять имеется полная пространственная симметрия и полное соответствие открытию Хаббла; каждый Линкольн видит, что каждый другой Линкольн удаляется со скоростью, пропорциональной расстоянию до него, как показано на Рис. 8.4. Поэтому трехмерная версия этой формы, подобная бесконечно протяженному кубу из прозрачной резины с галактиками, равномерно разбросанными по его внутренности, является другой возможной формой для пространства. (Если вы предпочитаете кулинарные аналогии, подумайте о бесконечно большой версии посыпанного маком пирога, упоминавшегося ранее, одной из форм, аналогичных кубу, но продолжающейся бесконечно и с рассыпанным маком, играющим роль галактик. Когда пирог печется, тесто расширяется, заставляя каждое маковое зерно удаляться от других). Эта форма называется плоским пространством, поскольку, в отличие от сферического примера, она не имеет кривизны (понятие "плоский", которое используют математики и физики, однако, отличается от разговорного понятия "расплющенного в блин").

Одна чудесная мысль относительно как сферической, так и бесконечной плоской формы заключается в том, что вы можете бесконечно идти по ней и никогда не достигнете края или границы. Это привлекательно, поскольку позволяет нам избежать тяжелых вопросов: Что находится за краем пространства?

(а) (b)

Рис 8.4 (а) Вид от любой монетки на бесконечном плоском листе является тем же самым, как и вид от любой другой монетки, (b) Чем дальше друг от друга удалены две монетки на Рис. 8.4а, тем больше будет увеличение расстояния между ними, когда плоскость расширяется.

Что произойдет, если вы дойдете до границы пространства? Если пространство не имеет краев или границ, вопрос не имеет смысла. Но отметим, что две формы обеспечивают это дополнительное условие различным способом. Если вы идете прямо вперед в пространстве сферической формы, вы найдете, подобно Магеллану, что рано или поздно вы вернетесь в стартовую точку, никогда не столкнувшись с краем. В отличие от этого, если вы идете прямо вперед в бесконечном плоском пространстве, вы найдете, что подобно Энерджайзеру Банни, вы можете идти и идти, опять таки, никогда не столкнувшись с краем, но также никогда и не возвратившись в место, откуда вы начали путешествие. Хотя это может показаться фундаментальным отличием между геометрией искривленной и плоской формы, имеется простое изменение плоского пространства, которое поразительным образом похоже в этом смысле на сферу.

Чтобы проиллюстрировать это, подумаем об одной из тех видеоигр, в которых экран кажется имеющим края, но на самом деле их не имеет, поскольку вы не можете реально выпасть из экрана: если вы выдвигаетесь за правый край, вы снова появляетесь на левом; если вы выдвигаетесь за верхний край, вы снова появляетесь на нижнем. Экран "зациклен" путем идентификации верхнего края с нижним, а левого с правым, и, таким образом, форма плоская (неискривленная) и имеет конечный размер, но не имеет краев.

Рис 8.5 (а) Экран видеоигры плоский (в смысле "неискривленный") и имеет конечный размер, но не содержит краев или границ, поскольку он "зациклен". Математически такая форма называется двумерным тором. (b) Трехмерная версия той же формы, называемая трехмерным тором, также плоская (в смысле неискривленная) и имеет конечный объем, а также не имеет краев или границ, поскольку зациклена. Если вы проходите через одну сторону, вы входите через противоположную сторону.

Математически эта форма называется двумерным тором, она проиллюстрирована на Рис. 8.5а. Трехмерная версия этой формы – трехмерный тор – обеспечивает другую возможную форму для ткани космоса. Вы можете представить себе эту форму как гигантский куб, который зациклен вдоль всех трех осей: когда вы идете через потолок, вы снова появляетесь со дна, когда вы идете через заднюю стенку куба, вы снова плявляетесь на фронтальной, когда вы идете через левую сторону, вы снова появляетесь с правой, как показано на Рис. 8.5b. Такая форма плоская, – еще раз, в том смысле, что не искривленная, а не в том смысле, что подобная блину, – трехмерная, конечная по всем направлениям и все еще не имеющая краев и границ.

Помимо этих возможностей, все еще имеется другая форма, согласующаяся с объяснением открытия Хаббла через симметрично расширяющееся пространство. Хотя это тяжело изобразить в трех измерениях, как и в сферическом примере имеется хорошая двумерная модель: бесконечная версия картофельного чипса Принглс. Эта форма, часто обозначаемая как седловина, является разновидностью вселенной на сфере: в то время как сфера симметрично раздувается наружу, седловина симметрично сжимается внутрь, как показано на Рис. 8.6. Используя немного математической терминологии, скажем, что сфера имеет положительную кривизну (выдавливается наружу от плоскости), седловина имеет отрицательную кривизну (сжимается внутрь от плоскости), а плоское пространство, – как бесконечное, так и конечное, – не имеет кривизны (не выдавливается и не сжимается).*

(*)"Точно так же, как экран видеоигры дает версию плоского пространства конечного размера, которая не имеет краев или границ, имеются версии седловой формы конечного размера, которые также не имеют краев или границ. Я не хочу обсуждать это далее, запомним лишь, что это подразумевает, что все три возможные кривизны (положительная, нулевая и отрицательная) могут быто реализованы в формах конечного размера без краев или границ. (Тогда, в принципе, космический Магеллан смог бы осуществить космическую версию своего путешествия во вселенной, чья кривизна задана любой из трех возможностей)."

Исследователи доказали, что этот список – однородно положительная, отрицательная или нулевая – исчерпывает возможные виды кривизны для пространства, которое соответствует требованию симметрии между всеми положениями и всеми направлениями. И это по-настоящему великолепно. Мы говорим о форме всей вселенной, для которой имеется бесконечное число возможностей в чем-либо. Однако, призвав безмерную силу симметрии, исследователи оказались в состоянии резко уменьшить возможности. Так что, если вы позволяете симметрии руководить вашим ответом, и ваш полуночный интервьюер подарит вам целую горсть гипотез, вы будете в состоянии принять его вызов.

Рис 8.6 Использование двумерной аналогии для пространств, где имеются три типа кривизны, которые полностью симметричны – то есть, кривизны, в которых вид из любой точки одинаков с видом из любой другой. Это (а) положительная кривизна, которая однородно раздувается вовне, как на сфере; (b) нулевая кривизна, которая совсем не раздувается, как на бесконечной плоскости или конечном экране видеоигры; (c) отрицательная кривизна, которая однородно сжимается внутрь, как на седловине.

И все же вы можете удивиться, почему мы пришли к множеству возможных форм ткани пространства. Мы обитаем в одной вселенной, так почему мы не можем уточнить однозначную форму? Ну, только формы, которые мы перечислили, соответствуют нашей уверенности, что каждый наблюдатель, не зависимо от того, где во вселенной он находится, должен видеть на больших масштабах одинаковый космос. Но такое применение симметрии, хотя и высоко селективно, не может пройти весь путь и указать однозначный ответ. Для этого нам нужны уравнения Эйнштейна из ОТО.

В качестве входных данных уравнения Эйнштейна принимают количество материи и энергии во вселенной (предполагая опять из соображений симметрии, что они распределены однородно), а на выходе они дают кривизну пространства. Сложность в том, что на протяжении многих десятилетий астрономы не могли прийти к согласию, сколько материи и энергии на самом деле имеется. Если вся материя и энергия во вселенной была бы размазана однородно по пространству, и если после этого оказалось бы, что превышена так называемая критическая плотность около 10–23 грамм на каждый кубический метр* – около пяти атомов водорода на кубический метр, – уравнения Эйнштейна дадут положительную кривизну пространства; если плотность будет меньше критической, уравнения проведут к отрицательной кривизне; если плотность будет в точности равна критической, уравнения будут говорить нам, что пространство не имеет глобальной кривизны. Поскольку эта проблема наблюдений была уже определенно решена, наиболее уточненные данные склоняются на сторону отсутствия кривизны – плоская форма. (Но вопрос о том, может ли Энерджайзер Банни всегда двигаться в одном направлении и пропасть в темноте или однажды он замкнет круг и обнаружит вас со спины, – продолжается ли пространство всегда или замыкается подобно видеоэкрану, – все еще полностью открыт).

(*) "Сегодня материя во вселенной более распространена, чем радиация, так что критическую плотность удобно выражать в единицах, наиболее значимых для массы, – граммы на кубический метр. Отметим также, что хотя 10 –23 грамм на кубический метр может не выглядит как очень много, в космосе очень много кубических метров пространства. Более того, возвратившись назад во времени, вы увидите, что чем меньше пространство, в котором размазана масса/энергия, тем более плотной становится вселенная."

Даже так, даже без окончательного ответа на вопрос о форме космической ткани, что достаточно ясно, так это то, что симметрия является существенным понятием, позволяющим нам осмысливать пространство и время применительно к вселенной как к целому. Без привлечения мощи симметрии мы бы завязли на первом ухабе.

Космология и пространство-время

Теперь мы можем проиллюстрировать космическую историю через объединение концепции расширяющегося пространства и описания пространства-времени через батон хлеба из Главы 3. Вспомним, в представлении батона хлеба каждое сечение – даже если оно двумерное – представляет все трехмерное пространство в отдельный момент времени с точки зрения одного отдельного наблюдателя. Другие наблюдатели разрезают батон под другими углами, зависящими от деталей их относительного движения. В примерах, с которым мы сталкивались ранее, мы не принимали во внимание расширение пространства и, напротив, представляли, что ткань космоса фиксирована и неизменна во времени. Теперь мы можем уточнить те примеры, включив космологическую эволюцию.

Чтобы сделать это, рассмотрим точку зрения наблюдателей, которые покоятся по отношению к пространству – это значит, наблюдателей, чье движение возникает исключительно за счет космического расширения, точно так же как у приклеенных к воздушному шару монеток с Линкольнами. Еще раз, даже если они двигаются относительно других, имеется симметрия относительно всех таких наблюдателей – их часы согласованы – так что они разрезают батон пространства-времени в точности одинаковым образом. Только относительное движение в добавление к движению, происходящему из пространственного расширения, только относительное движение через пространство, в противоположность движению из-за раздувающегося пространства, будет приводить к рассинхронизации их часов и расположеню их сечений в пространственно-временном батоне под разными углами. Мы также нуждаемся в точном определении формы пространства, и для целей сравнения мы рассмотрим некоторые из обсужденных выше возможностей.

Простейший пример для описания – это плоская и конечная форма, форма видеоигры.

На Рис. 8.7а мы показываем одно сечение в такой вселенной, которое вы должны рассматривать как схематический образ, представляющий все пространство прямо сейчас. Для простоты представим, что наша галактика, Млечный Путь, находится в середине фигуры, но держим в памяти, что нет местоположения, которое любым образом было бы выделено по сравнению с любым другим. Даже края иллюзорны. Верхняя часть не есть место, где пространство заканчивается, поскольку вы можете пройти через нее и появиться снова внизу; аналогично, левая сторона не есть место, где пространство заканчивается, поскольку вы можете пересечь ее и появиться снова на правой стороне. Чтобы соответствовать астрономическим наблюдениям, каждая сторона должна распространяться, по меньшей мере, на 14 миллиардов световых лет (около 85 миллиардов триллионов миль) от своей центральной точки, но каждая может быть и намного больше.

Отметим, что прямо сейчас мы не можем буквально видеть звезды и галактики, относящиеся к данному сечению настоящего, поскольку, как мы обсуждали в Главе 5, для света, испущенного любым объектом прямо сейчас, требуется время, чтобы достичь нас. Напротив, свет, который мы видим, когда мы смотрим вверх в ясную темную ночь, испущен очень давно – миллионы и даже миллиарды лет назад – и только сейчас завершил долгий путь к Земле, попав в наш телескоп и позволив нам восхититься чудесами глубокого пространства. Поскольку пространство расширяется, эпохи назад, когда этот свет был испущен, вселенная была намного меньше. Мы иллюстрируем это на Рис. 8.7b, на котором мы отметили наше текущее сечение настоящего на правой стороне батона и включили последовательность сечений налево, которые изображают нашу вселенную во все более ранние моменты времени. Как вы можете видеть, как общий размер пространства, так и и расстояния между отдельными галактиками уменьшаются, когда мы рассматриваем вселенную во все более ранние моменты.

Рис 8.7 (а) Схематическое представление изображения всего пространства прямо сейчас, в предположении, что пространство плоское и конечное по протяженности, т. е. имеющее форму экрана видеоигры. Отметим, что галактика вверху справа совпадает с галактикой вверху слева (зацикленность), (b) схематическое представление изображения всего пространства в его эволюции во времени, с несколькими временными сечениями, выделенными для ясности. Отметим, что полный размер пространства и расстояние между галактиками уменьшаются, когда мы смотрим все дальше назад во времени.

На Рис. 8.8 вы можете также видеть историю света, эмитированного удаленной галактикой, возможно, миллиард лет назад, когда он путешествует по направлению к нам сюда в Млечный Путь. На начальном сечении в Рис. 8.8а, свет сначала испускается, и через последовательные сечения вы можете видеть свет, становящийся все более и более близким, как раз пока вселенная становится больше и больше, и, наконец, вы можете видеть его достигнувшим нас на самом правом временном сечении. На Рис. 8.8b, соединяя местоположения на каждом сечении, через которые проходит фронт света во время своего путешествия, мы покажем путь света через пространство-время. Поскольку мы получаем свет со многих направлений, Рис 8.8с показывает пример траекторий через пространство и время, которые различные лучи света выбирают, чтобы достичь нас.

Рис 8.8 (а) Свет, испущенный очень давно из удаленной галактики оказывается все ближе и ближе к Млечномй Пути, что показано на последовательных временных сечениях. (b) Когда мы, наконец, увидим удаленную галактику, мы смотрим на нее как через пространство, так и через время, поскольку свет, который мы видим, испущен очень давно. Выделен путь через пространство-время, который прошел свет. (c) Пути через пространство-время, выбираемые светом, эмитированным различными астрономическими телами, которые мы видим сегодня.

Рисунки ярко показывают, как свет из пространства может быть использован как вместилище космического времени. Когда мы смотрим на галактику Андромеды, свет, который мы получаем, был испущен примерно 3 миллиона лет назад, так что мы видим Андромеду такой, какой она была в далеком прошлом. Когда мы смотрим на скопление Волосы Вероники (скопление галактик Кома), свет, который мы получаем, был испущен около 300 миллионов лет назад, и поэтому мы видим скопление Волосы Вероники таким, каким оно было в еще более ранние эпохи. Если прямо сейчас все звезды во всех галактиках этого скопления станут сверхновыми, мы будем все еще наблюдать невозмущенный образ скопления Волосы Вероники, и это будет так еще 300 миллионов лет; только тогда свету от взорвавшихся звезд хватит времени, тобы достичь нас. Аналогично, астроном в скоплении Кома, который на нашем текущем сечении настоящего направил сверхмощный телескоп по направлению к Земле, будет видеть изобилие папоротников, членистоногих и ранних рептилий; он не будет видеть Великую Китайскую Стену или Эйфелеву башню еще почти 300 миллионов лет. Конечно, этот астроном, хорошо разбирающийся в основах космологии, осознает, что он видит свет, эмитированный из давнего прошлого Земли, и, разбивая его собственный космический пространственно-временной батон, будет относить ранние земные бактерии к своей соответствующей эпохе, своему подходящему выбору темпорального сечения.

Все это предполагало, что как мы, так и астроном из скопления Волос Вероники, двигаемся только с космическим течением от пространственного расширения, поскольку это гарантирует, что его сечения пространственно-временного батона соответствуют нашим, – это гарантирует, что его списки настоящего согласуются с нашими.

Рис 8.9 Временное сечение наблюдателя, обладающего существенным дополнительным движением по отношению к космическому потоку от расширения пространства.

 Однако, если он нарушит шеренгу и двинется через пространство существенно в дополнение к космическому течению, его сечения будут наклонены по отношению к нашим, как на Рис. 8.9. В этом случае, как мы нашли вместе с Шеви в Главе 5, настоящее этого астронома будет соответствовать тому, что мы рассматриваем как будущее или как прошлое (в зависимости от того, направлено ли дополнительное движение к нам или от нас). Отметим, однако, что его сечения больше не будут пространственно однородны. Каждое наклоненное сечение на Рис. 8.9 пересекает вселенную в ряде различных эпох, так что сечения далеки от однородных. Это существенное усложнение описания космической истории, из-за которого физики и астрономы в целом не рассматривают такие точки зрения. Вместо этого они обычно рассматривают только точку зрения наблюдателей, которые двигаются только с космическим потоком, поскольку это дает сечения, которые однородны, – но, строго говоря, каждая точка зрения применима так же, как и любая другая.

Как мы видим дальше в левой стороне космического пространственно-временного батона вселенная становится все меньше и все плотнее. И точно так же, как велосипедная камера становится горячее и горячее, когда вы вдуваете в нее все больше и больше воздуха, вселенная становится все горячее и горячее по мере того, как материя и излучение сжимаются все более и более тесно за счет уменьшения пространства. Если мы обратимся назад к моменту всего лишь одной десятимиллионной доли секунды после начала, вселенная будет столь плотна и столь горяча, что обычная материя распадется на первичную плазму из составляющих элементарной природы. И если мы продолжим наше путешествие назад, прямо к моменту вблизи самого нуля времени – времени Большого взрыва – вся известная вселенная сожмется до размера, по сравнению с которым точка в конце этого предложения выглядит гигантской.

Рис 8.10 Космическая история – пространственно-временной "батон" – для вселенной, которая плоская и имеет конечную пространственную протяженность. Нечеткость наверху обозначает недостаток наших знаний об областях вблизи начала вселенной.

Плотности в такую раннюю эпоху были настолько велики, а условия настолько экстремальны, что самые усовершенствованные физические теории, которые мы сегодня имеем, не могут дать нам проникновение в происходящее. По причинам, которые будут становиться все более ясными, высокоуспешные законы физики, разработанные в двадцатом столетии, не действуют больше при таких напряженных условиях, оставляя нас без руководства в нашем походе к пониманию начала времен. Мы коротко увидим, что недавние исследования обеспечивают дающий надежду свет маяка, но до сих пор мы понимаем неполноту наших знаний о том, что происходило в начале при приближении к размытому пятнышку далеко слева на космическом пространственно-временном батоне, – нашей версии terra incognita на картах прошлого. С этим последним замечанием мы представляем Рис. 8.10, как примерную иллюстрацию космической истории.

Альтернативные формы

Пока мы предполагали, что пространство имеет форму, подобную экрану видеоигры, но ситуация имеет много тех же самых особенностей и для других возможностей. Например, если данные в конце концов покажут, что форма пространства сферическая, то тогда по мере того, как мы движемся все дальше назад во времени, размер сферы становится все меньше, вселенная становится все горячее и плотнее, и при нулевом времени мы столкнемся с некоторой разновидностью начала типа Большого взрыва. Изображение иллюстрации, аналогичной Рис. 8.10, проблематично, поскольку сферы не сопоставимы четко одна с другой (вы можете, например, представить "сферический батон", в котором каждое сечение является сферой, которая окружает предыдущую), но в стороне от графических трудностей физика почти совершенно та же. Случаи бесконечного плоского пространства и бесконечного седлообразного пространства также обладают многими одинаковыми особенностями вместе с двумя уже обсуждавшимися формами, но они отличаются в одном существенном смысле. Посмотрим на Рис. 8.11, на котором сечения представляют плоское пространство, которое бесконечно протяженно (конечно, мы можем показать только его часть). Когда вы наблюдаете все более ранние времена, пространство сжимается; галактики становятся все ближе и ближе друг к другу, чем дальше назад вы смотрите на Рис 8.11b. Однако общий размер пространства остается тем же самым. Почему? Ну, бесконечность забавная вещь. Если пространство бесконечно и вы сокращаете все расстояния на множитель два, размер пространства становится равным половине от бесконечности, что все еще равно бесконечности. Так что, хотя все вещи сближаются друг с другом и плотности становятся все выше, когда вы направляетесь все дальше назад во времени, общий размер вселенной остается бесконечным; вещи становятся более плотными везде на протяжении бесконечного пространства. Это дает весьма отличающийся образ Большого взрыва.

Обычно мы представляем вселенную, начинающуюся с точки, грубо как на Рис. 8.10, на котором нет внешнего пространства или времени. Тогда, при таком виде взрыва, пространство и время развертываются от их сжатой формы и расширяющаяся вселенная начинает полет. Но если вселенная пространственно бесконечна, уже имеется бесконечная пространственная протяженность в момент Большого взрыва. В этот начальный момент плотность энергии повышается и достигаются несравнимые ни с чем температуры, но эти экстремальные условия существуют везде, а не только в одной отдельной точке. В такой обстановке Большой взрыв не имел места в одной точке; напротив, Большой взрыв имел место везде на бесконечной протяженности. По сравнению с обычным точечным началом, это похоже на много Больших взрывов в каждой точке бесконечной пространственной протяженности. После Взрыва пространство раздувалось, но его общий размер не возрастал, поскольку нечто, уже бесконечное, не может стать еще больше. Что возрастало, так это расстояния между объектами вроде галактик (как только они сформировались), как вы можете видеть, посмотрев слева направо на Рис 8.11b. Наблюдатель вроде вас или меня, посмотрев наружу из одной галактики или из другой, увидит все окружающие галактики разбегающимися прочь, точно так же, как открыл Хаббл.

Имеем в виду, что этот пример бесконечного плоского пространства намного больше, чем чисто академический. Мы увидим, что имеются веские основания считать, что общая форма пространства не искривленная, а поскольку до сих пор нет оснований считать, что пространство имеет форму экрана видеоигры, плоская бесконечно большая пространственная форма является передовой областью споров для крупномасштабной структуры пространства-времени.

Рис 8.11 (а) Схематическое изображение бесконечного пространства, населенного галактиками, (b) Пространство сокращается во все более ранние времена, – так что галактики становятся ближе и более плотно упакованными в ранние времена, – но общий размер бесконечного пространства остается бесконечным. Наше неведение относительно того, что происходило в самые ранние времена обозначено размытым пятном, но здесь пятно распространено по всей бесконечной пространственной протяженности.

Космология и симметрия

Соображения симметрии явно были необходимыми в разработке современной космологической теории. Понятие времени, его применимость ко вселенной как целому, общая форма пространства и даже лежащая в основании схема ОТО – все они остаются на фундаменте симметрии. Даже в этих условиях, имеется еще и другой способ, в котором идеи симметрии наполняют эволюционирующий космос. В ходе его истории температура вселенной охватывала огромный диапазон от невыносимо горячих моментов сразу после Взрыва до нескольких градусов выше абсолютного нуля, которые мы находим сегодня, если вы поместите термометр в глубокое пространство. И, как я буду объяснять в следующей главе, вследствие критической взаимозависимости между теплом и симметрией то, что мы видим сегодня, является вероятным, но холодным остатком намного более богатой симметрии, которая формировала раннюю вселенную и предопределяла некоторые из самых привычных и существенных особенностей космоса.

 

9 Испаряя ваккум

ТЕПЛОТА, ПУСТОТА И ОБЪЕДИНЕНИЕ

В течение времени, составляющего около 95 процентов истории вселенной, космический корреспондент, интересующийся приблизительной, всеобъемлющей формой вселенной, сообщал бы более или менее одинаковый сюжет: вселенная продолжает расширяться. Материя продолжает рассеиваться вследствие расширения. Плотность вселенной продолжает уменьшаться. Температура продолжает падать. На самых больших масштабах вселенная сохраняет симметричный однородный вид. Но не всегда можно было так спокойно описывать космос. Самые ранние этапы требуют крайне беспокойных сообщений, поскольку в те начальные моменты вселенная испытывала быстрые изменения. И мы теперь знаем, что то, каким образом все тогда происходило, сыграло определяющую роль в том, что мы наблюдаем сегодня.

В этой главе мы сфокусируемся на критических моментах в первые доли секунды после Большого взрыва, когда, как мы верим, количество симметрии, заключенной во вселенной, неожиданно менялось, причем с каждым изменением запускались совершенно различные эпохи в космической истории. В то время как сейчас корреспондент может неспешно фиксировать в нескольких одинаковых строчках каждые несколько миллиардов лет, в те ранние моменты быстрых изменений симметрии его работа должна была быть заметно более напряженной, поскольку основная структура материи и сил, отвечающих за ее поведение, была полностью необычной. Причина связана с взаимной игрой между теплотой и симметрией и требует полного переосмысления того, что мы думаем о понятиях пустого пространства и пустоты. Как мы увидим, такое переосмысление не только существенно улучшает наше понимание вселенной в первые моменты, но так же и подводит нас на шаг ближе к осуществлению мечты, которая восходит к Ньютону, Максвеллу и, в особенности, к Эйнштейну, – мечты об объединении. Так же важно, что эти разработки открывают этап более современной космологической схемы, инфляционной космологии, подхода, который заявляет ответы на некоторые наиболее тяжелые вопросы и наиболее трудные загадки, по поводу которых стандартная модель Большого взрыва молчит.

Теплота и симметрия

Когда вещи становятся очень горячими или очень холодными, они иногда изменяются. И иногда изменения столь вопиющие, что вы даже не можете распознать вещь, с которой вы начинали. Вследствие горячих условий сразу после Взрыва и последовавшего быстрого падения температуры по мере расширения и охлаждения пространства, понимание последствий изменения температуры является ключевым в попытках разобраться с ранней историей вселенной. Но начнем проще. Начнем со льда.

Если вы нагреваете очень холодный кусочек льда, сначала ничего особого не происходит. Хотя его температура растет, его внешний вид остается почти совсем неизменным. Но если вы повысите его температуру любым способом до 0 градусов Цельсия и сохраните нагрев в прежнем положении, внезапно произойдет нечто драматическое. Твердый лед начнет таять и превратится в жидкую воду. Пусть привычность этой трансформации не лишает спектакль яркости. Без предыдущих опытов, включающих лед и воду, было бы проблематично осознать внутреннюю связь между ними. Одно является твердым телом каменной твердости, тогда как другое является вязкой жидкостью. Простые наблюдения не обнаруживают прямых признаков того, что их молекулярный состав, Н2О, идентичен. Если вы никогда до сих пор не видели лед или воду, и вам представили бак того и другого вещества, сначала вы, вероятно, подумаете, что они никак не связаны. И уже когда каждый пересекает границу 0 градусов Цельсия, вы становитесь свидетелем удивительной алхимии, когда каждое вещество превращается в другое.

Если вы продолжите нагревать жидкую воду, вы снова найдете, что пока ничего не будет происходить при равномерном росте температуры. Но когда вы достигнете 100 градусов Цельсия, произойдет другое резкое изменение: жидкая вода начнет кипеть и превратится в пар, горячий газ, который опять-таки не очевидно связан с жидкой водой или твердым льдом. Хотя, конечно, все три вещества имеют одинаковый молекулярный состав. Изменения от твердого к жидкому и от жидкого к газу известны как фазовые переходы. Многие вещества проходят через сходную последовательность изменений, если их температура изменяется в достаточно широком диапазоне.

Симметрия играет центральную роль в фазовых переходах. Почти во всех случаях, если вы сравните подходящие измерения симметрии чего-либо до и после того, как это что-либо пройдет через фазовый переход, вы найдете существенное изменение. На молекулярных масштабах, например, лед имеет кристаллическую форму, в которой молекулы Н2О расположены в упорядоченной гексагональной решетке. Подобно симметриям ящика на Рис. 8.1, полный рисунок молекул льда остается неизменным только при определенных специальных преобразованиях, таких как вращения на угол 60 градусов относительно отдельных осей гексагонального расположения. Напротив, когда мы нагреем лед, кристаллическое расположение расплавится в беспорядочную однородную массу молекул, – жидкую воду, – которая остается неизменной при вращениях на любой угол относительно любой оси. Итак, путем нагревания льда и побуждения его перейти через фазовый переход твердое тело/жидкость, вы делаете его более симметричным. (Вспомним, что хотя вы можете интуитивно подумать, что нечто более упорядоченное, как лед, является и более симметричным, правильным является совершенно противоположное; нечто более симметрично, если оно может быть подвергнуто большему числу преобразований, таких как вращения, при которых его внешний облик остается неизменным).

Аналогично, если мы нагреваем жидкую воду и она переходит в газообразный пар, фазовый переход также приводит к росту симметрии. В массе воды индивидуальные молекулы Н2О, в среднем, упакованы так, что водородная сторона одной молекулы соседствует с кислородной стороной ее соседки. Если вы повернули ту или иную молекулу в массе воды, она будет заметно нарушать молекулярный узор. Но когда вода выкипает и переходит в пар, молекулы летают здесь и там свободно; тут нет больше никакого узора ориентаций молекул Н2О, и отсюда, когда вы поворачиваете молекулу или группу молекул, газ будет выглядеть тем же самым. Итак, точно так же как переход от льда к воде приводит к росту симметрии, переход от воды к пару приводит к тому же. Большинство (но не все) из веществ ведут себя сходным образом, испытывая повышение симметрии, когда они подвергаются переходу из твердой фазы в жидкую и из жидкой в газообразную.

Ситуация почти такая же, когда вы охлаждаете воду или почти любое другое вещество; все имеет место с точностью до наоборот. Например, когда вы охлаждаете газообразный пар, сначала ничего не происходит, но когда температура падает до 100 градусов Цельсия, внезапно начинается конденсация в жидкую воду; когда вы охлаждаете жидкую воду, ничего не будет происходить, пока вы не достигнете 0 градусов Цельсия, при которых внезапно начинается замерзание в твердый лед. И, следуя тем же рассуждениям относительно симметрии – но наоборот – мы заключаем, что оба из этих фазовых переходов сопровождаются снижением симметрии.*

(*) "Даже если уменьшение симметрии означает, что некоторые преобразования проходят незамеченными, тепло, переданное окружению во время такой трансформации, гарантирует, что полная энтропия, – включая энтропию окружения, – все еще возрастает."

Так много о льде, воде, паре и их симметриях. Как все это должно быть связано с космологией? Ну, в 1970е годы физики обнаружили, что не только объекты во вселенной могут испытывать фазовые переходы, но и космос как целое также может это делать. На протяжении последних 14 миллиардов лет вселенная неуклонно расширялась и становилась более разреженной. И точно так же, как при спускании велосипедной камеры она охлаждается, температура расширяющейся вселенной неуклонно падает. В течение большей части этого уменьшения температуры ничего особого не происходит. Но имеются основания быть уверенным, что когда вселенная переходила через особые критические температуры, – аналоги 100 градусов Цельсия для пара и 0 градусов Цельсия для воды, – она подвергалась радикальному изменению и испытывала резкое уменьшение симметрии. Многие физики уверены, что мы теперь живем в "конденсированной" или "замороженной" фазе вселенной, той, что крайне отличается от более ранних эпох. Космологические фазовые переходы не заключаются буквально в конденсации газа в жидкость или в замерзании жидкости в твердое тело, хотя имеется много качественно сходных свойств с этими более привычными примерами. Скорее, "вещество", которое конденсируется или замерзает, когда вселенная охлаждается до особой температуры, является полем – более точно, Хиггсовым полем. Посмотрим, что это означает.

Сила, материя и Хиггсовы поля

Поля обеспечивают каркас для большей части современной физики. Электромагнитное поле, обсуждавшееся в Главе 3, является, возможно, простейшим и наиболее широко оцененным из природных полей. Проводя жизнь среди радио и телевизионных передач, телефонных коммуникаций, солнечного тепла и света, мы все постоянно купаемся в море электромагнитных полей. Фотоны являются элементарными составляющими электромагнитных полей и могут рассматриваться как микроскопические переносчики электромагнитной силы. Когда вы что-нибудь видите, вы можете думать об этом в терминах волнового электромагнитного поля, входящего в ваш глаз и стимулирущего вашу сетчатку, или в терминах частиц-фотонов, входящих в ваш глаз и делающих то же самое. По этой причине фотон временами описывается как частица-переносчик электромагнитной силы.

Гравитационное поле также привычно, поскольку оно постоянно и единообразно удерживает нас и все остальное вокруг нас на земной поверхности. Как и с электромагнитными полями, мы все погружены в море гравитационных полей; Земля доминирует, но мы также чувствуем гравитационные поля Солнца, Луны и других планет. Точно так же, как фотоны являются частицами, которые составляют электромагнитное поле, физики уверены, что частицами, которые составляют гравитационное поле, являются гравитоны. Гравитоны все еще не открыты экспериментально, но это не удивительно. Гравитация является слабейшей из всех сил (например, обычный магнит, который вешается на холодильник, может поднять скрепку для бумаги, тем самым преодолев притяжение всей земной гравитации), так что вполне понятно, что экспериментаторы еще не уловили мельчайшие составляющие слабейшей силы. Однако, даже без экспериментального подтверждения большинство физиков уверено, что точно так же, как фотоны передают электромагнитную силу (они являются частицами-переносчиками электромагнитных сил), гравитоны передают гравитационную силу (они являются частицами-переносчиками сил тяготения). Когда вы роняете стакан, вы можете думать о происходящем в терминах гравитационного поля Земли, притягивающего стакан, или, используя более изощренное геометрическое описание Эйнштейна, вы можете думать об этом в терминах того, что стакан соскальзывает вдоль углубления в ткани пространства-времени, вызванного присутствием Земли, или, – если гравитоны на самом деле существуют, – вы можете также думать об этом в терминах испускания и поглощения гравитонов между Землей и стаканом, передающего гравитационное "сообщение", которое "приказывает" стакану падать к Земле.

Вне этих хорошо известных силовых полей имеются две другие силы природы, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие, и они также оказывают свое влияние через поля. Ядерные силы менее привычны, чем электромагнетизм и гравитация, поскольку они действуют только на атомных и субатомных масштабах. Но даже при этом их влияние на повседневную жизнь через ядерные реакции, заставляющие Солнце светить, ядерные реакции при работе атомных реакторов, а также радиоактивный распад элементов вроде урана и плутония не менее важно. Поля сильного и слабого ядерного взаимодействия называются полями Янга-Миллса в честь Ч.Н. Янга и Роберта Миллса, которые разработали в 1950-е их теоретические обоснования. И точно так же, как электромагнитные поля составлены из фотонов, а поля тяготения, как мы верим, должны быть составлены из гравитонов, сильные и слабые поля также имеют частицы в качестве составляющих. Частицы сильного взаимодействия называются глюонами, а частицы слабого взаимодействия называются W- и Z-частицами. Существование этих частиц взаимодействия было подтверждено экспериментами на ускорителях, проведенными в Германии и Швейцарии в конце 1970х и начале 1980х.

Полевая основа также применима и к материи. Грубо говоря, вероятностные волны квантовой механики сами могут мыслиться как заполняющие пространство поля, которые обеспечивают вероятность, что та или иная частица материи находится в том или ином месте. Например, электрон может рассматриваться как частица, – одна из тех, что могут оставить точку на фосфорецирующем экране, как на Рис. 4.4, – но он может (и должен) также рассматриваться в терминах волнового поля, одного из тех, которые дают вклад в интерференционную картину на фосфоресцирующем экране, как на Рис. 4.3b. Фактически, хотя я не хочу здесь вдаваться в большие детали, вероятностная волна электрона тесно связана с некоторым электронным полем – полем, которое во многих смыслах сходно с электромагнитным полем, но в котором электрон играет роль, аналогичную фотонам, будучи мельчайшей составляющей электронного поля. Такой же вид полевого описания сохраняет справедливость также и для всех других видов частиц материи.

Обсуждая вместе поля материи и поля сил (взаимодействий), вы можете подумать, что мы охватили все. Но имеется общее согласие, что изложение истории до сих пор не вполне завершено. Многие физики твердо уверены, что еще имеется третий тип полей, который никогда экспериментально не наблюдался, но который в течение последней пары десятилетий играл стержневую роль как в новейших космологических теориях, так и в физике элементарных частиц. Он называется полем Хиггса в честь шотландского физика Петера Хиггса. И если идеи из следующей секции правильны, вся вселенная пронизана океаном Хиггсовых полей, – холодным следом Большого взрыва, – который отвечает за многие свойства частиц, составляющих меня, вас и что угодно другое, с чем мы постоянно сталкиваемся.

Поля в охлаждающейся вселенной

Поля реагируют на температуру сильнее, чем обычная материя. Чем выше температура, тем более яростно будет волноваться вверх и вниз величина поля – подобно поверхности быстро закипающего котелка воды. При холодных температурных характеристиках глубокого пространства сегодня (2,7 градуса выше абсолютного нуля или, как обычно обозначают, 2,7 Кельвинов) или даже при более теплых температурах здесь на Земле, волнения полей ничтожны. Но температуры сразу после Большого взрыва были столь огромны, – через 10–43 секунды после Взрыва температура оценивается величиной около 1032 Кельвинов, – что все поля неистово вздымались туда и сюда.

Раз вселенная расширяется и охлаждается, начальная гигантская плотность материи и излучения неуклонно падает, безбрежные просторы вселенной становятся все более пустыми, и волнения полей становятся все более ослабленными. Для большинства полей это означает, что их величина, в среднем, стремится к нулю. В некоторый момент величина отдельного поля может слабо подняться выше нуля (пик), а моментом позже она может слабо опуститься ниже нуля (впадина), но в среднем величина большинства полей приближается к нулю – величине, которую мы интуитивно ассоциируем с отсутствием чего-либо или с пустотой.

Именно тут появляется поле Хиггса. Исследователи пришли к пониманию, что есть множество полей, которые имели свойства, сходные с другими полями при обжигающе высоких температурах сразу после Большого взрыва: они дико флуктуировали вверх и вниз. Но исследователи уверены, что (точно так же, как пар конденсируется в жидкую воду, когда его температура существенно падает) когда температура вселенной существенно упала, Хиггсово поле сконденсировалось в особую ненулевую величину по всему пространству. Физики говорят об этом как о формировании ненулевой величины вакуумного среднего Хиггсова поля – но, чтобы упростить технический жаргон, я буду говорить об этом как о формировании Хиггсова океана.

Это похоже на то, что будет происходить, если вы бросите лягушку в горячую металлическую чашу, как показано на Рис. 9.1а, с кучей червей, лежащей в центре. Сначала лягушка будет прыгать так и сяк – высоко вверх, глубоко вниз, влево, вправо – в отчаянных попытках спасти свои лапы от ожога, и в среднем будет находиться так далеко от червей, что даже не будет знать, что они здесь есть. Но по мере остывания чаши лягушка будет успокаиваться, будет прыгать совсем через силу и, вместо этого, будет мягко скатываться в наиболее спокойное место на дне чаши. Там, приблизившись к центру чаши, она наконец встретится со своим ужином, как показано на Рис. 9.1b.

Но если чаша имеет иную форму, как на Рис. 9.1с, события будут раскручиваться иначе. Представьте опять, что чаша сначала очень горяча и что куча червей все еще лежит в центре чаши, но теперь он приподнят центральной выпуклостью. Если вы бросаете лягушку, она опять будет дико прыгать так и сяк, оставаясь в неведении относительно приза, возвышающегося на центральном плато. Теперь, когда чаша остынет, лягушка опять будет затихать, уменьшать свои прыжки, и сползет вниз по скользкому боку чаши. Но из-за новой формы лягушка никогда не достигнет центра чаши. Вместо этого она сползет в выемку чаши и останется на расстоянии от кучи червей, как показано на Рис. 9.1d.

----

(а) (b)

Рис 9.1 (а) Лягушка, брошенная в горячую металлическую чашу, постоянно прыгает по ней, (b) когда чаша остывает, лягушка успокаивается, прыгает много меньше и скатывается вниз к середине чаши.

----

(c) (d)

Рис 9.1 (c) Как и в (а), но с горячей чашей иной формы, (d) как и в (b), но теперь, когда чаша остывает, лягушка сползает вниз в выемку, которая находится на некотором расстоянии от центра чаши (где сосредоточены черви).

 Если мы представим, что расстояние между лягушкой и кучей червей представляет величину поля, – чем дальше лягушка от червей, тем больше величина поля, – а высота положения лягушки представляет энергию, содержащуюся в такой величине поля, – чем выше лягушка может быть в чаше, тем большую энергию содержит поле, – тогда эти примеры хорошо передают поведение полей, когда вселенная охлаждается. Когда вселенная горяча, поля дико прыгают от величины к величине, почти как лягушка прыгает с места на место в чаше. Когда вселенная охлаждается, поля "успокаиваются", прыгают менее часто и менее безумно и их величина сползает вниз к меньшей энергии.

Но здесь есть одно обстоятельство. Как и в примере с лягушкой, тут есть возможность двух качественно разных исходов. Если форма энергии поля – чаша, – это так называемая потенциальная энергия поля, – подобна Рис. 9.1а, величина поля во всем пространстве будет сползать всеми способами вниз к нулю, к центру чаши, точно так же, как лягушка любым путем сползает к куче червей. Однако, если потенциальная энергия выглядит подобно Рис. 9.1с, величина поля не будет любым путем достигать нуля, центра энергетической чаши. Вместо этого, точно так же, как лягушка сползет вниз в выемку, которая находится на ненулевом расстоянии от кучи червей, величина поля также сползет вниз в выемку, – ненулевое расстояние от центра чаши, – что означает, что поле будет иметь ненулевую величину. Последнее поведение является характеристикой Хиггсовых полей. Когда вселенная остывает, величина Хиггсова поля захватывается во впадине и никогда не становится нулевой. А поскольку то, что мы описываем, будет происходить однородно во всем пространстве, вселенная будет пропитана однородным и ненулевым Хиггсовым полем – Хиггсовым океаном.

Причина того, что это происходит, проливает свет на фундаментальную специфику Хиггсовых полей. Когда область пространства становится все холоднее и пустыннее, – когда материя и излучение становятся все более редкими, – энергия в области становится все более низкой. Доведя это до предела, вы знаете, что вы можете достигнуть пустейшей области пространства, когда вы понизите ее энергию настолько, насколько это возможно. Для обычных полей, наполняющих область пространства, их вклад в энергию наименьший, когда их величина любым путем сползет вниз к центру чаши, как на Рис. 9.1b; они имеют нулевую энергию, когда их величина равна нулю. Это имеет хороший интуитивный смысл, поскольку мы ассоциируем опустошение области пространства с выбором чего угодно, включая полевые величины, равным нулю.

Но для Хиггсова поля дела обстоят иначе. Точно так же, как лягушка может достичь центрального плато на Рис. 9.1с и сократить до нуля расстояние до кучи червей только если она имеет достаточно энергии, чтобы подпрыгнуть из окружающей плато выемки, Хиггсово поле может достичь центра чаши и стать нулевым по величине только если оно запасло достаточно энергии, чтобы преодолеть центральную выпуклость чаши. Если, напротив, лягушка имеет мало или совсем не имеет энергии, она сползет в выемку на Рис. 9.1d – на ненулевую дистанцию от кучи червей. Аналогично, Хиггсово поле с малой энергией или без энергии также сползет в выемку чаши – на ненулевую дистанцию от центра чаши – и отсюда оно будет иметь ненулевую величину.

Чтобы заставить поле Хиггса иметь нулевую величину, – величину, которая кажется наиболее близкой к тому, когда вы можете подойти к полному удалению полей из области пространства, величине, которая кажется наиболее близкой к тому, когда вы можете подойти к состоянию пустоты, – вы должны повысить его энергию и, с точки зрения энергии, область пространства будет не столь пуста, как она, возможно, могла бы быть. Даже если это звучит противоречиво, удаление Хиггсова поля, – то есть, уменьшение его величины до нуля, – равносильно добавлению энергии в область. В качестве грубой аналогии подумаем об одних из тех необычных уменьшающих помехи наушников, которые производят волны звука, чтобы прекратить волны, приходящие из окружающей среды, которые, в противном случае, будут посягать на ваши барабанные перепонки. Если наушники работают идеально, вы слышите тишину, когда они производят свой звук, но вы слышите рассеянный шум, если вы выключите их. Исследователи пришли к уверенности, что точно так же, как вы слышите меньше, когда наушники наполнены звуком, на производство которого они запрограммированы, так и холодное пустое пространство скрывает настолько мало энергии, насколько это возможно, – оно настолько пусто, насколько это может быть, – когда оно наполнено океаном Хиггсова поля.

Процесс получения Хиггсовым полем ненулевой величины во всем пространстве, – процесс формирования Хиггсова океана, – называется спонтанным нарушением симметрии* и является одной из наиболее важных идей, появившихся в теоретической физике последних десятилетий двадцатого века. Давайте посмотрим, почему.

(*) "Терминология не особенно важна, но коротко укажем, откуда она происходит. Выемка на Рис. 9.1с и 9.1d имеет симметричную форму – она круговая – с каждой точкой, эквивалентной любой другой (каждая точка выемки обозначает величину Хиггсова поля с минимальной возможной энергией). Кроме того, когда величина Хиггсова поля сползает вниз в чашу, она располагается в одной особой точке в круговой выемке, таким образом "спонтанно" выбирает одно положение в выемке как специальное. Теперь все точки в выемке не являются больше одинаково равноправными, поскольку одна отмечена, так что поле Хиггса уничтожает или "нарушает" исходную симметрию между ними. Так что, совмещая все слова вместе, процесс, в котором поле Хиггса сползает к одной особой ненулевой величине в выемке, назван спонтанным нарушением симметрии. Далее в тексте мы опишем более заметные аспекты уменьшения симметрии, связанного с таким формированием океана Хиггса." [7]

Океан Хиггса и происхождение массы

Если поле Хиггса имеет ненулевую величину, – если мы все погружены в океан Хиггсова поля, – то не должны ли мы его чувствовать или видеть или иным образом быть осведомлеными о нем неким образом? Безусловно. И современная физика утверждает, что мы это делаем. Возьмите вашу руку и покачайте ее вперед и назад. Вы можете почувствовать работу ваших мукулов, двигающих массу вашей руки влево, вправо и опять назад. Если вы держите шар для боулинга, ваши мускулы будут работать сильнее, поскольку, чтобы двигать более значительную массу, необходимо приложить большую силу. В этом смысле масса объекта представляет сопротивление попытке заставить его двигаться; более точно, масса представляет сопротивление объекта изменению его движения – ускорению – подобному тому, как сначала мы двигаемся влево, потом вправо, а потом влево опять. Но откуда происходит это сопротивление тому, чтобы быть ускоренным? Или, говоря физически, что дает объекту его инерцию?

В Главах 2 и 3 мы сталкивались с различными предложениями Ньютона, Маха и Эйнштейна, выдвинутыми в качестве частичных ответов на этот вопрос. Эти ученые пытались установить стандарт покоя, по отношению к которому могли бы быть определены ускорения, подобные тем, которые возникают в эксперименте с вращающимся ведром. Для Ньютона стандартом было абсолютное пространство; для Маха это были удаленные звезды; а для Эйнштейна это было сначала абсолютное пространство-время (в СТО), а затем гравитационное поле (в ОТО). Но однажды очертив стандарт покоя и, в особенности, установив начало отсчета для определения ускорений, ни один из этих ученых не сделал следующий шаг к объяснению, почему объекты сопротивляются ускорению. То есть, никто из них не определил механизм, с помощью которого объект приобретает свою массу – свою инерцию – свойство, которое борется с ускорениями. С помощью поля Хиггса физики теперь предложили ответ.

Атомы, которые составляют вашу руку, и шар для боулинга, который вы можете поднять, все они сделаны из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны, как обнаружили экспериментаторы в конце 1960-х, каждый составлен из трех более мелких частиц, известных как кварки. Так что, когда вы махаете своей рукой туда и сюда, вы на самом деле размахиваете туда и сюда всеми составляющими кварками и электронами, что подводит нас к существу дела. Океан Хиггса, в который, как заявляет современная теория, мы все погружены, взаимодействует с кварками и электронами: он мешает их ускорениям почти так же, как чан с патокой сопротивляется движению шарика для пинг-понга, который туда опущен. И это сопротивление, это торможение мельчайших составляющих дает вклад в то, что вы ощущаете как массу вашей руки и шара для боулига, которыми вы размахиваете, или как массу объекта, который вы бросаете, или как массу всего вашего тела, когда вы ускоряетесь в направлении к финишной линии на 100-метровой дистанции. Именно так мы чувствуем океан Хиггса. Силы, которые мы прикладываем тысячи раз в день, чтобы изменить скорость того или иного объекта, – чтобы придать ему ускорение, – являются силами, которые борются против сопротивления океана Хиггса.

Аналогия с патокой хорошо ухватывает некоторые аспекты Хиггсова океана. Чтобы ускорить шарик для пинг-понга, опущенный в патоку, вам нужно толкать его более сильно, чем когда вы играете с ним на теннисном столе, – он будет сопротивляться вашим попыткам изменить его скорость более сильно, чем он делает это вне патоки, так что он ведет себя так, как будто погружение в патоку увеличило его массу. Аналогично, в результате своих взаимодействий с вездесущим океаном Хиггса элементарные частицы сопротивляются попыткам изменить их скорость – они приобретают массу. Однако, аналогия с патокой имеет три вводящих в заблуждение особенности, о которых вы должны быть осведомлены.

Парвая особенность, вы можете всегда влезть в патоку, вытащить шарик для пинг-понга и посмотреть, как уменьшится его сопротивление ускорению. Это не верно для частиц. Мы уверены, что в настоящее время океан Хиггса заполняет все пространство, так что нет способа удалить частицы из-под его влияния; все частицы имеют массы независимо от того, где они находятся. Вторая особенность, патока сопротивляется любому движению, тогда как Хиггсово поле сопротивляется только ускоренному движению. В отличие от того, как шарик для пинг-понга движется через патоку, частица, двигаясь через внешнее пространство с постоянной скоростью, не будет замедляться за счет "трения" с Хиггсовым океаном. Вместо этого ее движение будет продолжать оставаться неизменным. Только когда мы постараемся разогнать или затормозить частицу, Хиггсово поле проявит свое присутствие через силу, которую мы прикладываем. Третья особенность, когда это касается привычной материи, составленной из скоплений фундаментальных частиц, имеется другой важный источник массы. Кварки, составляющие протоны и нейтроны, удерживаются вместе сильным ядерным взаимодействием: глюоны (частицы-переносчики сильного взаимодействия) струятся между кварками, "склеивая" их вместе. Эксперименты показывают, что эти глюоны имеют высокую энергию, а поскольку соотношение Эйнштейна Е = mc2 говорит нам, что энергия (Е) проявляет себя как масса (m), мы получаем, что глюоны внутри протонов и нейтронов дают существенный вклад в общую массу этих частиц. Так что более точная картина заключается в представлении о патокоподобной силе сопротивления Хиггсова океана, как о дающей массу фундаментальным частицам, таким как электроны и кварки, но когда эти частицы объединяются в составные частицы вроде протонов, нейтронов и атомов, вступают в игру и другие (хорошо понятные) источники массы.

Физики полагают, что степень сопротивления Хиггсова океана ускорению частицы меняется в зависимости от особых разновидностей частиц. Это существенно, поскольку все известные виды фундаментальных частиц имеют различные массы. Например, в то время как протоны и нейтроны составлены из двух типов кварков (именуемых верхним и нижним кварками: протон состоит из двух верхних (up) и одного нижнего (down); а нейтрон из двух нижних и одного верхнего), за годы экпериментаторы, используя атомные столкновения, открыли четыре других вида кварков, чьи массы охватывают широкий диапазон от 0,0047 до 189 масс протона. Физики уверены, что объяснение разнообразия масс заключается в том, что различные виды частиц взаимодействуют с океаном Хиггса более или менее сильно. Если частица двигается плавно через океан Хиггса с малым взаимодействием или без такового, то сопротивление будет мало или будет отсутствовать и частица будет иметь малую массу или не будет иметь массы. И наоборот, если частица существенно взаимодействует с океаном Хиггса, она будет иметь более высокую массу. Самый тяжелый кварк (именуемый вершинный (top) кварк) с массой около 350 000 масс электрона взаимодействует с Хиггсовым океаном в 350 000 раз сильнее электрона; он намного труднее ускоряется через океан Хиггса, и в этом причина, что он имеет большую массу. Если мы сравним массу частицы с известностью личности, то океан Хиггса будет подобен папарацци: те, кто неизвестен, проходят через толпящихся фотографов с легкостью, но видные политики и кинозвезды проталкиваются к своей цели с большим трудом.

Это дает прекрасную основу для размышлений о том, почему одна частица имеет массу, отличную от другой, но на сегодняшний день нет фундаментальных объяснений для точного способа, которым каждый из известных видов частиц взаимодействует с океаном Хиггса. В результате нет фундаментального объяснения, почему известные частицы имеют индивидуальные массы, которые обнаруживаются экспериментально. Однако, большинство физиков уверено, что если бы не было Хиггсова океана, все фундаментальные частицы были бы подобны фотону и совсем не имели бы массы. Фактически, как мы теперь видим, вещи могли бы быть такими в ранние моменты вселенной.

Объединение в охлаждающейся вселенной

В то время, как газообразный пар конденсируется в жидкую воду при 100 градусах Цельсия, а жидкая вода замерзает в твердый лед при 0 градусов Цельсия, теоретические изыскания показали, что Хиггсово поле конденсируется в ненулевую величину при миллионе миллиардов (1015) градусов. Это почти в 100 миллионов раз превышает температуру в центре Солнца, и это температура, до которой, как мы уверены, вселенная остыла примерно к одной сотой миллиардной (10–11) доле секунды после Большого взрыва. Предшествующие 10–11 секунды после Большого взрыва Хиггсово поле флуктуировало вверх и вниз, но имело нулевую среднюю величину; как и вода выше 100 градусов Цельсия, при таких температурах океан Хиггса не мог быть сформирован, поскольку было слишком жарко. Океан испарился бы немедленно. А без Хиггсова океана не было сопротивления ускоренному движению, которому подвергнуты частицы (папарацци исчезли), что подразумевает, что все известные частицы (электроны, up- и down-кварки и остальные) имели одинаковую массу: нуль.

Это наблюдение частично объясняет, почему формирование океана Хтггса описывается как космологический фазовый переход. В фазовых переходах от пара к воде и от воды ко льду происходят две существенные вещи. Имеется существенное качественное изменение во внешнем виде объекта, и фазовый переход сопровождается уменьшением симметрии. Мы видим те же две особенности при формировании Хиггсова океана. Первое, произошло существенное качественное изменение: виды частиц, которые были безмассовыми, внезапно приобрели ненулевые массы – массы, которые эти виды частиц имеют и сейчас. Второе, это изменение сопровождалось уменьшением симметрии: до формирования Хиггсова океана все частицы имели одинаковую – нулевую – массу, что является высокосимметричным состоянием дел. Если бы вы поменяли массу одного вида частиц на массу другого, никто бы не узнал, поскольку все массы были одинаковыми. Но после конденсации океана Хиггса массы частиц превратились в ненулевые – и не равные – величины, так что симметрия между массами была потеряна.

Фактически, уменьшение симметрии, возникнув из формирования океана Хиггса, является еще более всеобъемлющим. Выше 1015 градусов, когда Хиггсово поле еще не сконденсировалось, безмассовыми являются не только все виды фундаментальных частиц материи, то также, без тормозящего сопротивления от океана Хиггса, и все виды частиц сил. (Сегодня W и Z частицы – переносчики слабого ядерного взаимодействия – имеют массы около 86 и 97 масс протона). И, как впервые было открыто в 1960е Шелдоном Глэшоу, Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, безмассовость частиц всех сил сопровождалась другой, фантастически красивой симметрией.

В конце 1800х Максвелл осознал, что электричество и магнетизм, хотя они некогда воспринимались как две полностью различные силы, на самом деле являются различными аспектами одной и той же силы – электромагнитной силы (см. Главу 3). Его труд показал, что электричество и магнетизм дополняют друг друга; они представляют собой Инь и Янь более симметричного объединенного целого. Глэшоу, Салам и Вайнберг открыли следующую главу в этой истории объединения. Они осознали, что перед тем, как сформировался Хиггсов океан, не только все частицы сил имели одинаковую массу – нуль, – но и фотоны, и W- и Z- частицы были идентичны еще и в существенно другом смысле. Точно так же, как снежинка не меняется при отдельных поворотах, которые меняют местами положения ее лучей, физические процессы в отсутствие океана Хиггса не будут меняться при отдельных взаимозаменах частиц электромагнитных и слабых ядерных сил – при отдельных взаимных заменах фотонов и W- и Z- частиц. И также, как нечувствительность снежинки к поворотам отражает симметрию (вращательную симметрию), нечувствительность к взаимозаменам этих частиц также отражает симметрию, одну из тех, которая по техническим причинам называется калибровочной симметрией. Она имеет глубокие следствия. Поскольку эти частицы передают соответствующие им силы (взаимодействия), – они являются частицами-переносчиками их сил, – симметрия между ними означает, что была симметрия между силами. Следовательно, при достаточно высокой температуре, температуре, которая испарила бы сегодняшний заполненный Хиггсовым полем вакуум, нет различия между слабыми ядерными силами и электромагнитными силами. Достаточно высокая температура означает, что океан Хиггса испаряется; если это сделано, разница между слабыми и электромагнитными силами испаряется тоже.

Глэшоу, Вайнберг и Салам расширили открытие Максвелла столетней давности, показав, что электромагнитные и слабые ядерные силы на самом деле являются частью одной и той же силы. Они объединили описание этих двух сил в то, что сейчас называется электрослабой силой.

Симметрия между электромагнитными и слабыми силами не проявляется сегодня, поскольку по мере охлаждения вселенной сформировался Хиггсов океан и – это существенно – фотоны и W- и Z- частицы взаимодействуют с конденсированным Хиггсовым полем по-разному. Фотоны проносятся через океан Хиггса так же легко, как второсортный киноартист легко прошел бы сквозь папарацци, и, следовательно, остаются безмассовыми. Однако, W- и Z- частицы, как Билл Клинтон и Мадонна, с трудом прокладывают свой путь, приобретая массы в 86 и 97 масс протона, соответственно. (Замечание: Эта аналогия не соблюдает масштаб). Таким образом, электромагнитные и слабые ядерные силы становятся столь отличными в мире вокруг нас. Лежащая в основании симметрия между ними "нарушена" или скрыта Хиггсовым океаном.

Это действительно захватывающий дух результат. Две силы, которые выглядят совсем разными при сегодняшних температурах, – электромагнитная сила, отвечающая за свет, электричество и магнитное взаимодействие, и слабая ядерная сила, отвечающая за радиоактивный распад, – являются фундаментально частью одной и той же силы и становятся различными только вследствие ненулевого Хиггсова поля, скрывающего симметрию между ними. Таким образом, то, что мы обычно мыслим как пустое пространство, – вакуум, пустота, – играет центральную роль в проявлении вещей в мире такими, какие они есть. Только при испарении вакуума, при росте температуры достаточно высоко, чтобы Хиггсово поле испарилось, – то есть, приобрело нулевое среднее значение во всем пространстве, – может быть сделана видимой полная симметрия, лежащая в основании законов природы.

Когда Глэшоу, Вайнберг и Салам разработали эти идеи, W- и Z- частицы еще не были открыты экспериментально. Была сильная вера этих физиков в силу теории и красоту симметрии, что дало им уверенность идти вперед. Их отвага оказалась хорошо обоснованной. Через некоторое время W- и Z- частицы были открыты и электрослабая теория была подтверждена экспериментально. Глэшоу, Вайнберг и Салам разглядели за внешними явлениями, – всмотревшись сквозь скрывающий суть туман пустоты, – проявление глубокой и тонкой симметрии, охватывающей две из четырех сил природы. В 1979 им была присуждена Нобелевская премия за успешное объединение слабых ядерных сил и электромагнетизма.

Великое объединение

Когда я был студентом первого курса в колледже, я время от времени случайно натыкался на моего ведущего консультанта, физика Говарда Джорджи. Я никогда не имел, что сказать, но это почти не имело значения. Всегда было так, что Джорджи легко было спровоцировать поделиться чем-либо с интересующимся студентами. Как-то раз, в особенности, Джорджи был специально спровоцирован и он быстро воодушевленно говорил больше часа, заполняя меловую доску еще некоторое время после символами и уравнениями. На всем протяжении я с энтузиазмом кивал головой. Но, откровенно говоря, я почти не понимал ни слова. Годами позже я осознал, что Джорджи говорил мне о планах проверки открытия, которое он сделал, названного великим объединением.

Великое объединение обращается к вопросу, который естественным образом следует из успеха электрослабого объединения: если две силы природы являлись частью единого целого в ранней вселенной, может ли быть, что при еще более высоких температурах и в еще более ранние времена в истории вселенной различия между тремя или, возможно, всеми четырьмя силами аналогично могут испариться, создав даже еще большую симметрию? Это выдвигает интригующую возможность, что на самом деле может быть единственная фундаментальная сила природы, которая через серию космологических фазовых переходов кристаллизовалась в четыре кажущиеся различными силы, о которых мы в настоящее время знаем. В 1974 Джорджи и Глэшоу предложили на обсуждение первую теорию, чтобы пройти часть пути к этой цели полного единения. Их теория великого объединения вместе с более поздними наработками Джорджи, Хелен Куинн и Вайнберга, предполагала, что три из четырех сил – сильные, слабые и электромагнитные силы – являлись частью единой силы, когда температура превышала 10 миллардов миллиардов миллиардов (1028) градусов, – в несколько тысяч миллиардов миллиардов раз больше температуры в центре Солнца, – экстремальные условия, которые существовали через 10–35 секунды после Взрыва. Выше этой температуры, предположили указанные физики, фотоны, глюоны сильного взаимодействия, точно так же, как и W- и Z- частицы, могли свободно взаимозаменяться одни на другие – более сильная калибровочная симметрия, чем в электрослабой теории, – без каких-либо наблюдаемых последствий. Джорджи и Глэшоу, таким образом, предположили, что при этих высоких энергиях и температурах имеется полная симметрия между тремя видами частиц-переносчиков негравитационных сил, и потому имеется полная симметрия среди трех негравитационных сил.

Теория великого объединения Глэшоу и Джорджи продолжила разговор от том, что мы не видим эту симметрию в мире вокруг нас, – сильные ядерные силы, которые удерживают протоны и нейтроны тесно склеенными вместе в атомах, кажутся полностью отделенными от слабых или электромагнитных сил, – поскольку, когда температура упала ниже 1028 градусов, в игру вступил другой вид Хиггсова поля. Это Хиггсово поле называется Хиггсом великого объединения. (Всякий раз, когда названия могут привести к путанице, Хиггсово поле, содержащее электрослабое объединение, называют электрослабым Хиггсом). Сходно со случаем его электрослабого родственника Хиггс великого объединения дико флуктуирует выше 1028 градусов, но расчеты указывают на то, что он конденсируется в ненулевую величину, когда вселенная охлаждается ниже этой температуры. И, как и с электрослабым Хиггсом, когда этот Хиггсов океан великого объединения формировался, вселенная прошла через фазовый переход с сопровождающим его понижением симметрии. В этом случае, поскольку Хиггсов океан великого объединения оказывает отличающееся влияние на глюоны по сравнению с влиянием на другие частицы, сильное взаимодействие отщепилось от электрослабого взаимодействия, создав две различающиеся негравитационные силы там, где раньше была одна. Отделившись вторым и упав по температуре еще на миллиарды и миллиарды градусов, электрослабый Хиггс сконденсировался, заставив слабые и электромагнитные силы также расщепиться.

Пока красивая идея великого объединения (в отличие от электрослабого объединения) не подтверждена экспериментально. Тем не менее, оригинальное предположение Джорджи и Глэшоу предсказывает след, остаточное последствие ранней симметрии вселенной, который должен быть видим сегодня, который позволяет протонам даже при этих условиях часто превращаться в другие виды частиц (такие как антиэлектроны и частицы, известные как пионы). Но после лет старательных поисков такого распада протона в детально разработанных подземных экпериментах, – такой эксперимент Джорджи возбужденно описывал мне в его офисе годы назад, – ничего не было найдено; это исключает предположение Джорджи и Глэшоу. Однако, с тех пор физики разработали вариации этой оригинальной модели, которые еще не вычеркнуты такими экспериментами; однако, ни одна из этих альтернативных теорий не подтверждена.

Среди физиков достигнут консенсус, что великое объединение является одной из великих, но еще нереализованных идей в физике частиц. Поскольку объединение и космологические фазовые переходы оказались столь действенны для электромагнетизма и слабого ядерного взаимодействия, многие чувствуют, что требуется только время, чтобы другие силы также были собраны в рамках объединенной схемы. Как мы увидим в Главе 12, большие шаги в этом направлении были сделаны недавно с использованием другого подхода – теории суперструн – который впервые свел все силы, включая гравитацию, в объединенную теорию, хотя этот подход все еще, как об этом пишут, находится в процессе энергичной разработки. Но, тем не менее, что уже ясно даже в только что рассмотренной электрослабой теории, так это то, что вселенная, которую мы видим в настоящее время, проявляет следы сверкающей симметрии ранней вселенной.

Возвращение эфира

Концепция нарушения симметрии и ее проявление через электрослабое поле Хиггса, несомненно, играют центральную роль в физике частиц и космологии. Но обсуждение может оставить вас в недоумении по следующему поводу: Если Хиггсов океан является невидимым нечто, которое заполняет то, что мы обычно понимаем под пустым пространством, не есть ли это просто другая инкарнация давно дискредитированного понятия эфира? Ответ: да и нет. Объяснение: да, конечно, в некотором смысле Хиггсов океан имеет привкус эфира. Подобно эфиру, конденсированное Хиггсово поле пропитывает пространство, окружает всех нас, проникает прямо через любой материал и, как неудаляемая особенность пустого пространства (исключая случай, когда мы заново нагреем вселенную выше 1015 градусов, что мы, естественно, не можем сделать), оно переопределяет нашу концепцию пустоты. Но, в отличие от исходного эфира, который был введен как невидимая среда для переноса световых волн примерно тем же образом, как воздух переносит волны звука, океан Хиггса ничего не делает с движением света; он не влияет никоим образом на скорость света, так что эксперименты на заре двадцатого века, которые вычеркнули эфир через изучение движения света, не затрагивают Хиггсов океан.

Более того, поскольку Хиггсов океан не влияет никаким образом на что-либо, движущееся с постоянной скоростью, он не выделяет ни одну наблюдательную систему отсчета как каким-либо образом выделенную, тогда как эфир делал это. Напротив, даже с Хиггсовым океаном все наблюдатели, движущиеся с постоянной скоростью, остаются на полностью одинаковом основании, а потому Хиггсов океан не конфликтует с СТО. Конечно, эти наблюдения не доказывают, что Хиггсов океан существует; вместо этого они показывают, что несмотря на определенное сходство с эфиром, Хиггсовы поля не конфликтуют с теорией или экспериментом.

Однако, если имеется океан Хиггсова поля, он должен давать другие следствия, которые будут экспериментально проверяемы в течение следующих нескольких лет. В качестве главного примера, точно так, как электромагнитные поля составлены фотонами, Хиггсовы поля составлены частицами, которые, не удивительно, названы частицами Хиггса. Теоретические расчеты показывают, что если имеется пронизанное Хиггсовым океаном пространство, частицы Хиггса дожны быть среди осколков от высокоэнергетических столкновений, которые будут иметь место в Большом Адронном Коллайдере, гигантском строящемся сейчас ускорителе в Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария, и запланированном к запуску в 2007. Грубо говоря, огромные по энергии столкновения лоб в лоб между протонами должны быть в состоянии выбить частицу Хиггса из Хиггсова океана примерно как мощные подводные взрывы могут выбить молекулы Н2О из Атлантики. В свое время эти эксперименты должны позволить нам определить, существует ли эта современная форма эфира или она последует путем своего более раннего воплощения. Это критический вопрос для решения, поскольку, как мы видели, конденсация Хиггсовских полей играет глубокую и стержневую роль в нашей текущей формулировке фундаментальной физики.

Если Хиггсов океан не найдется, это потребует глобального переосмысления теоретической схемы, которая разрабатывалась более тридцати лет. Но если он найдется, это событие будет триумфом теоретической физики: это подтвердит силу симметрии для точного оформления наших математических рассуждений, когда мы рискуем вторгаться в неизвестное. Помимо этого, подтверждение существования Хиггсова океана сделает еще две вещи. Первое, оно обеспечит прямое подтверждение древней эры, когда многие аспекты сегодняшней вселенной, которые проявляются как различные, были частью симметричного целого. Второе, оно установит, что наше интуитивное понятие пустого пространства, – конечного результата удаления всего, что мы можем, из области пространства, так что его энергия и температура уменьшатся настолько, насколько это возможно, – в течение длительного времени было наивным. Пустейшее пустое пространство не требует включения состояния абсолютной пустоты. Следовательно, без спиритического вызова мы можем неожиданно вплотную столкнуться с мыслями Генри Мора (Глава 2) в нашем научном квесте по изучению пространства и времени. Для Мора обычная концепция пустого пространства была бессмысленной, поскольку пространство всегда заполнено божественным духом. Для нас обычная концепция пустого пространства может быть аналогично эфемерной, поскольку пустое пространство, о котором мы осведомлены, может всегда быть заполнено океаном Хиггсова поля.

Рис 9.2 Временная ось, схематически иллюстрирующая стандартную космологическую модель Большого взрыва.

<Снизу от оси последовательно отмечены ключевые события модели: Большой взрыв (начало оси); Великое объединение (время 10–35 секунды, температура 1028 Кельвинов); электрослабое объединение (10–12 секунды, 1015 Кельвинов); формирование ядер (1 секунда, 1010 Кельвинов); формирование галактик (109 лет, 10 Кельвинов); сегодня (1010 лет, 2,7 Кельвина)>.

Энтропия и время

Ось времени на Рис. 9.2 содержит фазовые переходы, которые мы обсуждали в историческом контексте, и потому дает нам твердое понимание последовательности событий, через которые прошла вселенная от Большого взрыва до яйца на вашем кухонном столе. Но решающая информация все еще скрыта в размытом пятне. Вспомним, знание, как начались вещи, – порядок в стопке страниц Войны и Мира, спрессованные молекулы углекислого газа в вашей бутылке колы, состояние вселенной при Большом взрыве, – является существенным для понимания, как они эволюционируют. Энтропия может возрастать, только если задано пространство для ее роста. Энтропия может возрастать, только если она стартовала с низкой величины. Если страницы Войны и Мира начинаются с полного беспорядка, дальнейшие подбрасывания просто будут оставлять их в беспорядке; если вселенная началась в полностью разупорядоченном высокоэнтропийном состоянии, дальнейшая космическая эволюция будет просто сохранять этот беспорядок.

История, показанная на Рис. 9.2, очевидно, не является хроникой непрерывного неизменного разупорядочения. Даже если отдельные симметрии терялись при космических фазовых переходах, общая энтропия вселенной неуклонно возрастает. Следовательно, в начале вселенная должна была быть высоко упорядоченной. Этот факт позволяет нам связать направление "вперед" во времени с направлением возрастания энтропии, но нам все еще необходимо понять объяснение невероятно низкой энтропии – невероятно высокого состояния однородности – в только что рожденной вселенной. Это требует, чтобы мы пошли еще дальше назад, чем мы уже зашли, и попытались понять больше из того, что было в начале, – во время размытого пятна на Рис. 9.2, – задача, к которой мы сейчас приступаем.

 

10 Разборка Взрыва на составляющие

ЧТО ВЗОРВАЛОСЬ ?

Общее неправильное представление заключается в том, что теория Большого взрыва обеспечивает теорию возникновения космоса. Это не так. Большой взрыв это теория, частично описанная в последних двух главах, которая намечает космическую эволюцию от долей секунды после чего-то, произошедшего, чтобы привести вселенную к существованию, но она совсем ничего не говорит о самом времени нуль. А поскольку в соответствии с теорией Большого взрыва сам Взрыв есть то, что предполагается произошедшим в начале, Большой взрыв не включает сам Взрыв. Он ничего не говорит нам о том, что взорвалось, почему взорвалось, как оно взорвалось или, откровенно говоря, взорвалось ли оно на самом деле вообще. Фактически, если вы на секунду задумаетесь о нем, вы обнаружите, что Большой взрыв предстает перед нами совершенно загадочным. При чудовищных плотностях материи и энергии, характеризующих ранние моменты вселенной, гравитация была доминирующей над всеми другими силой. Но гравитация притягивающая сила. Она подталкивает вещи объединяться. Так что могло бы, вероятно, соответствовать направленной наружу силе, которая подтолкнула вселенную к расширению? Может показаться, что некоторые виды мощных отталкивающих сил должны были играть критическую роль во время Взрыва, но какие из природных сил могли бы это быть?

Много десятилетий этот самый основной из всех космологических вопросов оставался без ответа. Затем в 1980е было возрождено старое наблюдение Эйнштейна в блистательной новой форме, дав развитие тому, что стало известно как инфляционная космология. И с этим открытием влияние на Взрыв, наконец, смогло быть отдано достойной силе: гравитации. Это удивительно, но физики обнаружили, что в правильном окружении гравитация может быть отталкивающей и в соответствии с теорией необходимые условия превалировали в течение самых ранних моментов космической истории. В течение временного интервала, для которого наносекунда могла бы показаться вечностью, ранняя вселенная обеспечивала арену, на которой гравитация проявляла свою отталкивательную сторону, с неумолимой свирепостью растаскивая каждый регион пространства от любого другого. Отталкивательное действие гравитации было столь мощным, что не только определило Взрыв, оно обнаружило большее – намного большее – чем кто бы то ни было мог ранее представить. В инфляционной схеме ранняя вселенная расширялась с ошеломительно гигантским коэффициентом по сравнению с тем, что предсказывалось стандартной теорией Большого взрыва, увеличив нашу космологическую перспективу до такой степени, что осознание последнего столетия, что наша галактика не более чем одна среди сотен миллиардов, было еще более принижено.

В этой и следующей главе мы обсуждаем инфляционную космологию. Мы увидим, что она обеспечивает "последний рубеж" для стандартной модели Большого взрыва, предлагая важнейшие модификации к утверждениям стандартной теории о событиях, происходивших в течение самых ранних моментов вселенной. При этом инфляционная космология решает ключевые проблемы, которые находятся вне пределов досягяемости стандартной модели Большого взрыва, делает ряд предсказаний, которые были экспериментально проверены и в недалеком будущем продолжат экспериментально тестироваться, и, наверное, самое выдающееся, показывает, как квантовые процессы могут через космологическое расширение разгладить крошечные морщины на ткани пространства, оставляя видимый отпечаток в ночном небе. И, помимо этих успехов, инфляционная космология дает существенное проникновение в то, как ранняя вселенная могла получить свою чрезвычайно низкую энтропию, подводя нас ближе чем когда-либо к объяснению стрелы времени.

Эйнштейн и отталкивательная гравитация

После нанесения последних штрихов на ОТО в 1915 Эйнштейн применил свои новые уравнения к ряду проблем. Одной из них была давно стоявшая загадка, что уравнения Ньютона не могут оценить так называемую прецессию перигелия орбиты Меркурия – наблюдаемый факт, что Меркурий не прочерчивает каждый раз один и тот же путь, когда он обращается вокруг Солнца: вместо этого каждый завершенный оборот слабо сдвигается относительно предыдущего. Когда Эйнштейн переделал стандартные расчеты орбиты со своими новыми уравнениями, он точно вывел наблюдаемую прецессию перигелия, найденный им результат настолько потрясяющ, что заставил его сердце сильно биться. Эйнштейн также применил ОТО к вопросу, как круто траектория света, эмитированного удаленной звездой, будет изгибаться кривизной пространства-времени, когда она проходит мимо Солнца на своем пути к Земле. В 1919 две команды астрономов – одна ночевала в палатках на острове Принсипи у западного побережья Африки, другая в Бразилии – проверили это предсказание во время солнечного затмения путем сравнения звездного света, который почти задевал поверхность Солнца (эти световые лучи наиболее подвергались влиянию из-за наличия Солнца, и только во время затмения они могли быть видимыми), с фотографиями, сделанными, когда земное обращение по орбите поместило Землю между теми же звездами и Солнцем, фактически уничтожив гравитационное воздействие Солнца на траекторию звездного света. Сравнение обнаружило угол отклонения лучей, который еще раз подтвердил расчеты Эйнштейна. Когда пресса ухватила слухи о результатах, Эйнштейн в течение ночи стал всемирно известной звездой. С ОТО, честно говоря, Эйнштейн оказался при деньгах.

Тем не менее, несмотря на возрастающий успех ОТО, в течение лет после того, как он впервые применил свою теорию к наиболее огромной из всех проблем – к пониманию всей вселенной, – Эйнштейн абсолютно отказался принять ответ, который возник из математики. Перед работами Фридмана и Леметра, обсуждавшимися в Главе 8, Эйнштейн тоже осознал, что уравнения ОТО показывают, что вселенная не может быть статической; ткань пространства может растягиваться или она может сокращаться, но она не может сохранять фиксированный размер. Это наводило на мысль, что вселенная могла иметь определенное начало, когда ткань была максимально сжата, и может даже иметь определенный конец. Эйнштейн упрямо отказывался от этих следствий ОТО, поскольку он и некоторые другие "знали", что вселенная бесконечна и на самом большом из всех масштабов фиксированна и неизменна. Так что, несмотря на красоту и успешность ОТО, Эйнштейн открыл еще раз свою записную книжку и попытался внести модификацию в уравнения, которые бы позволили вселенной соответствовать доминирующему предубеждению. Это долго у него не получалось. В 1917 он добился цели путем введения нового члена в уравнения ОТО: космологической постоянной.

Стратегию Эйнштейна по введению этой модификации нетрудно понять. Гравитационная сила между любыми двумя объектами, являются ли они бейсбольными мячами, планетами, звездами, кометами или чем хотите, является притягивающей, и в итоге гравитация постоянно действует так, чтобы сдвинуть объекты в направлении друг к другу. Гравитационное притяжение между Землей и танцором, прыгающим вверх, заставляет танцора замедлиться, достигнуть максимальной высоты, а затем направиться назад вниз. Если хореограф захотел бы статической конфигурации, в которой танцор повис бы в воздухе, то должна была бы быть отталкивающая сила между танцором и Землей, которая в точности уравновесила бы их гравитационное притяжение: статическая конфигурация может возникнуть только тогда, когда имеется совершенное взаимоуничтожение между притяжением и отталкиванием. Эйнштейн осознал, что в точности такие же рассуждения применимы ко всей вселенной. В точности на том же основании, что притяжение от гравитации действует тем слабее, чем выше танцор, оно также действует слабее с расширением пространства. И точно так же, как танцор не может достичь статики – он не может парить на фиксированной высоте – пространство не может "парить" с фиксированным всеобщим размером – без дополнительного наличия некоторого вида балансирующей отталкивательной силы. Эйнштейн ввел космологическую константу потому, что он нашел, что с этим новым членом, включенным в уравнения, гравитация может обеспечить именно такую отталкивательную силу.

Но какую физику представляет этот математический член? Что такое космологическая константа, из чего она сделана и как она управляется, действуя против обычной притягивательной гравитации и оказывая отталкивательное воздействие? Ну, современное прочтение работы Эйнштейна – той, что восходит к Леметру, – интерпретирует космологическую константу как экзотическую форму энергии, которая однородно и равномерно заполняет все пространство. Я говорю "экзотическую", поскольку анализ Эйнштейна не определяет, откуда эта энергия может произойти, как мы скоро увидим, математическое описание, которому она подчиняется, гарантирует, что она не может состоять из чего-либо привычного вроде протонов, нейтронов, электронов или фотонов. Физики сегодня привлекают фразы вроде "энергия самого пространства" или "темная энергия", когда обсуждают смысл эйнштейновской космологической константы, поскольку, если есть космологическая постоянная, пространство должно быть заполнено прозрачным, аморфным чем-то, что вы не можете видеть непосредственно; пространство, заполненное космологической константой будет все еще выглядеть темным. (Это соотносится со старым понятием эфира и с новым понятием Хиггсова поля, которое приобретает ненулевую величину во всем пространстве. Последнее сходство является более чем всего лишь случайным совпадением, поскольку имеется важная связь между космологической константой и Хиггсовыми полями, к которой мы скоро подойдем). Но даже без точного определения происхождения или идентификации космологической константы Эйнштейн оказался в состоянии выработать ее гравитационные следствия и ответ, который он нашел, оказался выдающимся.

Чтобы понять его, вам надо познакомиться с одной особенностью ОТО, которую мы сейчас обсудим. В ньютоновском подходе к гравитации сила притяжения между двумя объектами зависела только от двух вещей: их масс и расстояния между ними. Чем более массивны объекты и чем ближе они друг к другу, тем больше гравитационное притяжение, которое они оказывают друг на друга. Ситуация в ОТО почти такая же, исключая то, что уравнения Эйнштейна показывают, что ньютоновская концентрация только на массе была слишком ограниченной. В соответствии с ОТО не просто масса (и расстояние) объектов дает вклад в силу гравитационного поля. Энергия и давление также дают вклад. Это важно, поэтому потратим минуту, чтобы посмотреть, что это означает.

Представьте, что сейчас двадцать пятое столетие и вы были заключены в Замок Разумов, новейший эксперимент Департамента коррекции, предназначенный для попыток исправления преступников из "белых воротничков", основанного на их собственных способностях. Каждому осужденному дается загадка, и они могут возвратить свою свободу, только решив ее. Парень в соседней от вас камере разгадывает, почему повторные испытания на острове Джиллиан дали удивительный возврат в двадцать второе столетие и стали с тех пор наиболее популярным шоу, так что он, вероятно, будет называть Замок домом еще некоторое время. Ваша загадка проще. Вам даны два идентичных твердых золотых куба – они одинакового размера, и каждый сделан из точно одинакового количества золота. Ваша задача – найти способ сделать измерение весов кубов различным, когда они остаются на фиксированном, совершенно точном расстоянии от Земли, при одном условии: вам нельзя изменять количество материи в каждом кубе, так что их нельзя рубить, разбивать, паять, царапать и т.д. Если бы вы поставили эту загадку перед Ньютоном, он бы немедленно заявил, что она не имеет решения. В соответствии с законами Ньютона одинаковые количества золота переводятся в одинаковые массы. А поскольку каждый куб останется на том же самом фиксированном расстоянии, земное гравитационное притяжение их будет идентичным. Ньютон пришел бы к заключению, что два куба должны показывать одинаковый вес без всяких если, и, или но.

Однако, с вашими институтскими знаниями ОТО двадцать пятого века вы разглядите способ. ОТО показывает, что сила гравитационного притяжения между двумя объектами зависит не только от их масс (и расстояния между ними), но также любых и всех дополнительных вкладов в полную энергию каждого объекта. А мы ничего не говорили о температуре золотых кубов. Температура измеряет, как быстро в среднем атомы золота, из которых состоит каждый куб, двигаются туда и сюда – то есть, она измеряет, насколько энергичны атомы (она отражает их кинетическую энергию). Поэтому, вы осознаете, что если вы нагреете один куб, его атомы будут более энергичными, так что его вес будет на йоту больше, чем у более холодного куба. Этого факта Ньютон не знал (увеличение температуры на 10 градусов Цельсия приведет к увеличению веса куба из одного фунта золота примерно на миллионную от миллиардной доли фунта, так что эффект исчезающе мал), и с этим решением вы освободитесь из Замка.

Ну, почти. Поскольку ваше преступление было особенно тяжким, в последнюю минуту перед вашим освобождением коллегия приняла решение, что вы должны решить вторую загадку. Вам даны две одинаковые старые игрушки Джек-в-ящике. И ваша новая задача – найти способ сделать так, чтобы каждая имела различный вес. Но в этот раз вам не только запрещено изменять количество массы каждого объекта, вам также необходимо поддерживать оба объекта при точно одинаковой температуре. Еще раз, если эту загадку дать Ньютону, он немедленно бы сдался на жизнь в Замке. Поскольку игрушки имеют одинаковые массы, он бы пришел к выводу, что их веса идентичны, так что загадка неразрешима. Но еще раз, ваши знания ОТО дают спасение: у одной из игрушек вы сожмете упругого, тесно сдавленного Джека под закрытую крышку, в то время как в другой игрушке вы оставите Джека в его развернутом состоянии. Почему? Ну, сжатая пружина имеет больше энергии, чем не сжатая; вы затратили энергию, чтобы сдавить пружину и вы можете видеть подтверждение вашей работы, поскольку сжатая пружина оказывает давление, заставляя крышку игрушки слабо деформироваться наружу. И опять, в соответствии с Эйнштейном, любая дополнительная энергия затрагивает гравитацию, вызывая дополнительный вес. Таким образом, закрытый Джек-в-ящике со сжатой пружиной, оказывая давление наружу, весит чуточку больше, чем открытый Джек-в-ящике с его развернутой пружиной. Это то решение, которое могло бы спасти Ньютона, а вместе с ним и вас, наконец добившись возвращения свободы.

Решение второй загадки указывает на тонкое, но критически важное свойство ОТО, на котором мы сосредоточимся. В своей статье, представляющей ОТО, Эйнштейн математически показал, что гравитационная сила зависит не только от массы и не только от энергии (такой как тепло), но также и от любого давления, которое может быть оказано. И в этом заключается существенная физика, которая необходима нам, если мы хотим понять космологическую константу. И вот почему. Направленное наружу давление, подобное давлению, оказываемому сжатой пружиной, называется положительным давлением. Достаточно понятно, что положительное давление дает положительный вклад в гравитацию. Но, и это критический момент, имеются ситуации, в которых давление в области, в отличие от массы и полной энергии, может быть отрицательным, означая, что давление всасывает внутрь вместо того, чтобы выталкивать наружу. Хотя это может и не звучать особенно экзотично, отрицательное давление может привести кое к чему экстраординарному с точки зрения ОТО: в то время как положительное давление дает вклад в обычную притягивательную гравитацию, отрицательное давление дает вклад в "отрицательную" гравитацию, то есть в отталкивательную гравитацию!

С этим ошеломляющим открытием ОТО Эйнштейна пробивает брешь в более чем двухсотлетней уверенности, что гравитация является всегда притягивающей силой. Планеты, звезды и галактики, как правильно показал Ньютон, определенно оказывают гравитационное притяжение. Но когда давление становится важным (для обычной материи при повседневных условиях гравитационный вклад от давления пренебрежимо мал) и, в особенности, когда давление отрицательно (для обычной материи вроде протонов и электронов давление положительно, из чего следует, что космологическая константа не может быть составлена ни из чего привычного), имеется вклад в гравитацию, который бы шокировал Ньютона. Он отталкивательный.

Этот результат является центральным для большей части последующего изложения и легко может быть неправильно понят, поэтому позвольте мне подчеркнуть один существенный момент. Гравитация и давление являются двумя связанными, но отдельными понятиями в этой истории. Давления, или более точно, разности давлений, могут оказывать свои собственные негравитационные воздействия. Когда вы ныряете под воду, ваши барабанные перепонки могут чувствовать разницу давлений между водой, давящей на них снаружи, и воздухом, давящим на них изнутри. Все это верно. Но суть вопроса, о котором мы говорим сейчас, рассматривая давление и гравитацию, совершенно в другом. В соответствии с ОТО давление может косвенно оказывать другое воздействие, – оно может оказывать гравитационное воздействие, – поскольку давление дает вклад в гравитационное поле. Давление, подобно массе и энергии, является источником гравитации. И поразительно, если давление в области является отрицательным, оно дает вклад в гравитационное отталкивание для гравитационного поля, пронизывающего область, а не в гравитационное притяжение.

Это значит, что когда давление отрицательно, имеется соревнование между обычной притягивающей гравитацией, возникающей из обычной массы и энергии, и экзотической отталкивающей гравитацией, возникающей от отрицательного давления. Если отрицательное давление в области достаточно отрицательно, отталкивательная гравитация будет доминировать; гравитация будет расталкивать вещи в стороны сильнее, чем стягивать их вместе. Именно тут космологическая константа появляется на сцене. Космологический член, который Эйнштейн добавил в уравнения ОТО, должен означать, что пространство однородно заполнено энергией, но, что критично, уравнения показывают, что эта энергия имеет однородное отрицательное давление. И, что еще более важно, гравитационное отталкивание отрицательного давления космологической константы преодолевает гравитационное притяжение, происходящее от ее положительной энергии, так что отталкивательная гравитация побеждает в этом соревновании: космологическая константа оказывает всюду отталкивательное гравитационное воздействие.

Для Эйнштейна это было точно то, что доктор прописал. Обычная материя и излучение, распределенные по вселенной, оказывают притягивающее гравитационное воздействие, вынуждая каждый регион пространства притягиваться к каждому другому. Новый космологический член, который он представлял как тоже однородно распределенный по вселенной, оказывает отталкивательное гравитационное воздействие, заставляя каждый регион пространства отталкиваться от каждого другого. При аккуратном выборе величины нового члена Эйнштейн нашел, что вновь открытая отталкивающая гравитационная сила должна точно уравновешивать обычное притягивающее гравитационное воздействие, что дает статическую вселенную.

Более того, поскольку новая отталкивающая гравитационная сила возникает из энергии и давления самого пространства, Эйнштейн нашел, что их сила кумулятивна; сила становится больше при больших пространственных расстояниях, поскольку чем больше вовлечено пространства, тем больше отталкивание наружу. На расстояниях порядка Земли или всей солнечной системы Эйнштейн показал, что новая отталкивательная гравитационная сила неизмеримо мала. Она становится важной только на существенно больших космологических расстояниях, тем самым сохраняя все успехи как Ньютоновской теории, так и его собственной ОТО, когда они применяются недалеко от дома. Короче говоря, Эйнштен нашел, что он может и получить свой пирог и съесть его тоже: он смог сохранить всю привлекательность, все экспериментально подтвержденные свойства ОТО, одновременно наслаждаясь вечной неподвижностью неизменного космоса, того, который ни расширяется, ни сокращается.

С этим результатом Эйнштейн, несомненно, вздохнул облегченно. Какую сердечную боль он мог бы получить, если бы десятилетие суровых исследований, которое он посвятил формулировке ОТО, привело бы в итоге к теории, которая была бы несовместима со статической вселенной, видимой каждому, кто пристально вглядывается в ночное небо. Но, как мы видели, дюжину лет спустя история проделала резкий поворот. В 1929 Хаббл показал, что точечные наблюдения за небом могут вводить в заблуждение. Его систематические наблюдения обнаружили, что вселенная не статична. Она расширяется. Если бы Эйнштейн доверял исходным уравнениям ОТО, он мог бы предсказать расширение вселенной более чем за десять лет до того, как оно было открыто путем наблюдений. Это определенно должно быть поставлено в ряд величайших открытий – это, может быть, самое великое открытие – всех времен. После изучения результата Хаббла Эйнштейн проклял тот день, когда он подумал о космологической константе, и тщательно уничтожил ее в уравнениях ОТО. Он ожидал, что все забудут этот вызывающий сожаление эпизод, и через несколько десятилетий все забыли.

В 1980е, однако, космологическая константа снова всплыла в ослепительной новой форме и указала путь к одному из наиболее драматичных переворотов в космологическом мышлении со времен, когда наш вид впервые этим мышлением заинтересовался.

О прыгающих лягушках и переохлаждении

Если вы поймали взглядом летящий вверх бейсбольный мяч, вы можете использовать закон тяготения Ньютона (или более утонченные уравнения Эйнштейна), чтобы описать его последовательную траекторию. И, если вы проведете требуемые вычисления, вы получите полное понимание того, как движется мяч. Но все еще без ответа останется вопрос: кто или что бросил мяч вверх в начальной точке? Как мяч приобрел начальное направленное вверх движение, чье последовательное разворачивание вы проследили математически? В этом примере небольшое дополнительное исследование в общем случае позволит найти ответ (конечно, за исключением стремления членов высшей лиги объяснить, что мяч просто получил толчок на пути столкновения с лобовым стеклом припаркованного Мерседеса). Но более тяжелая версия аналогичного вопроса стоит на пути основанного на ОТО объяснения расширения вселенной.

Уравнения ОТО, как исходно было показано Эйнштейном, датским физиком Виллемом де Ситтером и впоследствии Фридманом и Леметром, допускают расширяющуюся вселенную. Но, точно так же как уравнения Ньютона ничего не говорят нам о том, как мяч стартовал на своем пути вверх, уравнения Эйнштейна ничего не говорят нам о том, как началось расширение вселенной. Многие годы космологи говорили о начальном направленном наружу расширении пространства как о чем-то необъяснимом, данном, и просто разрабатывали отсюда уравнения далее вперед. Это то, что я имел в виду ранее, когда я говорил, что теория Большого взрыва молчит о самом Взрыве.

Так дела обстояли до пророческой ночи в декабре 1979, когда Алан Гут, преддокторский стипендиат физики, работавший в Стэнфордском Линейном Ускорительном Центре (сейчас он профессор Массачусетского технологического института), показал, что мы можем сделать лучше. Намного лучше. Хотя имелись неясные детали, которые сегодня, более чем через два десятилетия уже разрешены полностью, Гут сделал открытие, что окончательно все заполнившее космологическое безмолвие было следствием Большого взрыва со Взрывом, который был больше, чем кто-либо мог ожидать.

Гут не имел подготовки космолога. Его специальность была физика частиц, и в конце 1970х вместе с Генри Туи из Корнельского университета он изучал различные аспекты Хиггсовых полей в теориях великого объединения. Вспомним из обсуждения последней главы о спонтанном нарушении симметрии, что Хиггсово поле дает вклад в минимально возможную энергию, которая может быть в области пространства, когда величина поля выпадает к особому ненулевому значению (величина которого зависит от детальной формы чаши его потенциальной энергии). В ранней вселенной, когда температура была экстраординарно высока, мы обсуждали, как величина Хиггсова поля дико флуктуировала от одного значения к другому, как лягушка в горячей металлической чаше, чьи ноги опалялись, но когда вселенная остывала, Хиггсы скатились в чашу к величине, которая минимизировала их энергию.

Гут и Туи изучали причины, по которым Хиггсово поле может быть задержано на пути к достижению наименьшей энергетической конфигурации (к выемке в чаше на Рис.9.1с). Если мы применим аналогию с лягушкой к вопросу, который задавали Гут и Туи, он будет таким: что если так уж случится, что лягушка в одном из своих ранних прыжков, когда чаша начала охлаждаться, приземлится на центральном плато? И что если, когда чаша продолжит охлаждаться, лягушка зависнет на центральном плато (неторопливо поедая червей), вместо того, чтобы сползти вниз в выемку чаши? Или, в физических терминах, что если величина флуктуирующего Хиггсова поля приземлится на центральном плато энергетической чаши и останется там, когда вселенная продолжит охлаждаться? Если это произойдет, физики говорят, что Хиггсово поле будет переохлаждено, что означает, что даже если температура вселенной упадет до уровня, где вы ожидали бы, что величина Хиггсова поля приблизилась к низкоэнергетической впадине, она остается захваченной в высокоэнергетической конфигурации. (Это аналогично высокоочищенной воде, которая может быть переохлаждена ниже 0 градусов Цельсия, температуры, при которой вы ожидали, что она превратится в лед, и все еще останется жидкой, поскольку формирование льда требует малых примесей, вокруг которых может расти кристалл).

Гут и Туи заинтересовались этой возможностью, поскольку их расчеты наводили на мысль, что это может иметь отношение к проблеме (проблема магнитного монополя ), с которой исследователи столкнулись в ходе различных попыток великого объединения. Но Гут и Туи осознали, что тут может быть иное следствие и, ретроспективно, именно поэтому их работа оказалась стержневой. Они предположили, что энергия, связанная с переохлажденным Хиггсовым полем, – вспомним, что высота поля на чаше представляет его энергию, так что поле имеет нулевую энергию только если его величина лежит в выемке чаши, – может влиять на расширение вселенной. В начале декабря 1979 Гут проследовал за этим подозрением, и вот что он нашел.

Хиггсово поле, которое удержалось на плато, не только наполняет пространство энергией, но, что критически важно, Гут осознал, что оно дает вклад в однородное отрицательное давление. Фактически он нашел, что раз уж энергия и давление связаны, Хиггсово поле, которое удержалось на плато, имеет те же самые свойства, как и космологическая константа: оно пропитывает пространство энергией и отрицательным давлением, и в точности в тех пропорциях, как и у космологической константы. Так Гут открыл, что переохлажденное Хиггсово поле важным образом влияет на расширение пространства: подобно космологической константе оно оказывает отталкивательное гравитационное воздействие, которое подвигает пространство к расширению.

В этот момент, поскольку вы уже свыклись с отрицательным давлением и оттталкивательной гравитацией, вы можете подумать: Ну хорошо, это прекрасно, что Гут нашел особый физический механизм для реализации идеи Эйнштейна о космологической константе, ну и что? Что это за великое дело? Концепция космологической константы давно уже отброшена. Ее введение в физику было ничем иным, как замешательством Эйнштейна. Почему переоткрытие чего-то, что дискредитировало себя более шести десятилетий назад, вызывает такое возбуждение?

Инфляция

А вот почему. Хотя переохлажденное Хиггсово поле обладает определенными свойствами космологической константы, Гут понял, что они не полностью идентичны. Напротив, имеются два ключевых различия – различия, которые делают различным все.

(а) (b)

Рис 10.1 (а) Переохлажденное Хиггсово поле это поле, чья величина захвачена на высокоэнергетическом плато энергетической чаши, как лягушка на выпуклости, (b) Типичный случай, когда переохлажденное Хиггсово поле быстро найдет свой путь долой с плато и скатится к величине с меньшей энергией, как лягушка, спрыгнувшая с выпуклости. 

Первое, в то время как космологическая константа является константой, – она не меняется со временем, так что она обеспечивает постоянное, неизменное отталкивание наружу, – переохлажденное Хиггсово поле не обязано быть константой. Подумаем о лягушке, усевшейся на выпуклость на Рис. 10.1а. Она может болтаться там некоторое время, но рано или поздно хаотический прыжок тем или иным образом – прыжок, вызванный не тем, что чаша горячая (она уже остыла), а скорее тем, что лягушка неугомонная, – столкнет лягушку с выпуклости, после чего она сползет вниз к низшей точке чаши, как показано на Рис. 10.1b. Хиггсово поле может вести себя аналогично. Его величина по всему пространству может завязнуть на центральной выпуклости его энергетической чаши, в то время как температура упадет слишком низко, чтобы вызвать существенное термическое перемешивание. Но квантовые процессы внесут хаотические скачки в величину Хиггсова поля, и достаточно большой скачок сбросит его с плато, позволив его энергии и давлению релаксировать к нулю. Расчеты Гута показали, что в зависимости от точной формы выпуклости чаши этот скачок может произойти быстро, возможно, в течение такого же короткого времени, как 10–35 секунды. Впоследствии Андрей Линде, тогда работавший в Физическом институте Лебедева в Москве, и Пол Стейнхардт, тогда работавший со своим студентом Андреасом Альбрехтом в Университете Пенсильвании, открыли, что путь для релаксации Хиггсова поля к нулевой энергии и давлению во всем пространстве происходил даже более рационально и существенно более однородно (при этом разрешив некоторые технические проблемы, свойственные оригинальному предложению Гута). Они показали, что если чаша потенциальной энергии была более гладкая и более полого наклоненная, как на Рис. 10.2, квантовые прыжки могут не быть обязательными: величина Хиггсова поля быстро скатилась бы в выемку, что весьма похоже на мяч, скатывающийся с холма. Результат таков, что если Хиггсово поле действует подобно космологической константе, оно делает это только в течение короткого момента.

Рис 10.2 Более гладкая и более полого спадающая выпуклость позволяет величине Хиггсова поля скатиться вниз в выемку нулевой энергии более легко и более однородно во всем пространстве.

Второе отличие заключается в том, что, в то время как Эйнштейн осторожно и произвольно выбрал величину космологической константы, – количество энергии и отрицательное давление, которое она вносит в каждый объем пространства, – так что ее отталкивающая вовне сила должна была в точности компенсировать притягивающую вовнутрь силу, возникающую от обычной материи и излучения в космосе, Гут смог оценить вклад в энергию и отрицательное давление от Хиггсовых полей, которые они с Туи изучали. И ответ, который он нашел, был более чем в 10100 раз больше, чем выбранная Эйнштейном величина. Эта величина, очевидно, огромна, так что отталкивание вовне, обеспечиваемое отталкивательной гравитацией Хиггсова поля, монументально по сравнению с тем, что Эйнштейн исходно представлял с космологической константой.

Теперь, если мы объединим эти два наблюдения, – что Хиггсово поле будет находиться на плато в высокоэнергичном состоянии с отрицательным давлением только кратчайший момент, и что, пока оно находится на плато, генерируемое им отталкивание наружу будет гигантским, – то что мы получим? Ну, как осознал Гут, мы получим феноменальный короткоживущий направленный вовне взрыв. Другими словами, мы получим в точности то, чего избегает теория Большого взрыва: взрыв и при этом большой. Это то, почему открытие Гута так воодушевляет.

Космологическая картина, возникающая из прорыва Гута, следовательно, такова. Давным давно, когда вселенная была чудовищно плотной, ее энергия передавалась Хиггсову полю, возвышавшемуся в своей чаше потенциальной энергии на далекой от низшей точки величине. Чтобы отделить это особое Хиггсово поле от других (таких как электрослабое Хиггсово поле, отвечающее за появление массы у обычных семейств частиц, или Хиггсово поле, которое появляется в теориях великого объединения), его обычно называют полем инфлатона.*

(*) "Вы можете подумать, что я забыл поставить "i" в последнем слоге ("inflaton" вместо "inflation"), но это не так; физики часто дают полям имена, такие как фотон и глюон, которые оканчиваются на "он"."

Вследствие своего отрицательного давления поле инфлатона генерировало гигантское гравитационное отталкивание, которое растаскивало каждый регион пространства прочь от любого другого; на языке Гута инфляция заставляла вселенную раздуваться. Отталкивание длилось всего около 10–35 секунды, но оно было столь сильным, что даже за этот кратчайший момент вселенная раздулась в гигантское число раз. В зависимости от деталей точной формы потенциальной энергии инфляционного поля вселенная могла легко расшириться на фактор 1030, 1050 или 10100 или больше.

Эти числа потрясяют. Фактор расширения 1030 – консервативная оценка – подобен увеличению размера молекулы ДНК грубо до величины галактики Млечного Пути, и все это за временной интервал много короче, чем миллиардная миллиардной миллиардной доли от мигания глаза. Для сравнения, даже этот консервативный фактор расширения в миллиарды миллиардов раз больше расширения, которое могло бы возникнуть в соответствии со стандартной теорией Большого Взрыва за тот же самый временной интервал, и это превышает полный фактор расширения, который возник в целом за последующие 14 миллиардов лет! Во многих моделях инфляции, в которых рассчитанный фактор расширения намного больше, чем 1030, результирующая пространственная протяженность вселенной настолько велика, что регион, который мы, возможно, можем видеть даже в самые мощные телескопы, является мельчайшей долей целой вселенной. В соответствии с этими моделями свет, эмитированный из безбрежного большинства областей вселенной, еще не мог достигнуть нас, и большая часть его не появится еще очень долго после того, как Солнце и Земля исчезнут. Если весь космос уменьшить до размеров Земли, то часть, доступная нашим наблюдениям, будет намного меньше, чем песчинка.

Грубо через 10–35 после начала раздувания поле инфлатона нашло свой путь от плато с высокой энергией и его величина во всем пространстве соскользнула на дно чаши, выключив отталкивательное давление. А раз уж величина инфлатона скатилась вниз, она передала свою сдерживаемую энергию на производство обычных частиц материи и радиации, – подобно тому, как туманная дымка оседает на траву как утренняя роса, – которые однородно заполнили расширяющееся пространство. С этого момента история, по существу, становится такой же, как и в стандартной теории Большого взрыва: пространство продолжает расширяться и охлаждаться после раздувания, позволяя частицам материи слипаться в структуры вроде галактик, звезд и планет, которые медленно распространяются по вселенной, которую мы в настоящее время видим, как показано на Рис. 10.3.

Открытие Гута – окрещенное инфляционной космологией – вместе с важными усовершенствованиями, внесенными Линде, Альбрехтом и Стейнхардом, обеспечило объяснение того, что заставило пространство расширяться в первую очередь. Хиггсово поле, удерживаемое на величине выше своей нулевой энергии, может обеспечить выдавливание пространства вовне к раздуванию. Гут обеспечил Большой взрыв Взрывом.

Инфляционная структура

Открытие Гута было быстро провозглашено крупным достижением и стало доминирующим направлением космологических исследований. Но отметим две вещи. Первое, в стандартной модели Большого взрыва сам Взрыв, предположительно, произошел в момент времени нуль, в самом начале вселенной, так что он выглядит как акт творения. Но точно так же, как кусок динамита взрывается только когда он должным образом подожжен, в инфляционной космологии Взрыв произошел только тогда, когда условия сложились правильные, – когда имелось поле инфлатона, чья величина обеспечила энергию и отрицательное давление, которое явилось топливом отталкивательной гравитации для раздувания вовне, – и это не нуждается в сравнении с "творением" вселенной. По этой причине инфляционный взрыв лучше всего мыслить как событие, которое пережила предшествовавшая вселенная, но не обязательно как событие, которое создало вселенную. Мы отметили это на Рис. 10.3, сохранив некоторое размытое пятно от Рис. 9.2, обозначив наше продолжающееся неведение относительно фундаментального начала: более точно, если инфляционная космология верна, наше неведение относительно того, почему имелось поле инфлатона, почему чаша его потенциальной энергии имела правильную форму, чтобы произошла инфляция, почему имелось пространство и время, в рамках которых имело место все обсуждение, и, вспомнив более великую фразу Лейбница, почему есть что-то вместо ничего.

Рис 10.3 (а) Инфляционная космология вводит быстрое гигантское раздувание пространственной протяженности в ранней истории вселенной, (b) После раздувания эволюция вселенной переходит в стандартную эволюцию, разработанную в модели Большого взрыва.

Второе и связанное наблюдение таково, что инфляционная космология не является отдельной однозначной теорией. Скорее это космологическая система, выстроенная вокруг осознания, что гравитация может быть отталкивательной и, следовательно, может двигать раздувание пространства. Точные детали раздувания вовне – когда оно произошло, как долго оно длилось, сила направленного вовне давления, фактор, на который вселенная увеличилась во время раздувания, количество энергии, которую инфляция вложила в обычную материю, когда раздувание подошло к концу, и так далее – зависят от деталей, больше всего от размера и формы потенциальной энергии поля инфлатона, которые в настоящее время находятся вне наших способностей определить их только из теоретических рассмотрений. Так что многие годы физики изучали все виды возможностей – различные формы потенциальной энергии, различные количества полей инфлатона, которые работают в тандеме, и так далее – и определили, какие выборы дают теориям лучшее соответствие с астрономическими наблюдениями. Важной вещью является то, что имеются аспекты инфляционных космологических теорий, которые переступают пределы деталей и поэтому являются общими, по существу, для любой реализации. Само раздувание вовне, по определению, является одним из таких свойств, и потому любая инфляционная модель приходит ко Взрыву. Но имеются и другие свойства, присущие всем инфляционным моделям, которые живы, поскольку они решают важные проблемы, которые привели в тупик стандартную космологию Большого взрыва.

Инфляция и проблема горизонта

Одна из таких проблем называется проблемой горизонта и заключается в однородности микроволнового фонового излучения, о чем мы говорили раньше. Повторим, что температура микроволновой радиации, достигающей нас по одному направлению в пространстве, согласуется с температурой радиации, которая приходит по любому другому направлению с фантастической точностью (лучше, чем тысячная доля градуса). Этот наблюдательный факт является стержневым, поскольку он удостоверяет однородность всего пространства, что позволяет сделать гигантские упрощения в теоретических моделях космоса. В предыдущих главах мы использовали эту однородность, чтобы существенно снизить количество возможных форм пространства и чтобы обосновать однородное космическое время. Проблема появляется, когда мы пытаемся объяснить, как вселенная стала однородной. Как так получилось, что обширные удаленные рагионы вселенной так упорядочились, что стали иметь почти одинаковую температуру?

Если вы мысленно вернетесь к Главе 4, то одна из возможностей такова, что точно так же, как нелокальное квантовое запутывание может коррелировать спины двух широко разнесенных частиц, может быть, оно может коррелировать также и температуры двух широко разнесенных регионов пространства. Хотя это интересное предположение, потрясяющая ничтожность запутывания во всех наиболее контролируемых ситуациях, как обсуждается в конце этой главы, по существу это исключает. Ладно, возможно, имеется более простое объяснение. Может быть, давным давно, когда каждый регион пространства был ближе к каждому другому, их температуры выравнивались через их тесный контакт, почти как горячая кухня и холодная жилая комната приходят к одной и той же температуре, когда дверь между ними на время открыта. В стандартной теории Большого взрыва, однако, это объяснение также не годится. Приведем один из способов подумать об этом.

Представьте просмотр пленки, на которой изображен полный курс космической эволюции от начала до сегодняшнего дня. Остановите пленку на некотором произвольном моменте и спросите себя; могут ли два отдельных региона пространства, подобных кухне и жилой комнате, влиять на температуру друг друга? Могут ли они обмениваться светом и теплом? Ответ зависит от двух вещей: расстояния между регионами и количества времени, истекшего с момента Взрыва. Если расстояние между ними меньше, чем путь, который может проделать свет за время с момента Взрыва, тогда регионы могут повлиять друг на друга; в противном случае не могут. Теперь вы можете подумать, что все регионы наблюдаемой вселенной могли взаимодействовать друг с другом когда-то вблизи начала, поскольку чем дальше мы отматываем пленку назад, тем теснее становятся регионы и поэтому им легче провзаимодействовать. Но это рассуждение слишком поспешное; не принят во внимание тот факт, что не только регионы пространства были ближе друг к другу, но также и времени у них было меньше, чтобы совершить обмен.

Чтобы провести корректный анализ, представьте космическую пленку, прокручивающуюся в обратном направлении, в то время как вы сосредоточились на двух регионах пространства, находящихся в настоящее время на противоположных сторонах наблюдаемой вселенной, – регионах настолько удаленных, что они в настоящее время находятся вне сферы влияния друг друга. Если для уменьшения вдвое расстояния между ними мы отмотаем космическую пленку более чем наполовину назад по направлению к началу, тогда даже если регионы пространства были ближе друг к другу, коммуникации между ними были все еще невозможны: они были разделены наполовину по сравнению с сегодняшним положением, но и времени с момента Взрыва прошло тоже меньше, чем половина от сегодняшнего, так что свет смог бы пролететь только меньше половины нужного расстояния. Аналогично, если из этой точки на пленке мы переместимся более чем наполовину назад к началу, чтобы еще раз вдвое уменьшить расстояние между регионами, коммуникации между ними остаются еще более затрудненными. При таком виде космической эволюции, даже если регионы были ближе друг к другу в прошлом, становится более загадочным – не менее – что они каким-то образом смогли выровнять свои температуры. В зависимости от того, как далеко свет может пропутешествовать, регионы становятся все более отсеченными друг от друга по мере того, как мы исследуем их все дальше назад во времени.

Это в точности то, что происходит в стандартной теории Большого взрыва. В стандартной теории Большого взрыва гравитация действует только как притягивающая сила, так что с самого начала она действует, чтобы ослабить расширение пространства. Теперь, если что-либо ослабляется, ему потребуется больше времени, чтобы покрыть заданную дистанцию. Например, представьте, что Секретариат покинул старт стремительной иноходью и покрыл первую половину скаковой дистанции за две минуты, но, поскольку сегодня не его лучший день, он заметно сдал на второй половине и взял три дополнительные минуты до финиша. При просмотре пленки скачек в обратном порядке мы отмотали пленку более чем наполовину назад, чтобы увидеть, как Секретариат пересекает отметку половины дистанции (мы передвинулись по пятиминутной пленке всех скачек назад к двухминутной отметке). Аналогично, поскольку в стандартной теории Большого взрыва гравитация ослабляет расширение пространства, из любой точки на космической пленке нам нужно отмотать больше чем половину назад во времени, чтобы уполовинить расстояние между двумя регионами. И, как выше, это означает, что даже если области пространства были ближе друг к другу в более ранние времена, было более трудно – а не менее – для них оказать друг на друга влияние, и потому более загадочно, – а не менее – что они как-то достигли одинаковой температуры.

Физики определяют космический горизонт региона (или, для краткости, горизонт) как наболее удаленные окружающие регионы пространства, которые достаточно близки к данному региону, чтобы любая пара могла обменяться световыми сигналами за время, прошедшее с момента Взрыва. Имеется аналогия с самыми удаленными вещами, которые мы можем видеть на земной поверхности из любой отдельной точки отсчета. Тогда проблема горизонта заключается в загадке, присущей наблюдениям, что области, чьи горизонты всегда были разделены, – области, которые никогда не могли взаимодействовать, находиться в связи или любым способом оказывать влияние друг на друга, – каким-то образом имеют почти одинаковую температуру.

проблема горизонта не подразумевает, что стандартная модель Большого взрыва неверна, но она взывает к объяснению. Инфляционная космология его обеспечивает.

В инфляционной космологии имелось краткое мгновение, во время которого гравитация была отталкивательной, и это заставило пространство расширяться все быстрее и быстрее. Во время этой части космической пленки, вы могли бы отмотать пленку менее чем наполовину назад, чтобы вдвое уменьшить расстояние между регионами. Подумайте о скачках, в которых Секретариат покрыл первую половину дистанции за две минуты, а затем, поскольку это были бега его жизни, ускорился и промчался через вторую половину за одну минуту. Вы будете перематывать назад только трехминутную пленку к двухминутной отметке – менее, чем наполовину назад, – чтобы увидеть его пересекающим отметку половины дистанции. Аналогично, ускоряющийся темп разделения любых двух регионов пространства во время инфляционного расширения предполагает, что уменьшение вдвое расстояния между ними потребует отматывания космической пленки менее – намного менее, – чем наполовину назад к началу. Следовательно, если мы двигаемся дальше назад во времени, для любых двух регионов пространства становится легче оказать влияние друг на друга, поскольку, соответственно говоря, имеется больше времени для их взаимодействия. Расчеты показывают, что если фаза инфляционного расширения заставила пространство расшириться, как минимум, на фактор 1030 (число, которое легко достигается в отдельных реализациях инфляционного сценария), все области пространства, которые мы видим в настоящее время, – все регионы пространства, чьи температуры мы можем измерить, – были в состоянии взаимодействовать также легко, как смежная кухня и жилая комната, и потому естественно пришли к одинаковой температуре в ранние моменты вселенной. В двух словах, пространство расширяется достаточно медленно в самом начале, чтобы однородная температура могла широко установиться, а затем в ходе интенсивного взрыва все более быстрого расширения вселенная состыковала вялый старт и широкое разнесение близких регионов.

Таким образом инфляционная космология объяснила однородность микроволнового фонового излучения, заполняющего пространство, которая в ином случае загадочна.

Инфляция и проблема плоскостности

Вторая проблема, адресуемая инфляционной космологии, имеет дело с формой пространства. В Главе 8 мы установили критерии однородной пространственной симметрии и нашли три способа, которыми ткань пространства может изгибаться. Обращаясь к нашей двумерной визуализации, имеются возможности положительной кривизны (форма подобная поверхности шара), отрицательной кривизны (седловая форма) и нулевой кривизны (форма подобная бесконечной плоской поверхности стола или экрану видеоигры конечных размеров). С ранних дней ОТО физики осознавали, что полная материя и энергия в каждом объеме пространства – плотность материи/энергии – определяет кривизну пространства. Если плотность материи/энергии высока, пространство свернется в форму сферы; это значит, что будет положительная кривизна. Если плотность материи/энергии низка, пространство будет расширятся вовне как седло; это значит, будет отрицательная кривизна. Или, как отмечалось в последней главе, для очень специального количества плотности материи/энергии – критической плотности, равной массе около пяти атомов водорода (около 10–23 грамм) в каждом кубическом метре, – пространство будет лежать точно между этими двумя экстремумами и будет совершенно плоским; это значит, что кривизны не будет.

Теперь о загадке.

Уравнения ОТО, которые лежат в основе стандартной модели Большого взрыва, показывают, что если плотность материи/энергии в начале была в точности равна критической плотности, то она останется равной критической плотности, когда пространство расширяется. Но если плотность материи/энергии была хотя бы чуть-чуть больше или чуть-чуть меньше, чем критическая плотность, последующее расширение уведет ее очень и очень далеко от критической плотности. Чтобы прямо почувствовать числовые величины, отметим, что если через секунду после Большого Взрыва вселенная не дотягивала до критической плотности, имея 99,99 процента от нее, расчеты показывают, что сегодня ее плотность была бы в любом случае уведена вниз до величины 0,00000000001 от критической плотности. Эта разновидность ситуации подобна той, с которой столкнулся скалолаз, который прогуливается по тонкому как бритва уступу с крутым склоном с каждой стороны. Если его шаг направлен прямо по грани, он сможет пересечь уступ. Но даже малейший ошибочный шаг, сделанный чуть слишком влево или вправо, приведет к существенно иному исходу. (И с риском получить одну из слишком далеко идущих аналогий, это свойство стандартной модели Большого Взрыва также напоминает мне душевую много лет назад в студенческом общежитии колледжа: если вы сможете установить кран абсолютно точно, вы сможете получить комфортабельную температуру воды. Но если вы отклонитесь на йоту туда или сюда, вода будет или обжигающая или замораживающая. Некоторые студенты просто прекращали мыться совсем).

Десятилетия физики пытались измерить плотность материи/энергии во вселенной. В 1980е, хотя измерения были далеки от завершения, одна вещь стала определенной: плотность материи/энергии вселенной не является в тысячи и тысячи раз меньше или больше, чем критическая плотность; эквивалентно, пространство искривлено несущественно, или положительно или отрицательно. Это осознание бросило неудобный свет на стандартную модель Большого взрыва. Оно подразумевало, что для соответствия стандартного Большого взрыва наблюдениям некоторый механизм – один из тех, которые никто не может объяснить или идентифицировать, – должен был тонко настроить плотность материи/энергии ранней вселенной экстраординарно близко к критической плотности. Например, расчеты показывают, что через одну секунду после Большого взрыва плотность материи/энергии вселенной должна была находиться в пределах миллионной от миллионой доли процента от критической плотности; если бы материя/энергия отклонилась от критической величины на любое, большее этого мизерного ограничения значение, стандартная модель Большого взрыва предсказала бы плотность материи/энергии сегодня, которая чрезвычайно отличалась бы от того, что мы наблюдаем. Тогда в соответствии со стандартной моделью Большого взрыва, ранняя вселенная была бы сильно похожа на скалолаза, покачивающегося вдоль экстремально узкого склона. Малейшее отклонение в условиях миллиарды лет назад должно было бы привести к сегодняшней вселенной, сильно отличающейся от показанных астрономами измерений. Это известно как проблема плоскостности.

Хотя мы охватили существенные идеи, важно понять смысл, в котором проблема плоскостности является проблемой. Проблема плоскостности ни в каком смысле не показывает, что стандартная модель Большого взрыва не верна. Стойкий последователь прореагирует на проблему плоскостности пожиманием плечами и лаконичной репликой: "Это просто так, как это было тогда давно", приняв тонко настроенную плотность материи/энергии ранней вселенной, – которую стандартная модель Большого взрыва требует, чтобы дать предсказания, которые находятся в одном и том же диапазоне, что и наблюдения, – как необъяснимую данность. Но этот ответ вызовет отвращение у большинства физиков. Физики чувствуют, что теория чрезвычайно неестественна, если ее успехи зависят от экстремально точной настройки свойств, для которого вы не имеете фундаментального объяснения. Без предложения причин, почему плотность материи/энергии ранней вселенной должна была бы быть так тонко настроена на приемлемую величину, многие физики нашли стандартную модель Большого взрыва слишком придуманной. Так что проблема плоскостности высвечивает экстремальную чувствительность стандартной модели Большого взрыва к условиям в удаленном прошлом, о которых мы знаем очень мало; это показывает, как теория для своей работоспособности должна предполагать, какой была вселенная.

Напротив, физики испытывают потребность в теориях, чьи предсказания нечувствительны к неизвестным величинам, вроде того, каковы были вещи в далеком прошлом. Такие теории кажутся крепкими и естественными, поскольку их предсказания не зависят чувствительно от деталей, которые тяжело или даже вообще невозможно определить напрямую. Этот вид теории обеспечивается инфляционной космологией, и предлагаемое ей решение проблемы плоскостности иллюстрирует, почему это так.

Существенное наблюдение заключается в том, что, в то время как притягивающая гравитация увеличивает любое отклонение от критической плотности материи/энергии, отталкивающая гравитация инфляционной теории действует противоположно: она уменьшает любое отклонение от критической плотности. Чтобы почувствовать, почему это так, самое простое использовать тесную связь между плотностью материи/энергии вселенной и ее кривизной из геометрических соображений. В особенности отметим, что даже если форма ранней вселенной была существенно искривленной, после инфляционного расширения часть пространства, достаточно большая для включения в себя наблюдаемой сегодня вселенной, выглядит очень близко к плоской. Это свойство геометрии, о котором мы все осведомлены: поверхность баскетбольного мяча, очевидно, искривлена, но потребовалось много времени и мыслителей с нахальством, прежде чем каждый согласился, что поверхность Земли также искривлена. Причина в том, что при прочих равных условиях чем большие размеры имеет что-то, тем более постепенно оно искривляется и тем более плоским кажется кусок заданного размера на его поверхности. Если вы накинете штат Небраска на сферу только в несколько сотен миль в диаметре, как на Рис 10.4а, он будет выглядеть искривленным, но на земной поверхности, с чем согласны все жители Небраски, он выглядит плоским. Если вы расположите Небраску на сферу в миллиард раз больше Земли, она будет выглядеть еще более плоской. В инфляционной космологии пространство растягивается на такой колоссальный фактор, что наблюдаемая вселенная, та часть, которую мы можем видеть, является всего лишь малым кусочком в гигантском космосе. Так что, подобно Небраске, расположенной на гигантской сфере, как на Рис 10.4d, даже если вся вселенная искривлена, наблюдаемая вселенная будет очень близка к плоской.

(а) (b) (c) (d)

Рис 10.4 Форма фиксированного размера, такая как штат Небраска, кажется все более и более плоской, когда она располагается на все более и более больших сферах. В этой аналогии сфера представляет всю вселенную, тогда как Небраска представляет наблюдаемую вселенную – часть внутри нашего космического горизонта.

Это похоже на противоположно ориентированные магниты, вставленные в ботинки скалолаза, если они достаточно сильные, и толщину склона, который он пересекает. Даже если его шаг пытается несколько отклониться от рубежа, сильное притяжение между магнитами обеспечивает, что его ноги останутся прямо на склоне. Аналогично, даже если ранняя вселенная отклонилась на значительную величину от критической плотности материи/энергии и потому была далека от плоской, инфляционное расширение обеспечит, что часть пространства, к которому мы имеем доступ, будет приведена к плоской форме, а плотность материи/энергии, к которой мы имеем доступ, будет приведена к критической величине.

Прогресс и предсказания

Проникновение инфляционной космологии в проблемы горизонта и плоскостности представляет потрясающий прогресс. Для космологической эволюции, чтобы получить однородную вселенную, чья плотность материи/энергии хотя бы отдаленно приближалась к тому, что мы сегодня наблюдаем, стандартная модель Большого взрыва требует точнейшей, необъяснимой, почти сверхъестественной настройки первоначальных условий. Эта настройка может быть допустима как заслуживающая доверия с точки зрения адвокатов стандартной модели Большого взрыва, но отсутствие объяснения делает теорию искусственной.

Напротив, безотносительно к детальным свойствам плотности материи/энергии ранней вселенной, инфляционная космологическая эволюция предсказывает, что часть вселенной, которую мы можем видеть, должна быть очень близка к плоской; это значит, она предсказывает, что плотность материи/энергии, которую мы наблюдаем, должна быть очень близка к 100 процентам от критической плотности.

Нечувствительность к детальным свойствам ранней вселенной является замечательным качеством инфляционной теории, поскольку она позволяет давать определенные предсказания независимо от нашей неосведомленности об условиях далекого прошлого. Но мы теперь можем спросить: Как эти предсказания соотносятся с детальными и точными наблюдениями? Поддерживают ли данные опыта предсказание инфляционной космологии, что мы должны наблюдать плоскую вселенную, содержащую в себе критическую плотность материи/энергии?

Долгие годы ответ, казалось, должен быть: "Не совсем". Многочисленные астрономические исследования тщательно измеряли количество материи/энергии, которое должно быть видно в космосе, и ответ получался около 5 процентов от критической плотности. Это далеко от гигантских или ничтожных плотностей, к которым естественно приводит стандартная модель Большого взрыва – без искусственной тонкой настройки, – и является тем, что я упоминал раньше, когда я говорил, что наблюдения устанавливают плотность материи/энергии вселенной, не отличающуюся в тысячи и тысячи раз от критической плотности в большую или меньшую сторону. Даже так 5 процентов не достигают цели в 100 процентов, что предсказывает инфляция. Но физики давно осознали, что должна быть проявлена осторожность в оценке данных. Астрономические исследования, говоря о 5 процентах, принимают во внимание только материю и энергию, которая излучает свет, и потому может быть видна в телескопы астрономов. И за десятилетия, даже перед открытием инфляционной космологии, было очевидно установлено, что вселенная имеет массивную темную часть.

Предсказание темноты

Во время ранних 1930х Фриц Цвикки, профессор астрономии Калифорнийского Технологического Института (в высшей степени язвительный ученый, чье понимание симметрии привело его к названию своих коллег сферическими ублюдками, поскольку, как он объяснял, они были ублюдками, с какой бы стороны вы на них ни посмотрели), осознал, что удаленные галактики в скоплении в созвездии Волосы Вероники (скопление Кома), коллекции тысяч галактик на расстоянии около 370 миллионов световых лет от Земли, двигаются слишком быстро, чтобы их видимая материя собрала достаточную гравитационную силу, чтобы удержать их привязанными к группе. Вместо этого, его анализ показал, что многие из наиболее быстро двигающихся галактик должны очевидно выбрасываться из группы, подобно каплям воды, отброшенным вращающимся велосипедным колесом. Однако этого нет. Цвикки выдвинул гипотезу, что там может быть дополнительная материя, пропитывающая скопление, которая не излучает света, но добавляет дополнительное гравитационное притяжение, необходимое, чтобы удерживать группу вместе. Его расчеты показали, что если объяснение правильное, значительно большая часть массы группы должна содержаться в этом несветящемся материале. К 1936 подтвержденное свидетельство было найдено Синклером Смитом из обсерватории Маунт Вилсон, который изучил скопление галактик в созвездии Девы (скопление Вирго) и пришел к аналогичному заключению. Но поскольку наблюдения обоих ученых, точно так же, как многих других последующих, имели различные неопределенности, многие остались не убежденными, что имеется массивная невидимая материя, чье гравитационное притяжение удерживает группы галактик вместе.

На протяжении следующих тридцати лет наблюдаемые подтверждения несветящейся материи продолжали нарастать, но реально вопрос был решен работой астронома Веры Рубин из Института Карнеги в Вашингтоне вместе с Кентом Фордом и другими. Рубин и ее коллеги изучили движения звезд внутри большого числа вращающихся галактик и пришли к заключению, что если то, что мы видим, является тем, что есть на самом деле, то многие звезды галактик должны регулярно выбрасываться наружу. Их наблюдения окончательно показали, что видимая материя галактик нигде не может оказывать достаточно сильное гравитационное притяжение, чтобы удержать наиболее быстрые звезды от освобождения. Однако, их детальный анализ также показал, что звезды будут оставаться гравитационно привязанными, если галактики, где они обитают, погружены в гигантский шар несветящейся материи (как показано на Рис.10.5), чья общая масса намного превосходит массу видимого галактического материала. Итак, как на представлении, где обозначается присутствие одетого в темное мима, даже если видны только его руки в белых перчатках, летающие туда и сюда по неосвещенной сцене, астрономы пришли к выводу, что вселенная должна быть заполнена темной материей – материей, которая не слипается в звезды и потому не излучает свет, и которая при этом оказывает гравитационное притяжение, не становясь видимой. Светящиеся составляющие вселенной – звезды – проявляются как плавающие маяки в гигантском океане темной материи.

Но если темная материя должна существовать, чтобы произвести наблюдаемые движения звезд и галактик, как понять, что это такое? До настоящего времени никто не знает. Идентификация темной материи остается важнейшей и неясной тайной, хотя астрономы и физики предложили большое число возможных составляющих от различных экзотических частиц до космической ванны из миниатюрных черных дыр. Но даже без определения ее состава, через внимательный анализ ее гравитационных эффектов астрономы смогли определить с существенной точностью, как много темной материи распределено по всей вселенной. И ответ, который они нашли, оценивается в 25 процентов от критической плотности. Так что вместе с 5 процентами, находящимися в видимой материи, темная материя приносит нам итог в 30 процентов от количества, предсказанного инфляционной космологией.

Рис 10.5 Галактика, погруженная в шар темной материи (которая искусственно подсвечена, чтобы сделать ее видимой на рисунке).

Ну, определенно, это прогресс, но в течение долгого времени ученые чесали свои затылки, удивляясь, как оценивать оставшиеся 70 процентов вселенной, которая, если инфляционная космология верна, вероятно, как говорят военные, находится в самовольной отлучке. И тогда в 1998 две группы астрономов пришли к одному и тому же шокирующему заключению, которое заставило нашу историю полностью замкнуть круг и еще раз проявило предвидение Альберта Эйнштейна.

Убегающая вселенная

Точно так же, как вы можете стремиться получить второе заключение специалиста для подтверждения медицинского диагноза, физики тоже стремятся получить вторые мнения, когда они приходят к данным или теориям, которые ведут к загадочным результатам. Из этих вторых заключений наиболее убедительными являются те, которые приходят к тем же заключениям с точки зрения, которая резко отличается от исходного анализа. Когда направления объяснений сходятся в одной точке из разных углов, это дает хороший шанс, что мы попали в научное яблочко. Тогда естественно, что с инфляционной космологией, которая строго поддерживает некоторые совсем причудливые вещи, – что 70 процентов массы/энергии вселенной еще должно быть измерено и идентифицировано, – физики стремились к независимому подтверждению. Давно было осознано, что таким трюком могли бы стать измерения параметра торможения.

Еще с момента после начального инфляционного раздувания обычная притягивающая гравитация замедляла расширение пространства. Темп, с которым происходит это замедление, называется параметром торможения. Точное измерение параметра могло бы обеспечить независимый взгляд на полное количество материи во вселенной: больше материи, дает ли она свет или нет, подразумевает большее гравитационное притяжение и потому более определенно ослабляет пространственное расширение.

Многие десятилетия астрономы пытались измерить торможение вселенной, но хотя это делается непосредственно в принципе, это сложная задача на практике. Когда мы наблюдаем удаленные массивные тела, вроде галактик или квазаров, мы видим их такими, какими они были в далеком прошлом: чем они дальше от нас, тем дальше назад во времени мы их наблюдаем. Так, если мы могли бы измерить, как быстро они удаляются от нас, мы получили бы измерение того, как быстро вселенная расширялась в удаленном прошлом. Более того, если мы могли бы провести такие измерения с астрономическими объектами, расположенными на разных расстояниях, мы смогли бы измерить темп расширения вселенной в разные моменты прошлого. Сравнивая эти темпы расширения, мы могли бы определить, как ослабляется расширение пространства во времени и отсюда определить параметр торможения.

Таким образом, для проведения этой стратегии для измерения параметра торможения требуются две вещи: способ измерения расстояния до данного астрономического объекта (так что мы знаем, как далеко назад во времени мы заглядываем) и способ определения скорости, с которой объект удаляется от нас (так что мы знаем темп пространственного расширения в этот момент прошлого). Последнюю составляющую получить проще. Точно так же, как вой сирены полицейского автомобиля падает к более низкому тону, когда он удаляется от вас, частота колебаний света, эмитированного астрономическим источником, также падает, когда объект удаляется. А поскольку свет испускается атомами вроде водорода, гелия или кислорода – атомами, которые входят в состав звезд, квазаров и галактик, – которые тщательно изучены при лабораторных условиях, точное определение скорости объекта может быть проделано через изучение того, как свет, который мы получаем, отличается от света, который мы видим в лаборатории.

Но первая составляющая, метод для точного определения, как далеко находится объект, причиняет астрономам головную боль. Чем дальше что-либо находится, тем более смутно вы его можете различить, но перевести это простое наблюдение в количественное измерение трудно. Чтобы установить дистанцию до объекта по его относительной яркости, вам нужно знать его внутреннюю яркость – насколько ярким бы он был прямо рядом с вами. А определить внутреннюю яркость объекта, удаленного на миллиарды световых лет, тяжело. Генеральная стратегия заключается в поиске видов массивных тел, которые по фундаментальным астрофизическим причинам всегда светят со стандартной заслуживающей доверия яркостью. Если пространство заполнено ярко светящимися 100-ваттными лампочками, хитрость бы удалась, поскольку мы могли бы легко определить расстояние до данной лампочки на основании того, насколько тусклой она выглядит (хотя это была бы сложная задача увидеть 100-ваттную лампочку на существенном удалении). Но, поскольку пространство так не оформлено, что могло бы сыграть роль лампочки стандартной яркости или, на астрономическом языке, что может сыграть роль стандартной свечи? В течение лет астрономы изучали различные возможности, но наиболее успешным кандидатом на сегодняшний день является особый класс взрывов сверхновых.

Когда звезды исчерпывают свое ядерное горючее, направленное наружу давление от ядерной реакции в ядре звезды уменьшается и звезда начинает схлопываться под своим собственнам весом. Ядро звезды рушится в себя, его температура быстро возрастает, что временами приводит к гигантскому взрыву, который сдувает внешние слои звезды в сверкающей демонстрации небесного фейерверка. Такой взрыв известен как сверхновая; на период в неделю отдельная взорвавшаяся звезда может сиять так же ярко, как миллиард солнц. Это в полном смысле слова поражает воображение: отдельная звезда сияет так же ярко, как вся галактика! Различные типы звезд – различных размеров, с разным относительным содержанием различных атомов и так далее – дают начало различным видам взрывов сверхновых, но много лет назад астрономы осознали, что определенные взрывы сверхновых всегда, оказывается, сияют с одинаковой внутренней яркостью. Это взрывы сверхновых типа 1а.

В типе сверхновых 1а белая карликовая звезда – звезда, которая исчерпала свои ресурсы ядерного топлива, но имеет недостаточную массу, чтобы зажечь взрыв сверхновой из себя самой, – всасывает поверхностный материал из находящейся рядом звезды-компаньона. Когда масса звезды-карлика достигает особой критической величины около 1,4 массы Солнца, она подвергается разгону ядерной реакции, что заставляет звезду стать сверхновой. Поскольку такие взрывы сверхновых происходят, когда карликовая звезда достигает одной и той же критической массы, характеристики взрыва, включая его полную внутреннюю яркость, почти совершенно одинаковы от эпизода к эпизоду. Более того, поскольку сверхновые, в отличие от 100-ваттных лампочек, фантастически мощны, они не только имеют стандартную надежную яркость, но вы также можете ясно видеть их через вселенную. Так что они первые кандидаты в стандартные свечи.

В 1990е две группы астрономов, одна под руководством Саула Перлмуттера в Лоуренсовской Национальной Лаборатории в Беркли, а другая под руководством Брайана Шмидта в Австралийском Национальном Университете провели определение торможения, – а отсюда и полной массы/энергии – вселенной путем измерения скоростей удаления сверхновых типа 1а. Идентификация того, что сверхновая принадлежит к типу 1а, является явной и непосредственной, поскольку свет, генерируемый ее взрывом, следует характерной картине пирамидального роста, а затем пологого падения интенсивности. Но на самом деле поймать тип 1а сверхновой на месте преступления является не малым подвигом, поскольку они происходят только раз в несколько сотен лет в типичной галактике. Тем не менее благодаря инновационной технологии одновременного наблюдения тысяч галактик через широкополосные телескопы, команды смогди найти около четырех дюжин сверхновых типа 1а на раздичных расстояниях от Земли. После старательного определения расстояния и скоростей удаления каждой обе группы пришли к совершенно неожиданому заключению: всегда с момента, когда вселенной было около 7 миллиардов лет, темп ее расширения не тормозился. Вместо этого темп расширения возрастал.

Группы пришли к заключению, что расширение вселенной замедлялось первые 7 миллиардов лет после первичного раздувания вовне, почти как автомобиль тормозится, когда он приближается к пункту оплаты на автостраде. Это было, как и ожидалось. Но данные обнаружили, что подобно водителю, который нажимает на педаль газа после преодоления контрольного прохода в пункте оплаты, расширение вселенной с тех пор ускоряется. Темп расширения пространства через 7 миллиардов лет после Взрыва был меньше, чем темп расширения через 8 миллиардов лет после Взрыва, который был меньше, чем темп расширения через 9 миллиардов лет после Взрыва, и так далее, все из которых меньше, чем темп расширения сегодня. Ожидаемое торможение пространственного расширения переключилось на неожиданное ускорение.

Но как так может быть? Ну, ответ обеспечивает подтвержденное второе мнение относительно пропавших 70 процентов массы/энергии, которых физики разыскивали.

Пропавшие 70 процентов

Если вы обратитесь мысленно к 1917 и введению Эйнштейном космологической постоянной, вы получите достаточно информации, чтобы выдвинуть предположение, как это может быть, что вселенная ускоряется. Обычная материя и энергия дает начало обычной притягивающей гравитации, которая замедляет пространственное расширение. Но, поскольку вселенная расширяется и вещи все более отделены друг от друга, это космическое гравитационное притяжение, хотя и продолжает замедлять расширение, становится слабее. А это приводит нас к новому и неожиданному повороту. Если вселенная имела бы космологическую константу, – и если ее значение составляло бы точно нужную, небольшую величину, – то примерно до 7 миллиардов лет после Большого взрыва ее гравитационное отталкивание перекрывалось бы обычным гравитационным притяжением ординарной материи, давая общее замедление расширения в соответствии с данными опыта. Но затем, когда обычная материя рассеялась и ее гравитационное притяжение ослабло, отталкивательное воздействие космологической констансты (чья величина не изменяется, когда материя рассеивается) должно было постепенно взять верх, и эра замедляющегося пространственного расширения должна была смениться эрой ускоренного расширения.

В конце 1990х такие рассуждения и углубленный анализ данных был проведен обеими группами Перлмуттера и Шмидта, чтобы навести на мысль, что Эйнштейн не был неправ восемьдесят лет назад, когда он вводил космологическую постоянную в гравитационные уравнения. Вселенная, предположили обе группы, имеет космологическую постоянную. Ее величина не та, которую предлагал Эйнштейн, поскольку он гнался за статической вселенной, в которой гравитационное притяжение и отталкивание точно уравнивались бы, а эти исследователи нашли, что миллиарды лет отталкивание доминирует. Но несмотря на такие детали, что открытие групп Перлмуттера и Шмидта должно изучаться до достижения полной проверки правильности и завершающиеся исследования сейчас на полном ходу, Эйнштейн еще раз увидел сквозь фундаментальные свойства вселенной такое, которое опередило свое время более чем на восемьдесят лет, когда это свойство было подтверждено экспериментально.

Скорость убегания сверхновых зависит от разницы между гравитационным притяжением обычной материи и гравитационным отталкиванием "темной энергии", заменяющей космологическую постоянную. Принимая количество материи, как видимой, так и темной, около 30 процентов от критической плотности, исследователи сверхновых пришли к заключению, что ускоренное расширение, которое они наблюдали, требует направленного вовне отталкивания космологической постоянной, чья темная энергия дает вклад в критическую плотность около 70 процентов.

Это поразительное число. Если это верно, тогда не только ординарная материя – протоны, нейтроны, электроны – составляют жалкие 5 процентов от массы/энергии вселенной, и не только некоторая, на сегодня неидентифицированная форма темной материи составляет, по меньшей мере, в пять раз больше этого количества, но также львиную долю массы/энергии во вселенной составляет полностью отличающаяся и еще более таинственная форма темной энергии, которая распределена по всему пространству. Если эти идеи верны, они драматически продолжают революцию Коперника: мы не только не являемся центром вселенной, но даже материя, из которой мы сделаны, подобна обломкам, плавающим в космическом океане. Если протоны, нейтроны и электроны были бы удалены из великого творения, полная масса/энергия вселенной почти не уменьшилась бы.

Но имеется вторая, равно важная причина, почему 70 процентов является замечательным числом. Космологическая константа, которая дает вклад 70 процентов в критическую плотность, будет вместе с 30 процентами, приходящимися на ординарную материю и темную материю, давать полную массу/энергию вселенной точно равную полным 100 процентам, предсказываемым инфляционной космологией! Так что направленное наружу оттталкивание, продемонстрированное данными по сверхновым, может быть объяснено именно тем правильным количеством темной энергии для оценки невидимых 70 процентов вселенной, что вызывало недоумение в инфляционной космологии. Измерения сверхновых и инфляционная космология изумительно дополняют друг друга. Они подтверждают друг друга. Каждое направление обеспечивает подтвержденное второе мнение для другого.

Объединяя наблюдаемые результаты по сверхновым с теоретическими предсказаниями инфляции, мы, таким образом, достигаем следующего эскиза космической эволюции, обобщенного на Рис.10.6. Сначала энергия вселенной переносилась полем инфлатона, которое было возвышено от своего состояния минимальной энергии. Вследствие своего отрицательного давления поле инфлатона вызвало гигантский взрыв инфляционного расширения. Затем, примерно на 10–35 секунды позднее, когда поле инфлатона сползло вниз в своей чаше потенциальной энергии, взрыв расширения подошел к концу и инфлатон избавился от своей сдерживаемой энергии, отдав ее на производство ординарной материи и излучения. Много миллиардов лет эти привычные составляющие вселенной оказывали ординарное притягивательное гравитационное воздействие, которое замедляло пространственное расширение. Но когда вселенная выросла и истончилась, гравитационное поле уменьшилось. Около 7 миллиардов лет назад ординарное гравитационное притяжение стало достаточно слабым, чтобы гравитационное отталкивание космологической константы вселенной стало доминировать, и с тех пор темп пространственного расширения постоянно возрастает.

Примерно через 100 миллиардов лет от сегодняшнего дня все галактики, за исключением самых близких, будут угнаны раздувающимся пространством со скоростью больше световой, так что для нас будет невозможно увидеть их вне зависимости от мощности используемых телескопов. Если эти идеи верны, то в далеком будущем вселенная будет безбрежным, пустым и уединенным местом.

Рис 10.6 Линия времени космической эволюции: (а) Инфляционный взрыв, (b) Эволюция по стандартной модели Большого взрыва, (c) Эра ускоренного расширения.

Загадки и прогресс

С этими открытиями, таким образом, кажется, что кусочки космического паззла разложились по местам. Вопросы, остававшиеся без ответа в стандартной теории Большого взрыва, – Что разжигает раздувание пространства вовне? Почему температура микроволнового фонового излучения так однородна? Почему пространство кажется имеющим плоскую форму? – были переадресованы инфляционной теории. Даже при этих условиях тернистые проблемы относительно фундаментальных первооснов продолжали оставаться: Была ли эра перед инфляционным взрывом, и, если была, на что она была похожа? Что привело поле инфлатона, располагавшееся вне его низкоэнергетической конфигурации, к инициации инфляционного расширения? И самый новый из всех вопросов: почему вселенная, видимо, составлена из такой смеси компонентов – 5 процентов привычная материя, 25 процентов темная материя, 70 процентов темная энергия? Несмотря на безмерно радующий факт, что эта космическая рецептура согласуется с инфляционными предсказаниями, что вселенная должна иметь 100 процентов от критической плотности, и хотя это одновременно объясняет ускоренное расширение, найденное из исследований сверхновых, многие физики рассматривают эту смесь для винегрета как явно непривлекательную. Почему, спрашивают многие, состав вселенной оказался таким сложным? Почему имеется горстка рассогласованных ингредиентов в такой кажущейся хаотичной совокупности? Имеется ли некоторый осмысленный лежащий в основании план, который теоретические исследования еще должны обнаружить?

Никто не выдвинул никаких убедительных ответов на эти вопросы; они находятся среди неотложных научных пробем, двигая текущие космологические исследования, и они призваны напоминать нам о многих запутанных узлах, которые мы все еще должны распутать, прежде чем мы сможем утверждать, что имеется полное понимание рождения вселенной. Но, несмотря на еще остающиеся существенные проблемы, инфляция является далеко продвинутой космологической теорией переднего фронта. Несомненно, доверие физиков к инфляции основывается на достижениях, которые мы так долго обсуждали. Но убежденность в инфляционной космологии имеет корни, которые идут еще глубже. Как мы увидим в следующей главе, большое число других рассмотрений – происходящих как от наблюдательных, так и от теоретических открытий, – убедили многих физиков, кто работает в этой области, что инфляционная схема является самым важным и самым устойчивым вкладом нашего поколения в космологическую науку.

 

11 Кванты в небе с алмазами

ИНФЛЯЦИЯ, КВАНТОВОЕ ДРОЖАНИЕ И СТРЕЛА ВРЕМЕНИ

Открытие инфляционной схемы запустило новую эру в космологических исследованиях, и за прошедшее десятилетие были написаны многие тысячи статей по этой теме. Ученые рассмотрели буквально каждый уголок и щель в теории, которую вы, вероятно, уже можете представить. В то время как многие из этих работ фокусировались на деталях технического характера, другие шли дальше и показывали, как инфляция не только решает специфические космологические проблемы, недостижимые для стандартной модели Большого взрыва, но также обеспечивает мощные новые подходы к большому числу старых вопросов. Среди них имеются три разработки, – связанные с формированием компактных структур, вроде галактик; количеством энергии, требующимся для рождения вселенной, которую мы видим; и (что имеет первоочередную важность для нашей истории) происхождением стрелы времени, – на которых инфляция привела к значительному и, как говорят многие, впечатляющему прогрессу.

Давайте посмотрим.

Квантовое небесное письмо

Решение проблем горизонта и плоскостности, предложенное инфляционной космологией, было ее первым притязанием на славу, причем справедливым. Как мы видели, это было значительным успехом. Но за прошедшие с тех пор годы многие физики пришли к уверенности, что и другие достижения инфляционной теории разделили высшую позицию в списке самых важных вкладов в теорию.

Достойное похвалы достижение имеет отношение к проблеме, о которой до сего момента я не призывал вас задуматься: Как получается, что во вселенной есть галактики, звезды, планеты и другие массивные тела? В последних трех главах я просил вас сосредоточиться на астрономически больших масштабах – масштабах, на которых вселенная выглядит однородной, масштабах настолько больших, что целые галактики могли бы мыслиться как отдельные молекулы Н2О, в то время как сама вселенная является полным однородным стаканом воды. Но рано или поздно космология сталкивается с фактом, что когда вы изучаете космос на "более мелких" масштабах, вы открываете массивные структуры, такие как галактики. И здесь еще раз мы сталкиваемся лицом к лицу с загадкой.

Если вселенная на самом деле гладкая, однородная и одинаковая на больших масштабах – свойство, которое подтверждается наблюдением и которое лежит в сердце всего космологического анализа, – то откуда взялась мелкомасштабная комковатость? Непоколебимый адепт стандартной космологии Большого взрыва может еще раз отбросить этот вопрос, ссылаясь на в высшей степени благоприятные и непостижимо тонко настроенные условия в ранней вселенной: "Возле самого начала," – как мог бы сказать этот верующий, – "вещи были в общем и целом гладкими и однородными, но не совершенно однородными. Как условия сложились таким образом, я сказать не могу. Просто так тогда было. Со временем эти мелкие комковатости росли, поскольку комок имеет более значительное гравитационное притяжение, становясь плотнее, чем их окружение, и, следовательно, захватывая большую часть находящегося рядом материала, становились все больше. В конечном счете комки стали достаточно большими, чтобы сформировать звезды и галактики". Это была бы убедительная история, если бы не имелось два недостатка: полное отсутствие объяснения как полной начальной гомогенности, так и этих важных мелких неоднородностей. В этом моменте инфляционная космология обеспечивает радующий прогресс. Мы уже видели, что инфляция предлагает объяснение крупномасштабной однородности и, как мы сейчас узнаем, объяснительная мощь теории идет еще дальше. Замечательно, что в соответствии с инфляционной космологией начальная неоднородность, которая в конечном счете привела к формированию звезд и галактик, возникает из квантовой механики.

Эта внушительная идея возникает из взаимодействия между двумя кажущимися несопоставимыми областями физики: инфляционным расширением пространства и квантовым принципом неопределенности. Принцип неопределенности говорит нам, что всегда имеются компромиссы в том, насколько точно могут быть определены различные соответственные физические свойства в космосе. Наиболее привычный пример (см. Главу 4) заключается в следующем: чем более точно определено положение частицы, тем менее точно может быть определена ее скорость. Но принцип неопределенности также применим и к полям. По сути по тем же причинам, которые мы использовали в его применении к частицам, принцип неопределенности предполагает, что чем более точно определена величина поля в данном месте в пространстве, тем менее точно может быть определен темп изменения поля в этом месте. (Положение частицы и темп изменения ее положения – ее скорость – играют в квантовой механике роль, аналогичную величине поля и темпу изменения величины поля в данном месте в пространстве).

Я хочу обобщить принцип неопределенности, сказав, что, грубо говоря, квантовая механика делает вещи дрожащими и турбулентными. Если скорость частицы не может быть описана с абсолютной точностью, мы также не можем описать, где частица будет располагаться даже через долю секунды, поскольку скорость сейчас определяет положение потом. В известном смысле частица свободна иметь ту или эту скорость или, более точно, принять смесь многих скоростей, а потому она неистово скачет, бессистемно двигаясь по тому или иному пути. Для полей ситуация аналогичная. Если темп изменения поля не может быть определен с абсолютной точностью, тогда мы также не можем определить, какая величина поля будет в любом месте даже мгновением позже. В известном смысле поле колеблется вверх или вниз с той или иной скоростью или, более точно, оно принимает странную смесь многих различных темпов изменения, а потому его величина будет подвергаться бешеному, смазанному, хаотичному дрожанию.

В повседневной жизни мы напрямую не осведомлены о скачках как частиц, так и полей, поскольку они имеют место на субатомных масштабах. Но именно тут инфляция оказывает большое воздействие. Внезапный взрыв инфляционного расширения, растянул пространство на такой гигантский фактор, что то, что изначально относилось к микроскопическим размерам, вырастает до макроскопических. В качестве ключевого примера пионеры инфляционной космологии обнаружили, что хаотические различия между квантовыми дрожаниями в данном месте пространства и в другом могли бы генерировать небольшие неоднородности в микроскопической реальности; вследствие беспорядочного квантового перемешивания количество энергии в одном месте могло бы на йоту отличаться от количества в другом. Тогда через последующее инфляционное раздувание пространства эти ничтожные вариации могли бы быть растянуты до масштабов, намного больших, чем квантовая область, давая малое количество комковатости, почти как тонкие волнистые линии, нарисованные на воздушном шаре фломастером, свободно растягиваются по поверхности шара, когда вы его надуваете. В этом, уверены физики, заключается происхождение комковатости, которую непоколебимые последователи стандартной модели Большого взрыва просто декларируют без оправдания, мол, "так тогда было". Через гигантское растягивание неизбежных квантовых флуктуаций инфляционная космология обеспечивает объяснение: инфляционное расширение растягивает мелкие неоднородные квантовые дрожания и свободно размазывает их по небу.

В течение нескольких миллиардов лет, прошедших с окончания краткой инфляционной фазы, эти мельчайшие комки продолжили расти через гравитационное слипание. Точно так же, как в картине стандартного Большого взрыва, комки имеют немного более сильное гравитационное притяжение, чем их окружение, так что они стягивают находящийся рядом материал, вырастая все больше. Со временем комки выросли достаточно большими, чтобы дать материю для формирования галактик и звезд, населяющих галактики. Определенно, имеется большое число детальных этапов на пути от маленького комка к галактике, и многие все еще требуют объяснения. Но в квантовом мире, который пережил инфляционное расширение, такая неоднородность могла быть растянута из микромира до намного больших масштабов, обеспечив семена для формирования больших астрофизических тел вроде галактик.

Это основная идея, так что можно свободно перепрыгнуть к следующей секции. Но для тех, кто интересуется, я хотел бы сделать обсуждение немного более точным. Повторим, что инфляционное расширение приходит к завершению, когда величина поля инфлатона сползает вниз своей чаши потенциальной энергии и поле теряет всю содержащуюся в нем энергию и отрицательное давление. Мы описывали это как происходящее однородно по всему пространству, – величина инфлатона здесь, там и везде переживала одну и ту же эволюцию, – как это на самом деле следует из управляющих уравнений. Однако, это строго верно, только если мы пренебрегаем эффектами квантовой механики. В среднем величина поля инфлатона на самом деле сползла ко дну чаши, как мы ожидали, думая о нем как о классическом объекте вроде твердого шарика, скатывающегося по наклонной плоскости. Но точно так же, как лягушка, сползая на дно чаши, может прыгать и трястись по пути, квантовая механика говорит нам, что поле инфлатона переживает трепетание и дрожание. На своем пути вниз величина поля может внезапно подпрыгивать на йоту вверх или дергаться на йоту вниз. А вследствие этого дрожания инфлатон достигает величины наименьшей энергии в разных местах в немного разные моменты. Это приводит к тому, что инфляционное расширение "отстреливается" в немного разные моменты в разных точках пространства, так что величина пространственного расширения в разных местах будет немного различаться, проводя к неоднородностям – ряби – сходным с теми, которые вы видите, когда изготовитель пиццы растягивает тесто немного больше в одном месте, чем в другом и создает маленькие изгибы. В настоящее время нормальная интуиция говорит, что дрожания, возникающие из квантовой механики, будут слишком малыми, чтобы быть значимыми на астрофизических масштабах. Но при инфляции пространство расширяется с таким колоссальным темпом, удваиваясь в размере каждые 10–37 секунды, что даже малейшее отличие в продолжительности инфляции в соседних точках приводит к существенной ряби. Фактически расчеты, предпринятые в специальных вариантах реализации инфляции, показывают, что неоднородности, производимые таким образом, имеют тенденцию становиться даже слишком большими; исследователи часто приводят в порядок детали в данной инфляционной модели (точную форму чаши потенциальной энергии поля инфлатона) для обеспечения, чтобы квантовые дрожания не предсказывали слишком комковатой вселенной. Итак, инфляционная космология дает готовый механизм для понимания, как маломасштабные неоднородности отвечают за возникающие комковатые структуры вроде звезд и галактик во вселенной, которая на самых больших масштабах выглядит строго однородной.

Согласно инфляционной теории более чем 100 миллиардов галактик, блистающих по всему видимому пространству как небесные бриллианты, являются ничем иным, как то, что квантовая механика явно написала на небе. Для меня это осознание является одним из величайших чудес современной научной эпохи.

Золотой век космологии

Впечатляющее доказательство, поддерживающее эти идеи, исходит от тщательных, основанных на спутниках наблюдениях температуры микроволнового фонового излучения. Я подчеркивал несколько раз, что температура излучения в одной части неба совпадает с температурой в другой части с высокой точностью. Но, что я сейчас хочу отметить, так это то, что в четвертом знаке после десятичной точки температура различных областей является разной. Точные измерения, впервые выполненные в 1992м на спутнике COBE (the Cosmic Background Explorer – исследователь космического фона) и совсем недавно на спутнике WMAP (the Wilkinson Microwave Anisotopy Probe – зонд микроволновой анизотропии им. Вилкинсона), определили, что в то время как в одной области пространства температура может быть 2,7249 Кельвина, в другой области она может быть 2,7250 Кельвина, а еще в другой 2, 7251 Кельвина.

Удивительной вещью является то, что эти экстраординарно малые температурные вариации следуют картине неба, которая может быть объяснена через наделение ее тем же механизмом, который был предложен для затравочного формирования галактик: квантовые флуктуации, растянутые за счет инфляции. Грубая идея состоит в том, что когда мельчайшие квантовые дрожания размазываются по пространству, они делают его ненамного горячее в одной области и ненамного холоднее в другой (фотоны, полученные из слегка более плотного региона тратят больше энергии, преодолевая чуть более сильное гравитационное поле, а потому их энергия и температура является слегка более низкой, чем у фотонов, полученных из менее плотного региона).

(а) (b)

Рис 11.1 (а) Предсказание инфляционной космологией температурных вариаций микроволнового фонового излучения от одной точки на небе к другой, (b) Сравнение этого предсказания с основанными на спутниках наблюдениями.

Физики провели точные вычисления, основанные на этом предположении, и сформировали предсказание того, как температура микроволнового излучения должна была бы меняться от места к месту на небе, как показано на Рис. 11.1а. (Детали не существенны, но горизонтальная ось связана с угловым расстоянием между двумя точками на небе, а вертикальная ось связана с их температурным различием). На Рис. 11.1b эти предсказания сравниваются со спутниковыми наблюдениями, представленными маленькими алмазами, и вы можете видеть, что имеется экстраординарное совпадение.

Я надеюсь, у вас перехватило дух от такого соответствия теории и наблюдения, потому что если нет, это означает, что я не смог передать всю удивительность результата. Потому, на всякий случай, позвольте мне повторно подчеркнуть, что отсюда следует: установленные на спутниках телескопы недавно измерили температуру микроволновых фотонов, которые путешествовали по направлению к нам беспрепятственно около 14 миллиардов лет. Они нашли, что фотоны, прибывающие из различных направлений в пространстве, имеют почти одинаковую температуру, отличающуюся не более чем на несколько десятитысячных градуса. Более того, наблюдения показали, что эти мельчайшие различия в температуре заполняют определенную картину на небе, демонстрируемую упорядоченной последовательностью алмазов на Рис. 11.1b. И, чудо из чудес, расчеты, проделанные сегодня на основании инфляционной схемы, могут объяснить картину этих ничтожных температурных вариаций – вариаций, установленных около 14 миллиардов лет назад, – и, чтобы увенчать сказанное, ключ для этого объяснения содержит в себе дрожания, возникающие из квантовой неопределенности. Класс!

Этот успех убедил многих физиков в состоятельности инфляционной теории. И, что одинаково важно, те и другие точные астрономические измерения, которые стали возможными только недавно, позволили космологии развиться от области, основанной на предположениях и догадках, до области, твердо основанной на наблюдениях, – наступило такое время, которое заставило многих работающих в этой области физиков назвать нашу эру золотым веком космологии.

Создание вселенной

С таким прогрессом у физиков возник мотив посмотреть, как далеко может зайти инфляционная космология. Может ли она, например, решить основную загадку, сконцентрированную в вопросе Лейбница, почему вообще имеется вселенная? Ну, по меньшей мере, с нашим сегодняшним уровнем понимания, такой вопрос требует слишком многого. Даже если космологическая теория проделала бы столбовую дорогу к этому вопросу, мы могли бы спросить, почему именно эта особая теория – ее допущения, составные части и уравнения – была значима, так что это просто сдвигает вопрос о первопричине дальше на один шаг назад. Если одна только логика как-то требуется вселенной, чтобы существовать и чтобы управляться уникальным набором законов с однозначными составными частями, тогда, возможно, мы имели бы убедительную историю. Но на сегодняшний день это ничто иное, как несбыточные мечты.

Связанный, но в некоторой степени менее амбициозный вопрос, который также задавался в разных видах в течение эпох, гласит: Откуда взялась вся масса/энергия, наполняющая вселенную? Хотя инфляционная космология полный ответ не обеспечивает, она отбрасывает на этот вопрос интригующий новый свет.

Чтобы понять, как это происходит, подумаем об огромном, но эластичном ящике, заполненном многими тысячами толпящихся детей, непрерывно бегающими и прыгающими. Представьте, что ящик полностью непроницаемый, так что ни тепло, ни энергия не могут улетучиться, но поскольку он эластичный, его стены могут двигаться наружу. Когда дети непрестанно врезаются в каждую из стен ящика, – сотни за раз, с еще большими сотнями, которые немедленно последуют, – ящик постоянно расширяется. Теперь вы можете ожидать, что поскольку стены непроницаемы, полная энергия, воплощенная в толпящихся детях, будет полностью оставаться внутри расширяющегося ящика. В конце концов, куда еще денется их энергия? Ну, хотя предположение обоснованное, оно не совсем верно. Есть еще одно место, куда может уходить энергия. Энергию, которую тратят дети каждое мгновение, они вбивают в стены, и большая часть этой энергии преобразуется в движение стен. Само расширение ящика поглощает, и поэтому резко уменьшает энергию детей.

Теперь представьте, что несколько проказников среди детей приняли решение изменить положение дел. Они зацепили огромное число резиновых лент между каждой из противоположных движущихся наружу стен ящика. Резиновые ленты оказывают направленное внутрь, отрицательное давление на стены ящика, которое действует в точности противоположно направленному наружу, происходящему от детей, положительному давлению; вместо того, чтобы переводить энергию в расширение ящика, отрицательное давление резиновых лент "отсасывает" энергию у расширения. Когда ящик расширяется, резиновые ленты растягиваются сильнее, что означает, что они заключают в себе возрастающее количество энергии.

Конечно, на самом деле мы интересуемся не расширяющимися ящиками, а расширяющейся вселенной. И наши теории говорят нам, что пространство заполнено не толпами детей и множеством резиновых лент, а, в зависимости от космологической эпохи, однородным океаном поля инфлатона или горячей баней обыкновенных частиц (электронов, фотонов, протонов и т. п.). Тем не менее, простое наблюдение позволяет нам подвести к космологии заключения, которые мы получили в случае ящика. Точно так же, как быстро движущиеся дети работают против направленных вовнутрь сил, оказываемых стенами ящика, когда тот расширяется, быстро движущиеся частицы в нашей вселенной работают против направленных вовнутрь сил, когда пространство расширяется: они работают против силы гравитации. Это наводит на мысль (которая математически подтверждается), что мы можем провести аналогию между вселенной и ящиком, заменив силу гравитации стенами ящика.

Так что, точно так же, как полная энергия, заключающаяся в детях, падает вследствие ее постоянного перекачивания в энергию стен, когда ящик расширяется, полная энергия, переносимая обыкновенными частицами материи и излучения падает вследствие ее постоянного перекачивания в гравитацию, когда вселенная расширяется. Более того, мы видим, что точно так же, как изготовленные проказниками резиновые ленты оказывают отрицательное давление внутри расширяющегося ящика, однородное поле инфлатона оказывает отрицательное давление внутри расширяющейся вселенной. Так что, точно так же, как полная энергия, собранная в резиновых лентах, возрастает при расширении ящика, поскольку она забирает энергию у стен ящика, полная энергия, заключенная в поле инфлатона возрастает, когда вселенная расширяется, поскольку оно извлекает энергию из гравитации.*

(*) "Использованная тут аналогия с резиновыми лентами несовершенна. Направленное внутрь отрицательное давление оказывается резиновыми лентами, затрудняющими расширение ящика, тогда как отрицательное давление инфлатона двигает расширение пространства. Это важное различие иллюстрирует разъяснение, подчеркнутое на странице 286: в космологии нет такого, что однородное отрицательное давление двигает расширение (только разность давлений приводит к силам, так что однородное давление, как положительное, так и отрицательное, не производит силу). Скорее, давление, подобно массе, дает начало гравитационной силе. А отрицательное давление дает начало отрицательной гравитационной силе, которая двигает расширение. Это не повлияет на наши заключения."

Обобщаем: когда вселенная расширяется, материя и радиация теряют энергию в пользу гравитации, в то время как поле инфлатона извлекает энергию из гравитации.*

(*) "Когда вселенная расширяется, потеря энергии фотонами может непосредственно наблюдаться вследствие растягивания их длин волн, – они подвергаются красному смещению, – и чем больше длина волны фотона, тем меньшей энергией он обладает. Фотоны микроволнового фона подвергались такому красному смещению около 14 миллиардов лет, что объясняет их большие – микроволновые – длины волн и их низкую температуру. Материя подвергается сходной потере своей кинетической энергии (энергии движения частиц), но полная энергия, связанная в массе частиц (их энергия покоя – энергия, эквивалентная их массе, когда они покоятся) остается постоянной."

Стержневая природа этих наблюдений становится ясной, когда мы попытаемся объяснить происхождение материи и радиации, которые составляют галактик, звезды и все другое, чем населен космос. В стандартной теории Большого взрыва масса/энергия, переносимая материей и излучением, постоянно уменьшается при расширении вселенной, так что масса/энергия в ранней вселенной намного превышала то, что мы видим сегодня. Таким образом, вместо предложения объяснения, откуда взялась вся масса/энергия, в настоящее время населяющая вселенную, стандартная модель Большого взрыва ведет бесконечную войну с противником, занявшим позицию на высоте: чем дальше назад заглядывает теория, тем больше потери массы/энергии она должна как-то объяснить.

Однако в инфляционной космологии верно почти противоположное. Повторим, что инфляционная теория утверждает, что материя и радиация были произведены в конце инфляционной фазы, когда поле инфлатона выделило удерживаемую им энергию, скатившись с возвышения в выемку в своей чаше потенциальной энергии. Следовательно, важный вопрос будет таков: точно так же, как инфляционная фаза была доведена до завершения, которое теория может оценить для поля инфлатона, содержащего громадное количество массы/энергии, есть ли все необходимое, чтобы выдать материю и радиацию в сегодняшней вселенной?

Ответ на этот вопрос таков, что инфляция может это сделать, даже совершенно не вспотев. Как уже объяснялось, поле инфлатона является гравитационным паразитом – оно поедает гравитацию, – так что полная энергия поля инфлатона возрастает, когда пространство расширяется. Более точно, математический анализ показывает, что плотность энергии поля инфлатона остается постоянной в течение инфляционной фазы быстрого расширения, подразумевая, что собранная в нем полная энергия растет прямо пропорционально объему заполненного им пространства. В предыдущей главе мы видели, что размер вселенной в ходе инфляции возрастает, как минимум, на фактор 1030, который означает, что объем вселенной возрастает на фактор, по меньшей мере, (1030)3 = 1090.

Соответственно, заключенная в поле инфлатона энергия возрастет на тот же самый гигантский фактор: когда инфляционная фаза подходит к концу, примерно через 10–35 секунды после ее начала, энергия поля инфлатона возрастает на фактор порядка 1090, если не больше. Это означает, что при запуске инфляции полю инфлатона не нужно иметь много энергии, поскольку гигантское расширение, им порожденное, гигантским образом увеличит переносимую им энергию. Простой расчет показывает, что мельчайший кусок пространства, порядка 10–26 сантиметра в поперечнике, заполненный однородным полем инфлатона – весом не более двадцати фунтов – в ходе последующего инфляционного расширения приобретает достаточно энергии, чтобы оценить ее как все, что мы видим во вселенной сегодня.

Так что в полном контрасте со стандартной теорией Большого взрыва, в которой полная масса/энергия ранней вселенной была невыразимо гигантской, инфляционная космология через "вычерпывание" гравитации может произвести всю обыкновенную материю и излучение вселенной из мельчайшего двадцатифунтового куска заполненного инфлатоном пространства. Это ни в коем случае не отвечает на вопрос Лейбница о том, почему имеется нечто вместо ничего, поскольку нам еще необходимо объяснить, почему имелся инфлатон или даже пространство, которое он занимал. Но нечто, требущее объяснения, весит много меньше, чем моя собака Рокки, и это определенно совсем другая стартовая позиция, чем предусматривалось в стандартной модели Большого взрыва.*

(*) "Некоторые исследователи, включая Алана Гута и Эдди Фархи, изучали, можно ли гипотетически создать новую вселенную в лаборатории путем синтезирования кусочка поля инфлатона. Абстрагируясь от факта, что мы все еще не имеем прямой экспериментальной проверки, что это за вещь такая поле инфлатона, отметим, что двадцать фунтов поля инфлатона должно было бы быть втиснуто в ничтожный объем пространства размером грубо около 10 –26 сантиметра, а потому плотность была бы гигантской – примерно в 10 67 раз больше плотности атомных ядер – что находится за пределами того, что мы можем произвести сейчас или, вероятно, всегда."

Инфляция, гладкость и стрела времени

Возможно, мой энтузиазм уже выдал мои пристрастия, но весь прогресс, который наука достигла в наше время, достижения в космологии наполняют меня величайшим трепетом и смирением. Мне кажется, что никогда не терялся тот ажиотаж, который я первоначально почувствовал годы назад, когда впервые изучал основы ОТО и осознал, что из нашего мельчайшего угла пространства-времени мы можем применить теорию Эйнштейна для изучения эволюции целого космоса. Теперь, несколько десятилетий спустя, технологический прогресс подвергает эти некогда абстрактные предположения, как вселенная вела себя в свои самые ранние моменты, наблюдательному тестированию, и теория на самом деле работает.

Повторим, однако, что помимо общей важности космологии для истории пространства и времени, Главы 6 и 7 направили нас на изучение истории ранней вселенной со специальной целью: поискать истоки стрелы времени. Вспомним из этих глав, что единственная убедительная схема, которую мы нашли для объяснения стрелы времени, заключалась в том, что ранняя вселенная имела экстремально высокий порядок, то есть экстремально низкую энтропию, что установило основу для будущего, в котором энтропия всегда увеличивается. Точно так же, как страницы Войны и Мира не могли бы обладать способностью все более беспорядочно перемешиваться, если бы они не были в некоторый момент аккуратно упорядоченными, так и вселенная тоже не могла бы обладать способностью все более разупорядочиваться – молоко разливаться, яйца разбиваться, люди стареть – без того, чтобы она имела высоко упорядоченную конфигурацию в начале. Загадка, с которой мы столкнулись, заключается в объяснении, как могла возникнуть эта высоко упорядоченная низкоэнтропийная стартовая точка.

Инфляционная космология предлагает солидный прогресс в этом вопросе, но позвольте мне сначала напомнить вам загадку более точно в случае, если некоторые существенные детали ускользнули от вашего внимания.

Имеется строгое доказательство и малые сомнения, что раньше в истории вселенной материя была распределена по всему пространству однородно. Обычно это может быть охарактеризовано высокоэнтропийной конфигурацией – подобно молекулам углекислого газа из бутылки колы, распространившимся однородно по всей комнате, – и потому может быть настолько банальным, что едва ли требует объяснения. Но когда действует гравитация, как это имеет место при рассмотрении целой вселенной, однородное распределение материи является редкой, низкоэнтропийной, высоко упорядоченной конфигурацией, поскольку гравитация подвигает материю к формированию комков. Аналогично, гладкая и однородная кривизна пространства также имеет очень низкую энтропию; она высоко упорядочена по сравнению с дико вспученной, неоднородной пространственной кривизной. (Точно так же, как для страниц Войны и Мира имеется много способов быть разупорядоченными, но только один способ быть упорядоченными, имеется много способов для пространства иметь разупорядоченную, неоднородную форму, но всего несколько способов, в которых оно может быть полностью упорядоченным, гладким и однородным). Так что мы остаемся с загадкой: Почему ранняя вселенная имела низкоэнтропийное (высоко упорядоченное) распределение материи вместо высокоэнтропийного (сильно разупорядоченного) комковатого распределения материи, такого как разнообразные скопления черных дыр? И почему кривизна пространства была гладкой, упорядоченной, однородной с экстремально высокой точностью, а не пронизанной различными гигантскими искажениями и сильными искривлениями, также подобными тем, которые генерируются черными дырами?

Как впервые детально обсудили Пол Дэвис и Дон Пейдж, инфляционная космология предлагает важный прорыв в решении этих проблем. Чтобы увидеть это, удержим в уме, что существенное допущение загадки заключается в том, что раз комки формируются тут и там, их более сильное гравитационное притяжение собирает все больше материала, заставляя их расти дальше; соответственно, раз рябь в пространстве формируется тут и там, ее большее гравитационное притяжение имеет тенденцию делать рябь еще более сильной, приводя к ухабистой, сильно неоднородной пространственной кривизне. Когда действует гравитация, обычно и обыкновенно высокоэнтропийные конфигурации являются комковатыми и ухабистыми.

Но отметим следующее: эти рассуждения относятся полностью к притягивательной природе обычной гравитации. Комки и ухабы растут потому, что они сильно притягивают соседний материал, добиваясь, чтобы такой материал присоединился к комку. В течение короткой инфляционной фазы, однако, гравитация была отталкивательной и это меняет все. Возьмем форму пространства. Гигантское направленное наружу воздействие отталкивательной гравитации приводит пространство к раздуванию так быстро, что начальные изгибы и деформации были плавно растянуты, почти как полностью надутый сморщенный воздушный шар растягивает свою складчатую поверхность.* И, что еще существеннее, поскольку объем пространства возрастает на колоссальный фактор во время короткого инфляционного периода, плотность каждого комка материи полностью падает, почти как плотность рыб в вашем аквариуме понизится, если его объем неожиданно возрастет до размеров Олимпийского плавательного бассейна. Таким образом, хотя притягивательная гравитация заставляет комки материи и неровности пространства расти, отталкивательная гравитация действует противоположно: она заставляет их уменьшаться, приводя к все более гладкому, все более однородному результату.

(*) "Не надо смешивать следующее: Инфляционное растягивание квантовых дрожаний, обсуждавшееся в последней секции, все еще производит мелкие неизбежные неоднородности около 1 части из 100 000. Но эта мельчайшая неоднородность размещается на гладкой во всех других отношениях вселенной. Мы сейчас описываем, как возникает последняя – лежащая в основе гладкая однородность".

Таким образом, к концу инфляционного взрыва размер вселенной вырастает фантастически, любая неоднородность в кривизне пространства растягивается и любые начальные комки чего угодно полностью растворяются до состояния несущественности. Более того, когда поле инфлатона сползает вниз на дно своей чаши потенциальной энергии, приводя взрыв инфляционного расширения к завершению, оно конвертирует удерживаемую энергию в почти однородное море частиц ординарной материи во всем пространстве (выравнивая все вплоть до мельчайших, но важнейших неоднородностей, происходящих от квантовых дрожаний). В целом все это звучит как большой прогресс. Результат, которого мы достигли с помощью инфляции, – гладкая, однородная пространственная протяженность, населенная почти однородным распределением материи, – это в точности то, что мы пытались объяснить. Это в точности низкоэнтропийная конфигурация, которая нам была нужна для объяснения стрелы времени.

Энтропия и инфляция

На самом деле, это существенный прогресс. Но две важных проблемы остаются.

Первое, мы, кажется, пришли к заключению, что инфляционный взрыв разглаживает вещи и отсюда снижает полную энтропию, олицетворяя физический механизм, – не только статистическую случайность, – который выглядит как нарушающий второй закон термодинамики. В этом случае или наше понимание второго закона или наши текущие рассуждения будут иметь ошибку. В действительности, однако, мы с этой проблемой не сталкиваемся, поскольку полная энтропия не уменьшилась в результате инфляции. Что реально произошло в ходе инфляционного взрыва, так это то, что полная энтропия возросла, но возросла намного меньше, чем она могла бы быть. Вы видите к концу инфляционного взрыва, что пространство гладко растянулось, так что гравитационный вклад в энтропию – энтропия, связанная с возможной неровной, неупорядоченной, неоднородной формой пространства, – был минимален. Однако, когда поле инфлатона сползло на дно своей чаши и избавилось от своей запасенной энергии, можно оценить количество произведенных частиц материи и излучения примерно в 1080. Такое огромное число частиц, как и книга с огромным числом страниц, заключает в себе огромное количество энтропии. Таким образом, даже если гравитационная энтропия снизилась, рост в энтропии от производства всех этих частиц более чем компенсирует такое снижение. Полная энтропия возросла, точно так, как мы ожидали от второго закона термодинамики.

Но, и это важный момент, инфляционный взрыв через разглаживание пространства и обеспечение однородного, низкоэнтропийного гравитационного поля создает огромный зазор между тем, каким был вклад гравитации в энтропию, и тем, каким он мог бы стать. Полная энтропия возросла во время инфляции, но на совершенно незначительную величину по сравнению с тем, насколько она могла возрасти. В этом смысле и понимается, что инфляция генерирует низкоэнтропийную вселенную: к концу инфляции энтропия возросла, но совсем не на тот фактор, на который возросла пространственная протяженность. Если энтропию связать со стоимостью собственности, он стала бы такой, как если бы Нью Йорк приобрел пустыню Сахара. Полная стоимость общей собственности возросла, но на мельчайшую величину по сравнению с полным ростом площади земли.

Все время с момента завершения инфляции гравитация пытается наверстать энтропийную разницу. Каждый комок – будь он галактикой, или звездой в галактике, или планетой, или черной дырой, – который гравитация последовательно выудила из однородности (комок, посеянный мельчайшими неоднородностями от квантовых дрожаний), имеет растущую энтропию и подводит гравитацию на один шаг ближе к реализации ее энтропийного потенциала. В этом смысле инфляция представляет собой механизм, который дает большую вселенную с относительно низкой гравитационной энтропией и, таким образом, устанавливает основу для последующих миллиардов лет гравитационного слипания, которое привело к тому, свидетелями чего мы сегодня являемся. Итак, инфляционная космология задает направление стреле времени путем создания прошлого с чрезвычайно низкой гравитационной энтропией; будущее является направлением, в котором эта энтропия возрастает.

Вторая проблема становится очевидной, когда мы продолжим углублять путь, к которому стрела времени привела нас в Главе 6. От яйца к курице, которая его снесла, к куриному корму, к растительному миру, к солнечному теплу и свету, к изначальному однородно распределенному газу Большого взрыва мы следовали эволюции вселенной в прошлое, которое имело всегда больший порядок, на каждом этапе сдвигая загадку низкой энтропии на один шаг дальше назад во времени. Теперь мы еще осознали, что только самый ранний этап инфляционного расширения может естественно объяснить гладкие и однородные последствия Взрыва. Но как насчет самого инфлатона? Можем ли мы объяснить первое звено в той цепочке, которой мы следовали? Можем ли мы объяснить, почему условия, которые требовались перед инфляционным взрывом, полностью осуществились?

Это проблема высшей важности. Не имеет значения, как много загадок решила инфляционная космология в теории, если эра инфляционного расширения никогда не имела место, подход будет признан не имеющим отношения к делу. Более того, поскольку мы не можем пойти назад в раннюю вселенную и прямо определить, произошла ли инфляция, оценка того, сделали ли мы реальный прогресс в установлении направления стрелы времени, требует, чтобы мы определили вероятность, что условия, необходимые для инфляционного взрыва, были выполнены. Это значит, что физики раздражены из-за уверенности стандартной модели Большого взрыва в тонко настроенных однородных начальных условиях, которые, будучи мотивированы наблюдениями, необъяснимы теоретически. Кажется глубоко неудовлетворительным для низкоэнтропийного состояния ранней вселенной просто допустить его; кажется бессодержательным установить во вселенной стрелу времени без какого-либо объяснения. На первый взгляд инфляция предлагает прогресс, показывая, что то, что допускается в стандартной модели Большого взрыва вытекает из инфляционной эволюции. Но если инициирование инфляции требует еще других, более специальных, чрезвычайно низкоэнтропийных условий, мы оказались бы опять в самом начале. Мы просто поменяли бы специальные условия модели Большого взрыва на специальные условия, необходимые для поджигания инфляции, и загадка стрелы времени осталась бы точно такой же загадкой.

Что за условия необходимы для инфляции? Мы видели, что инфляция является неизбежным результатом посадки величины поля инфлатона на короткое время и в рамках маленькой области на высокоэнергетическое плато в его чаше потенциальной энергии. Наша задача, следовательно, свелась к определению, насколько вероятной в действительности является такая стартовая конфигурация. Если запуск инфляции обеспечивается легко, мы будем в великолепной форме. Но если достижение требуемых условий экстраординарно маловероятно, мы просто сдвинем вопрос стрелы времени дальше на один шаг назад – к поиску объяснения для низкоэнтропийной конфигурации поля инфлатона, которое скатывается шариком.

Я сначала опишу современные соображения по этой проблеме в наиболее оптимистичном свете, а затем вернусь к существенным элементам истории, которые остались туманными.

Возвращение Больцмана

Как отмечалось в предыдущей главе, инфляционный взрыв является лучшей мыслью о том, как развивались события в заранее существующей вселенной, а не мыслью о создании самой вселенной. Хотя мы не имеем неоспоримого понимания о том, на что вселенная была похожа в течение самой предынфляционной эры, посмотрим, как далеко мы можем зайти, если предположим, что вещи были в строго ординарном, высокоэнтропийном состоянии. В особенности, давайте представим, что изначальное предынфляционное пространство было пронизано деформациями и изгибами и что поле инфлатона также было сильно разупорядочено, его величина прыгала туда и сюда подобно лягушке в горячей металлической чаше.

Теперь, точно так же, как вы можете ожидать, что если вы упорно играете в честно действующий игровой автомат, раньше или позже хаотически крутящиеся колеса лягут на три алмаза, мы ожидаем, что раньше или позже случайные флуктуации в этой высокоэнергетической турбулентной арене изначальной вселенной заставят величину поля инфлатона выпрыгнуть в правильную однородную величину в некотором малом кусочке пространства, инициировав направленный вовне взрыв инфляционного расширения. Как объяснялось в предыдущей секции, расчеты показывают, что куску пространства необходимо быть исключительно маленьким – порядка 10–26 сантиметра в поперечнике – для результирующего космологического расширения (инфляционного расширения, сменяемого расширением стандартной модели Большого взрыва), чтобы он был растянут до величины больше, чем вселенная, которую мы видим сегодня. Таким образом, вместо допущения или простого декларирования, что условия в ранней вселенной были такими, чтобы инфляционное расширение имело место, в таком способе размышлений необходимые условия появляются из фактов ультрамикроскопических флуктуаций, весом не более двадцати фунтов, возникающих внутри ординарного обыкновенного окружения с беспорядком.

Более того, точно так же, как игровой автомат будет также генерировать широкое разнообразие невыигрышных результатов, в других регионах изначального пространства будут происходить также и другие виды флуктуаций инфлатона. В большинстве случаев флуктуации не будут давать правильную величину или будут существенно неоднородными для возникновения инфляционного расширения. (Даже в области, которая не более 10–26 сантиметра в поперечнике, величина поля может дико изменяться). Но все, что для нас имеет значение, так это то, что был один кусочек, который выдал пространственно гладкий инфляционный взрыв, который обеспечил первое звено в низкоэнтропийной цепочке, в конце концов приведшей к нашему привычному космосу. Поскольку мы видим только нашу большую вселенную, нам нужно, чтобы космический игровой автомат выплатил выигрыш только раз.

Поскольку мы привели вселенную назад к статистической флуктуации из первичного хаоса, это объяснение стрелы времени соединяется определенным образом с оригинальным предположением Больцмана. Вспомним из Главы 6, что Больцман предположил, что все, что мы сейчас видим, возникло из редкой, но так часто ожидаемой флуктуации из полного беспорядка. Проблема с исходной формулировкой Больцмана, однако, заключалась в том, что невозможно было объяснить, почему случайная флуктуация оказалась так далеко за бортом хаоса и произвела вселенную в гигантской степени более упорядоченную, чем это было необходимо, чтобы даже поддержать жизнь, как мы ее знаем. Почему такая обширная вселенная имеет миллиарды и миллиарды галактик, каждая из которых имеет миллиарды и миллиарды звезд, когда она могла бы иметь решительно ограниченный уголок, имея, скажем, всего несколько галактик или даже одну единственную?

Со статистической точки зрения намного более скромная флуктуация, которая произвела бы некоторый порядок, но не такой значительный, как мы сейчас видим, была бы намного более вероятной. Более того, поскольку средняя энтропия возрастает, рассуждения Больцмана показывают, что было бы еще намного более вероятным, что все, что мы сегодня видим, просто появилось сию минуту как редкий статистический выброс к низкой энтропии. Повторим аргумент: чем дальше назад произошла флуктуация, тем более низкой энтропии она должна была бы достигнуть (энтропия начинает расти после любого падения к низкой энтропии, как на Рис. 6.4, так если флуктуация произошла вчера, одна должна была упасть к вчерашней низкой энтропии, а если она произошла миллиард лет назад, она должна была упасть именно к низкой энтропии той эры). Поэтому чем дальше назад во времени, тем более драматической и невероятной должна быть требуемая флуктуация. Но если мы принимаем это заключение, мы не можем доверять своей памяти, записям или даже законам физики, которые лежат в основе самой дискуссии – полностью неприемлемая позиция.

Потрясающее преимущество инфляционного возрождения идеи Больцмана заключаются в том, что малая флуктуация сразу – скромный прыжок к подходящим условиям в мельчайшем кусочке пространства – неизбежно дает гигантскую и упорядоченную вселенную, которую мы осознаем. Раз уж инфляционное расширение началось, маленький кусочек будет неумолимо растянут до масштабов, по меньшей мере таких же больших, как вселенная, которую мы в настоящее время видим, а потому нет загадки в том, почему вселенная не ограничилась уголком; нет загадки, почему вселенная столь обширна и населена огромным числом галактик. От начала своего действия инфляция дала вселенной поразительные условия сделки. Прыжок к низкой энтропии внутри мельчайшего кусочка пространства был использован для инфляционного расширения в широчайшие пределы космоса. И, что самое важное, инфляционное растяжение не просто дает произвольную старую большую вселенную. Оно дает нашу большую вселенную – инфляция объясняет форму пространства, она объясняет крупномасштабную однородность, и она даже объясняет "мелкомасштабные" неоднородности, такие как галактики, и температурные вариации фонового излучения. Инфляция упаковывает все богатство объяснительной и предсказательной мощи в отдельную малую флуктуацию к низкой энтропии.

Итак, Больцман был почти прав. Все, что мы видим, могло произойти от случайной флуктуации от высоко разупорядоченного состояния первичного хаоса. В этом объяснении его идеи, однако, мы можем верить нашим записям и мы можем верить нашей памяти: флуктуация не произошла прямо сейчас. Прошлое реально происходило. Наши записи записали вещи, которые имели место. Инфляционное расширение увеличивает микроскопическую крупинку порядка в ранней вселенной, – оно "заводит" вселенную на гигантское расширение с минимальной гравитационной энтропией, – так что 14 миллиардов лет последующего раскручивания, последующего собирания в галактики, звезды, планеты, не представляет загадки.

Фактически этот подход говорит нам даже немного больше. Точно так же, как возможно сорвать куш на нескольких игровых автоматах в подвале казино Белладжио (Лас-Вегас), в изначальном состоянии высокой энтропии и полного хаоса нет причин, по которым необходимые для инфляционного расширения условия могли бы появиться только в отдельном пространственном кусочке. Напротив, как предположил Андрей Линде, там могли бы быть многие кусочки, разбросанные тут и там, которые подверглись разглаживающему пространство инфляционному расширению. Если это было так, наша вселенная становится лишь одной среди многих вселенных, прораставших – и, вероятно, продолжающих прорастать, – когда случайные флуктуации делают условия подходящими для инфляционного взрыва, как проиллюстрировано на Рис.11.2. Так как другие вселенные, вероятно, всегда будут отделены от нашей, тяжело себе представить, как мы когда-либо сможем установить, является ли эта картина "мультивселенной" правильной. Однако, как концептуальная схема, она является как богатой, так и привлекательной. Среди других вещей она предлагает возможный сдвиг в нашем понимании космологии: В Главе 10 я описал инфляцию как "передовой рубеж" стандартной теории Большого взрыва, в котором Взрыв идентифицировался с мимолетным быстрым расширением. Но если мы думаем об инфляционном прорастании каждой новой вселенной на Рис 11.2 как о ее собственном Взрыве, тогда сама инфляция лучше всего выглядит как всеобъемлющая космологическая структура, в рамках которой эволюции вроде Большого взрыва происходят пузырь за пузырем. Таким образом, вместо того, чтобы включить инфляцию в стандартную теорию Большого взрыва, в этом подходе стандартный Большой взрыв включается в инфляцию.

Рис 11.2 Инфляция может возникать постоянно, выращивая новые вселенные из старых.

Инфляция и яйцо

Так почему яйцо расплескивается, но не собирается назад? Откуда происходит стрела времени, которую мы все ощущаем? В этом предложенный подход нас поддерживает. Через случайные, но каждым так часто ожидаемые флуктуации из обыкновенного изначального состояния с высокой энтропией мельчайшие кусочки пространства весом двадцать фунтов достигают условий, которые приводят к короткому взрыву инфляционного расширения. Жуткое, направленное наружу раздувание приводит к растянутому и экстремально гладкому пространству гигантских размеров, и, когда взрыв подходит к концу, поле инфлатона освобождается от своей гигантским образом увеличившейся энергии, заполняя пространство почти однородно материей и излучением. Когда инфляционная отталкивательная гравитация уменьшается, обычная притягивательная гравитация становится доминирующей. И, как мы видели, притягивательная гравитация использует микроскопические неоднородности, вызванные квантовыми дрожаниями, чтобы заставить материю собираться в комки, формируя галактики и звезды и, в конечном счете, приводя к образованию Солнца, Земли и остальной Солнечной системы, а также других структур в нашей наблюдаемой вселенной. (Как обсуждалось, примерно через 7 миллиардов лет после Большого Взрыва отталкивательная гравитация еще раз стала доминирующей, но это существенно только на самых больших космических масштабах и не сказывается непосредственно на более мелких сущностях вроде индивидуальных галактик или нашей Солнечной системы, где по-прежнему царствует ординарная притягивающая гравитация). Солнечная относительно низкоэнтропийная энергия используется низкоэнтропийными растительными и животными формами жизни на Земле, чтобы производить еще более низкоэнтропийные формы жизни, медленно увеличивая полную энтропию через тепло и отходы. В конечном счете эта цепочка произвела курицу, которая произвела яйцо – и мы знаем конец истории: яйцо скатилось с вашего кухонного стола и расплескалось по полу как часть неотвратимого движения вселенной к более высокой энтропии. Такова низкоэнтропийная, высоко упорядоченная, однородно гладкая природа пространственной ткани, произведенной инфляционным растягиванием, что является аналогом обладания всеми страницами Войны и Мира в их правильном числовом расположении; это тот ранее установленный порядок, – отсутствие больших неровностей и деформаций или чудовищных черных дыр, – который заряжает вселенную на постепенную эволюцию к высокой энтропии и потому обеспечивает стрелу времени, которую мы ощущаем. На нашем сегодняшнем уровне понимания это наиболее полное объяснение стрелы времени, которое может быть дано.

Ложка дегтя в бочке меда?

Для меня эта история инфляционной космологии и стрелы времени является любимой. Из дикой и энергичной реальности изначального хаоса возникла ультрамикроскопическая флуктуация однородного поля инфлатона весом намного меньше, чем лимит ручной клади. Это инициировало инфляционное расширение, которое задало направление стреле времени, а остальное и есть история.

Но, говоря об этой истории, мы делаем стержневое допущение, которое все еще не подтверждено. Чтобы определить величину вероятности того, что инфляция могла начаться, мы определили характеристики предынфляционной реальности, без которых инфляционное расширение не обязано возникнуть. Особая реальность, которую мы себе представляли, – дикая, хаотическая, энергичная – звучит разумно, но выражение этого интуитивного описания с математической точностью оказывается затруднительным. Более того, это только гипотеза. Основым моментом является то, что мы не знаем, какие условия были предпочтительны в предлагаемой предынфляционной реальности, в размытом пятне на Рис. 10.3, а без этой информации мы не в состоянии сделать убедительную оценку вероятности инициации инфляции; любое вычисление вероятности чувствительно зависит от сделанных нами допущений.

С этой дырой в нашем понимании самое осмысленное обобщение заключается в том, что инфляция предлагает мощную объяснительную схему, которая связывает вместе кажущиеся несопоставимыми проблемы – проблему горизонта, проблему плоскостности, проблему первоначальной структуры, проблему низкой энтропии ранней вселенной – и предлагает отдельное решение, которое адресуется ко всем этим проблемам. Это кажется правильным. Но, чтобы перейти на следующий этап, нам нужна теория, которая может справиться с экстремальными характеристиками условий размытого пятна, – экстремальными по теплу и колоссальной плотности, – тогда мы сохраним шанс получения острого, однозначного проникновения в самые ранние моменты космоса.

Как мы узнаем в следующей главе, это требует теории, которая может преодолеть, возможно, величайшую преграду теоретической физики, которая стоит перед нами на протяжении последних восьмидесяти лет: фундаментальную трещину между ОТО и квантовой механикой. Многие исследователи уверены, что относительно новый подход, именуемый теорией суперструн, может достигнуть этого, но если теория суперструн верна, ткань космоса оказывается намного более странной, чем кто-либо когда-либо себе представлял.