Большое космическое путешествие - страница 139
Однако COBE также обнаружил небольшие флуктуации микроволнового фона, в соотношении примерно 1: 100 000. Если бы Вселенная была совершенно однородной, в ней не возникло бы никаких сгустков, из которых впоследствии могли бы сформироваться галактики и их скопления. Мы обязаны своим существованием именно тому, что в новорожденной Вселенной сразу были небольшие флуктуации, которые под действием гравитации разрослись в наблюдаемые сегодня галактики. Вселенная должна была оказаться почти идеально однородной, но все же лишь почти. Это казалось тайной. Мне она напоминает старую присказку времен Великой депрессии: «Эх, был бы у нас бекон – мы тогда могли бы позавтракать яичницей с беконом, конечно, если бы у нас были яйца!» Сначала требуется объяснить общую однородность, а затем – небольшие флуктуации.
В 1981 году Алан Гут предложил решение данной проблемы. Он построил модель, в которой развитие Вселенной началось с краткого периода ускоренного расширения; этот период он назвал инфляцией. На пространственно-временной диаграмме инфляция напоминает маленькую воронку, направленную вверх подобно подставке для подачи в гольфе, и на этой подставке стоит мяч фридмановского пространства-времени. Конструкция начинается с конечного размера окружности у основания, а затем резко расширяется и переходит в чашевидный раструб. Там, где мы раньше рисовали нижний кончик фридмановского мяча, теперь будет раструб и внизу – окружность конечного размера. Возможно, ее величина всего 3 × 10 см (рис. 23.1). Период, соответствующий этому раструбу, продолжается чуть за пределы самого Большого взрыва, но за это дополнительное время различные области, которые мы сегодня наблюдаем, успевают провзаимодействовать друг с другом. На первом этапе окружность настолько мала, что между различными областями устанавливается причинно-следственная связь, а затем, в период, соответствующий раструбу, они ускоренно разлетаются; и это только кажется, будто времени на взаимодействие у них было недостаточно.
Рис. 23.1. Инфляционное зарождение (раструб) фридмановской Вселенной Большого взрыва (мячик). Снимок предоставлен Дж. Ричардом Готтом
На основании чего Гут предложил такую модель? Он думал, что в ранней Вселенной могло существовать состояние вакуума с высокой плотностью энергии – и, следовательно, с высоким отрицательным давлением, которое напоминало бы по свойствам то пустое пространство, в котором, по мысли Эйнштейна, действовала космологическая постоянная. Мы привыкли думать, что плотность вакуума должна быть нулевой. Да, она и будет нулевой, если убрать из пространства все частицы и все излучение. Но вакуум может обладать плотностью энергии, обусловленной присутствием полей, например поля Хиггса, которое пронизывает Вселенную. Реально количество энергии вакуума зависит от законов физики. Гут считал, что в юной Вселенной сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия были слиты в одну суперсилу и энергия вакуума в те времена (при других законах физики) могла быть гораздо выше нынешней. Следовательно, на практике космологическая постоянная не была константой (как предполагал Эйнштейн), а могла меняться со временем. На самом раннем этапе существования Вселенной плотность энергии вакуума могла быть весьма высокой. Вдобавок к этой высокой плотности энергии действовало сильное отрицательное давление, обеспечивая, чтобы в соответствии со специальной теории относительности, энергия вакуума казалась одинаковой разным наблюдателям, движущимся через пространство с разными скоростями. Как уже говорилось, энергия вакуума порождает притяжение, но отрицательное давление, действующее в трех измерениях, дает в 3 раза более сильное гравитационное отталкивание. Именно оно, согласно уравнениям Эйнштейна, должно было запустить ускоренное расширение Вселенной, которое пытался объяснить Гут. Именно гравитационное отталкивание послужило причиной первичного расширения, которое мы именуем «Большой взрыв».
На самом деле, такое «раструбное» решение эйнштейновских уравнений поля еще в 1917 году нашел Виллем де Ситтер. Он решил их для случая абсолютно пустого пространства, где действует ксмологическая постоянная и ничего больше. В отсутствие обычной материи, которая могла бы амортизировать гравитационное отталкивание, обусловленное космологической постоянной, такое решение привело де Ситтера к модели Вселенной, которая расширялась с ускорением. Все это решение было названо деситтеровским пространством. Такое пространство-время представляет собой Вселенную в виде 3-сферы, рождающуюся с бесконечным радиусом в бесконечно далеком прошлом. Сфера сжимается почти со скоростью света. Но гравитационное отталкивание, эффект космологической постоянной, постепенно затормаживает сжатие, пока оно не останавливается на минимальном радиусе – это талия с наименьшей окружностью – и затем начинает расширяться. Эффект гравитационного отталкивания нарастает, поэтому она расширяется все быстрее. В итоге скорость расширения вплотную приближается к скорости света, и в бесконечно далеком будущем такая Вселенная достигает бесконечного размера. Пространственно-временная схема де-ситтеровского пространства напоминает корсет с узкой талией (рис. 23.2). На схеме показано одно пространственное измерение (вдоль горизонтальной окружности) и время (по вертикали). Будущее находится сверху. Юбка снизу – это этап сжатия, а талия посередине – это минимальный радиус Вселенной. Затем Вселенная расширяется и сверху напоминает раструб.
