того, чтобы получилось то, что мы видим вокруг, требовался чрезвычайно

тщательный выбор начального состояния Вселенной, то вряд ли в ней

оказалась бы хоть одна область, в которой могла зародиться жизнь. В

горячей модели большого взрыва было слишком мало времени для передачи

тепла из одной области в другую. Это значит, что для объяснения того

факта, что температура микроволнового фона одинакова в любом направлении

наблюдения, необходимо, чтобы в начальном состоянии Вселенной ее

температура была везде в точности одинаковой. Кроме того, требовался и

очень точный выбор начальной скорости расширения, потому что для избежания

повторного сжатия скорость расширения должна оставаться достаточно близкой

к критическому значению. Следовательно, выбор начального состояния

Вселенной должен производиться очень тщательно, если горячая модель

большого взрыва применима до самого момента начала отсчета времени. Почему

начало Вселенной должно было быть именно таким, очень трудно объяснить

иначе, как деянием Бога, которому захотелось создать таких живых существ,

как мы.

Попытки построить модель Вселенной, в которой множество разных

начальных конфигураций могло бы развиться во что-нибудь вроде нашей

нынешней Вселенной, привели Алана Гута, ученого из Массачусетского

технологического института, к предположению о том, что ранняя Вселенная

пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют

раздуванием, подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной

происходило со все возрастающей скоростью, а не с убывающей, как сейчас.

Гут рассчитал, что радиус Вселенной увеличивался в миллион миллионов

(единица с тридцатью нулями) раз всего за крошечную долю секунды.

Гут высказал предположение, что Вселенная возникла в результате

большого взрыва в очень горячем, но довольно хаотическом состоянии.

Высокие температуры означают, что частицы во Вселенной должны были очень

быстро двигаться и иметь большие энергии. Как уже говорилось, при таких

высоких температурах сильные и слабые ядерные силы и электромагнитная сила

должны были все объединиться в одну. По мере расширения Вселенной она

охлаждалась и энергии частиц уменьшались. В конце концов должен был бы

произойти так называемый фазовый переход и симметрия сил была бы нарушена:

сильное взаимодействие начало бы отличаться от слабого и

электромагнитного. Известный пример фазового перехода - замерзание воды

при охлаждении. Жидкое состояние воды симметрично, т. е. вода одинакова во

всех точках и во всех направлениях. Образующиеся же кристаллы льда имеют

определенные положения и выстраиваются в некотором направлении. В

результате симметрия воды нарушается.

Если охлаждать воду очень осторожно, то ее можно "переохладить",

т. е. охладить ниже точки замерзания (0 град. Цельсия) без образования

льда. Гут предположил, что Вселенная могла себя вести похожим образом: ее

температура могла упасть ниже критического значения без нарушения

симметрии сил. Если бы это произошло, то Вселенная оказалась бы в

нестабильном состоянии с энергией, превышающей ту, которую она имела бы

при нарушении симметрии. Можно показать, что эта особая дополнительная

энергия производит антигравитационное действие аналогично космологической

постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности, пытаясь

построить статическую модель Вселенной. Поскольку, как и в горячей модели

большого взрыва, Вселенная уже вращалась, отталкивание, вносимое

космологической постоянной, заставило бы Вселенную расширяться со все

возрастающей скоростью. Даже в тех областях, где число частиц вещества

превышало среднее значение, гравитационное притяжение материи было бы

меньше отталкивания, вносимого эффективной космологической постоянной.

Следовательно, такие области должны были тоже расширяться с ускорением,

характерным для модели раздувающейся Вселенной. По мере расширения частицы

материи расходились бы все дальше друг от друга, и в конце концов

расширяющаяся Вселенная оказалась бы почти без частиц, но все еще в

переохлажденном состоянии. В результате расширения все неоднородности во

Вселенной должны были просто сгладиться, как разглаживаются при надувании

морщины на резиновом шарике. Следовательно, нынешнее гладкое и однородное

состояние Вселенной могло развиться из большого числа разных неоднородных

начальных состояний.

Во Вселенной, скорость расширения которой растет из-за

космологической постоянной быстрее, чем замедляется из-за гравитационного

притяжения материи, свету хватило бы времени для перехода из одной области

ранней Вселенной в другую. Это было бы решением ранее поставленной задачи

о том, почему разные области ранней Вселенной имеют одинаковые свойства.

Кроме того, скорость расширения Вселенной стала бы автоматически очень

близка к критическому значению, определяемому плотностью энергии во

Вселенной. Тогда такую близость скорости расширения к критической можно

было бы объяснить, не делая предположения о тщательном выборе начальной

скорости расширения Вселенной.

Раздуванием Вселенной можно было бы объяснить, почему в ней так

много вещества. В доступной наблюдениям области Вселенной содержится

порядка ста миллионов (единица с восьмьюдесятью нулями) частиц. Откуда все

они взялись? Ответ состоит в том, что в квантовой теории частицы могут

рождаться из энергии в виде пар частица-античастица. Но тогда сразу

возникает вопрос: откуда берется энергия? Ответ таков. Полная энергия

Вселенной в точности равна нулю. Вещество во Вселенной образовано из

положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием

гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей

энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому

что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление

гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия

гравитационного ноля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что в

случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная

гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию,

связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю.

Поскольку дважды нуль тоже нуль, количество положительной энергии

вещества во Вселенной может удвоиться одновременно с удвоением

отрицательной гравитационной энергии; закон сохранения энергии при этом не

нарушится. Такого не бывает при нормальном расширении Вселенной, в которой

плотность энергии вещества уменьшается по мере увеличения размеров

Вселенной. Но именно так происходит при раздувании, потому что в этом

случае Вселенная увеличивается, а плотность энергии переохлажденного

состояния остается постоянной: когда размеры Вселенной удвоятся,

положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже

удвоятся, в результате чего полная энергия остается равной нулю. В фазе

раздувания размеры Вселенной очень сильно возрастают. Следовательно, общее

количество энергии, за счет которой могут образовываться частицы, тоже

сильно увеличивается. Гут по этому поводу заметил: "Говорят, что не бывает

скатерти-самобранки. А не вечная ли самобранка сама Вселенная?"

Сейчас Вселенная расширяется без раздувания. Значит, должен

существовать какой-то механизм, благодаря которому была устранена очень

большая эффективная космологическая постоянная, а скорость расширения

перестала расти и под действием гравитации начала уменьшаться, как

продолжает уменьшаться и сейчас. Можно ожидать, что при раздувании в конце

концов нарушится симметрия сил, так же как переохлажденная вода в конце

концов замерзнет. Тогда лишняя энергия состояния с ненарушенной симметрией

должна выделиться, и за счет этого Вселенная разогреется до температуры,

чуть-чуть меньшей, чем критическая температура, при которой симметрия сил

еще не нарушается. Затем Вселенная опять начнет расширяться и охлаждаться,

так же как в горячей модели большого взрыва, но теперь мы уже сможем

объяснить, почему скорость ее расширения в точности равна критической и

почему разные области Вселенной имеют одинаковую температуру.

В гипотезе Гута фазовый переход происходил очень быстро, как

возникают вдруг кристаллы льда в очень холодной воде. Идея Гута

заключалась в том, что внутри старой фазы образуются "пузырьки" новой фазы

нарушенной симметрии, подобно тому, как в кипящей воде зарождаются

пузырьки пара. Гут предположил, что пузыри расширяются и сливаются друг с

другом до тех пор, пока вся Вселенная не окажется в новой фазе. В 1983 г.

Линде предложил более удачную модель, называемую хаотической моделью

раздувания. В ней нет ни фазового перехода, ни переохлаждения, а взамен

присутствует бес спиновое поле, которое из-за квантовых флуктуаций

принимает большие значения в некоторых областях ранней Вселенной. В таких

областях энергия поля будет вести себя как космологическая постоянная.

Результатом действия поля будет гравитационное отталкивание, под влиянием

которого вышеуказанные области начнут раздуваться. По мере увеличения этих

областей энергия поля в них будет медленно уменьшаться, пока раздувание не

перейдет в такое же расширение, как в горячей модели большого взрыва. Одна

из областей могла бы превратиться в современную наблюдаемую Вселенную.

Модель Линде обладает всеми преимуществами ранней модели раздувания, но не

требует сомнительного фазового перехода и, кроме того, может дать реальную

оценку флуктуаций температуры фона микроволнового излучения, согласующуюся

с результатами наблюдений.

Проведенные исследования моделей раздувания показали, что

современное состояние Вселенной могло возникнуть из большого числа разных

начальных конфигураций. Это важный вывод, ибо из него следует, что выбор

начального состояния той части Вселенной, в которой мы живем, мог быть не

очень тщательным. Но вовсе не из всякого начального состояния могла

получиться такая Вселенная, как наша. Это можно доказать, предположив, что

Вселенная сейчас находится в совершенно другом состоянии, каком-нибудь

очень нерегулярном и комковатом. Воспользовавшись законами науки, можно

проследить развитие Вселенной назад во времени и определить ее

конфигурацию в более ранние времена. По теоремам о сингулярности

классической общей теории относительности сингулярность в точке большого

взрыва все равно должна была существовать. Если такая Вселенная будет

развиваться вперед во времени в соответствии с законами науки, то в конце

мы придем к тому комковатому и нерегулярному состоянию, с которого

начинали. Следовательно, должны существовать начальные конфигурации, из

которых не может получиться такая Вселенная, какой сейчас мы видим нашу.

Значит, даже модель раздувания ничего не говорит о том, почему начальная

конфигурация оказалась не той, при которой получилась бы Вселенная, сильно

отличающаяся от наблюдаемой нами. Следует ли обратиться для объяснения к

натронному принципу? Было ли все происшедшее просто счастливой

случайностью? Такой ответ выглядел бы как выражение отчаяния, отрицание

всех наших надежд понять, какой же порядок лежит в основе Вселенной.

Для предсказания того, каким должно было быть начало Вселенной,

необходимы законы, справедливые в начале отсчета времени. Если

классическая общая теория относительности верна, то из доказанных Роджером

Пенроузом и мной теорем о сингулярности следует, что в точке начала

отсчета времени плотность и кривизна пространства-времени принимают

бесконечные значения. В такой точке нарушаются все известные законы

природы. Можно было бы предположить, что в сингулярностях действуют новые

законы, но их трудно формулировать в точках со столь непонятным

поведением, и мы не знали бы, как из наблюдений вывести вид этих законов.

Но на самом деле из теорем о сингулярности следует, что гравитационное

поле настолько усиливается, что становятся существенными квантовые

гравитационные эффекты: классическая теория перестает давать хорошее

описание Вселенной. Поэтому при изучении очень ранних стадий развития

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9