Расширяя горизонты

В 1979 году Алану Гуту (в ту пору сотруднику Стэнфордского линейного ускорителя) пришла идея, которая, подвергшись критическому осмыслению Андреем Линде (на тот момент сотрудником Физического института им. Лебедева в Москве), Полом Стейнхардом и Андреасом Альбрехтом (профессорско-студенческий дуэт из университета Пенсильвании), решает, по общему признанию, проблему горизонта. Это решение — инфляционная космология — основывается на тонких свойствах общей теории относительности Эйнштейна, которые я скоро объясню подробно, но основные черты можно сформулировать уже сейчас.

Проблема горизонта портит стандартную теорию Большого взрыва, потому что области пространства отдаляются слишком быстро для установления теплового равновесия. Инфляционная теория решает эту проблему, уменьшая скорость разделения областей пространства в начальные моменты времени и обеспечивая таким образом достаточно времени для выравнивания температуры. Затем из теории следует, что после завершения такого «космического рукопожатия» наступает непродолжительный период чрезвычайно быстрого и постоянно ускоряющегося расширения, названного инфляционным расширением , которое более чем достаточно компенсирует вялый старт и быстро разносит разные участки неба на огромные расстояния. Наблюдаемые нами однородные условия больше не являются загадкой, так как общая температура установилась до того, как разные области пространства были быстро разнесены.21 В общих чертах, в этом и состоит суть идеи инфляционной теории.[5]

Однако следует иметь в виду, что не физики определяют, как расширяется Вселенная. Насколько мы можем судить из наиболее точных наблюдений, это делают уравнения общей теории относительности Эйнштейна. Таким образом, перспективность инфляционного сценария зависит от того, возникает ли предложенная модификация стандартной модели Большого взрыва из уравнений Эйнштейна. На первый взгляд это не так очевидно.

Например, я совершенно уверен, что будь у нас возможность встретиться с Ньютоном и объяснить ему в течение пяти минут основные положения общей теории относительности, не забыв про искривлённость пространства и расширяющуюся Вселенную, то он расценил бы наш последующий рассказ про инфляцию как абсурдный. Ньютон бы твёрдо настаивал, что независимо от вычурной математики и новомодного эйнштейновского языка, гравитация является силой притяжения. Стукнув кулаком по столу, он заявил бы, что гравитация притягивает предметы, снижая скорость любого космического разбегания. Расширение, которое начинается вяло, а затем резко ускоряется на каком-то коротком отрезке времени, могло бы решить проблему горизонта, но это фикция. Ньютон настаивал бы на том, что космическое расширение должно замедлиться со временем, подобно тому как гравитационное притяжение уменьшает скорость подброшенного вверх бейсбольного мяча. Конечно, если расширение полностью прекратится и начнётся космическое сжатие, то скорость схлопывания может постепенно возрастать, ровно так же как скорость мяча может расти по мере того, как он летит обратно вниз. Но скорость пространственного расширения не может увеличиваться.

Ньютон ошибается, но вы не вправе винить его. Ведь у вас было мало времени для подробного обзора общей теории относительности. Не поймите меня неправильно. Понятно, что, имея пять минут (одну из которых вы потратили на объяснение того, что такое бейсбол), вы сосредоточились на искривлённом пространстве-времени как источнике гравитации. Ньютон сам настаивал на том, что механизм распространения гравитации неизвестен, и он всегда считал это зияющей дырой в своей собственной теории. Поэтому естественно, что вы хотели продемонстрировать ему решение этого вопроса Эйнштейном. Однако эйнштейновская теория гравитации — это не просто латание дыр в ньютоновской физике. Гравитация общей теории относительности отличается по самой сути от гравитации ньютоновской физики; и есть одно свойство, которое следует особо отметить для нашего изложения.

В ньютоновской теории гравитация обусловлена лишь массой предмета. Чем больше масса, тем сильнее гравитационное притяжение предмета. В эйнштейновской теории гравитация обусловлена массой предмета (и его энергией), а также его давлением . Взвесьте запечатанный пакет с картофельными чипсами. Теперь сожмите пакет, чтобы воздух, находящийся внутри него, оказался под высоким давлением, и затем снова взвесьте его. Согласно Ньютону, вес не изменится, потому что масса не изменилась. Согласно Эйнштейну, сжатый пакет будет весить немножко больше, потому что, хотя масса осталась прежней, давление увеличилось.22 При обычных обстоятельствах подобный эффект увеличения веса исчезающе мал, поэтому мы не обращаем на него никакого внимания. Однако из общей теории относительности и подтверждающих её экспериментов со всей очевидностью следует, что давление даёт вклад в гравитацию.

Это отклонение от ньютоновской теории крайне важно. Давление воздуха, будь это воздух в пакете с картофельными чипсами, надутом шаре или в комнате, где вы сейчас читаете эту книгу, положительно, и это означает, что воздух давит наружу. В общей теории относительности положительное давление, как и положительная масса, даёт положительный вклад в гравитацию, что приводит в увеличению веса. Однако, хотя масса всегда положительна, давление в некоторых ситуациях может быть отрицательным. Представьте себе растянутую резинку. Вместо того, чтобы толкать наружу, растянутые молекулы тянут вовнутрь, приводя к тому, что в физике называется отрицательным давлением (или упругостью ). И точно так же как из общей теории относительности следует, что положительное давление приводит к гравитационному притяжению, эта теория утверждает, что отрицательное давление приводит к противоположному — гравитационному отталкиванию .

Гравитационное отталкивание?

Это поставило бы Ньютона в тупик. Для него гравитация была исключительно силой притяжения. Однако нас это не должно смущать: мы и раньше сталкивались с этим странным пунктом в договоре между общей теорией относительности и гравитацией. Помните, как в предыдущей главе мы обсуждали космологическую постоянную Эйнштейна? Я говорил, что при наполнении пространства однородной энергией космологическая постоянная приводит к гравитационному отталкиванию. Однако тогда я не стал объяснять, почему так происходит. Теперь я могу это сделать. Космологическая постоянная не только наполняет пространство однородной энергией, величина которой определяется значением самой константы (число в третьей строчке гравитационной декларации), но также приводит к появлению в пространстве однородного отрицательного давления (скоро увидим, почему). И когда, как в примерах выше, дело доходит до гравитации, отрицательное давление играет роль, противоположную положительной массе и положительному давлению. Так возникает гравитационное отталкивание.[6]

Гравитационное отталкивание возникло в работах Эйнштейна лишь однажды, и то с ошибочной целью. Он предлагал получить статичную вселенную путём тонкой подстройки значения отрицательного давления во всём пространстве, так чтобы возникшее гравитационное отталкивание точно компенсировало гравитационное притяжение обычного вещества во вселенной. Как мы видели, впоследствии он отказался от этого предложения. Шестьдесят лет спустя создатели инфляционной теории предложили вариант гравитационного отталкивания, который отличался от эйнштейновской версии, как финал восьмой симфонии Малера от звука камертона. Вместо умеренного и равномерного расширения, которое может стабилизировать вселенную, инфляционная теория порождает гигантскую волну гравитационного отталкивания, невероятно короткую и ураганно-мощную. До этого события, однако, есть достаточно времени, чтобы у разных областей пространства выровнялась температура, после чего они разносятся на волне на гигантские расстояния и занимают наблюдаемое сейчас положение на небе.

В этом месте Ньютон снова неодобрительно посмотрел бы на вас. Будучи скептиком, он нашёл бы другой пробел в вашем объяснении. Разобравшись в тонкостях общей теории относительности, почитав один из стандартных учебников, он согласился бы с тем странным фактом, что гравитация в принципе может быть отталкивающей. Но, спросил бы он, к чему весь этот разговор об отрицательном давлении, заполняющем пространство? Одно дело — использовать натяжение растянутой резинки в качестве иллюстрации отрицательного давления. Но совсем другое дело — доказывать, что миллиарды лет назад, примерно в момент Большого взрыва, пространство было мгновенно заполнено огромным и однородным отрицательным давлением. Что за процесс может обеспечить подобное мгновенное и при этом повсеместное распространение отрицательного давления?

В ответе на этот вопрос проявилось гениальное прозрение первооткрывателей инфляции. Было показано, что отрицательное давление, необходимое для создания антигравитационной волны, естественным образом возникает из нового механизма, составляющие которого известны как квантовые поля . Для нашего повествования детали этого явления очень важны, потому что способ инфляционного расширения играет ключевую роль в сценарии параллельных миров, к которому оно приводит.