Аманда Гефтер - На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё

Но что-то в истории о реликтовом излучении не складывалось. Оно обладало одной и той же температурой, независимо от направления наблюдения на небе. Выбираем мы участок неба на расстоянии двенадцати миллиардов световых лет от нас в одном направлении, измеряем температуру микроволнового фона, и она оказывается равной 2,7 кельвинам. Выбираем другой участок неба на расстоянии двенадцати миллиардов световых лет от нас в противоположном направлении – и снова 2,7 кельвина. Разделенные расстоянием в двадцать четыре миллиарда световых лет, эти две области не могли узнать друг о друге всего за четырнадцать миллиардов лет истории Вселенной. Но они обладали одной и той же температурой, измеренной с точностью невероятной, чтобы это было просто совпадением. Чего-то в этой картине недоставало.

Решение проблемы пришло к Алану Гуту, тогда еще никому неизвестному постдоку [14]из Стэнфордского университета, поздней декабрьской ночью 1979 года как внезапное озарение. Он размышлял о монополях. В то время физики считали, что при чрезвычайно высоких температурах в первые мгновения после Большого взрыва все взаимодействия частиц объединены в единую суперсилу, которая затем разделяется на свои составляющие по мере того, как Вселенная расширяется и охлаждается. У этой идеи был один существенный недостаток. Когда температура снижается, суперсила – это не единственное, что подлежит расщеплению на составляющие: пространство-время само должно будет претерпевать топологические повреждения. Подобно воде, превращающейся в кристаллы льда, фрагменты пространства-времени при замерзании превращаются в экзотические частицы – согласно предсказанию теории, у них должен быть только один магнитный полюс, и поэтому они получили название монополей, однако их существование не было экспериментально подтверждено и оставалось гипотетическим. Неудача в поисках монополей представляла собой серьезную проблему для теории, которая предсказывала, что во Вселенной монополи более многочисленны, чем атомы.

Посидев над задачей, Гут понял, каким мог быть Большой взрыв, чтобы в пространстве-времени не было монополей. Решение пришло внезапно, и он записал в своем блокноте: «Захватывающий сценарий!»

Идея Гута заключалась в том, что, если в первые доли секунды расширения Вселенной некоторые ее части удаляются со скоростью больше скорости света, то любые монополи, возникнув в результате Большого взрыва, очень быстро окажутся за пределами области, доступной для каких-либо реальных наблюдений. Такое быстрое раздувание, называемое инфляцией, объясняет, почему никто никогда не наблюдал монополи в природе. И, в качестве бонуса, это также объясняло, почему значение температуры реликтового излучения распределено в пространстве настолько равномерно.

Почему области пространства, расположенные настолько далеко друг от друга, что даже свету не хватило бы всего времени существования Вселенной, чтобы из одной попасть в другую, имеют одну и ту же температуру, объяснить не просто. Ведь у них не было времени прийти в состояние термодинамического равновесия. Теория инфляции находит это дополнительное время за счет того, что некоторые области удаляются друг от друга со скоростью большей скорости света. Само по себе сверхсветовое расширение кажется находящимся в вопиющем противоречии с теорией относительности, но здесь имеется своеобразная космическая лазейка: хотя ничто в пространстве-времени не может двигаться быстрее, чем свет, нет закона, запрещающего самому пространству-времени расширяться со сверхсветовой скоростью. У фотонов не было нужного времени, чтобы обеспечить термодинамическое равновесие между удаленными областями, но если сами эти области удаляются друг от друга со сверхсветовыми скоростями, у фотонов появляется дополнительный запас времени, позволяющий им добраться до самых далеких уголков космоса гораздо быстрее, чем они могли бы, двигаясь сами по себе.

Конечно, чтобы теория заработала, необходим какой-то физический механизм, который заставит Вселенную раздуваться, словно рыба фугу. И Гут его придумал. Он предположил, что новорожденная Вселенная была заполнена полем гипотетических частиц – инфлатонов, представляющим собой ложный вакуум, то есть состояние неустойчивого равновесия с энергией, превышающей энергию основного состояния. Его можно сравнить с мячиком, катящимся с горы вниз и на мгновение задержавшимся на случайном выступе на полпути. Легкого толчка достаточно, чтобы столкнуть его дальше вниз, к основному состоянию, которое мы в этом случае называем землей. В случае с инфлатонами толчок к более низкому энергетического состоянию обеспечивают квантовые флуктуации. В этот момент в пространстве-времени действует отрицательное давление, своего рода антигравитационная сила, которая заставляет Вселенную экспоненциально расширяться, увеличиваясь в миллион триллионов триллионов раз в течение всего долей секунды. Как выразился Гут, инфляция объясняет, что начинает взрываться.