Алан дал ответ на один из сложнейших вопросов: "Почему Вселенная настолько огромная и плоская и настолько однородная?" Чтобы понять, в чём сложность этого вопроса, вернёмся к реликтовому излучению и посмотрим на две различные точки на небе. В те времена, когда реликтовое излучение рождалось горячей плазмой, эти две точки находились на определённом расстоянии друг от друга. Фактически если на небесной сфере эти точки разделяет угловое расстояние в несколько градусов, то в момент рождения реликтового излучения физическое расстояние между ними было настолько большим, что ни свет, ни любой другой сигнал не мог дойти от одной точки до другой. Вселенная в то время насчитывала около полумиллиона лет, так что если точки разделяло расстояние более полумиллиона световых лет, вещество в одной точке не могло взаимодействовать с веществом в другой. Но если вещество в этих точках никогда не взаимодействовало, то что сделало эти два места так похожими одно на другое? Иными словами, каким образом Вселенная ухитрилась стать настолько однородной, чтобы интенсивность реликтового излучения была почти одинаковой во всех направлениях?
Чтобы прояснить это место, вернёмся к аналогии, представляющей Вселенную в виде надувающегося воздушного шарика. Представьте себе шарик в сдутом состоянии, сморщенный, как чернослив. По мере надувания шарика морщины начинают расправляться. Первыми расправляются мелкие морщины, затем более крупные. Для разглаживания морщины заданного размера необходимо определённое время, требуемое для того, чтобы разглаживающая её волна прошла расстояние, равное размеру морщины. В случае Вселенной это время, которое требуется свету, чтобы преодолеть расстояние, равное размеру разглаживаемой неоднородности.
Если в эпоху генерации реликтового излучения большие морщины не успевали разгладиться, то мы должны видеть их отпечатки на небесной сфере в виде неоднородностей реликтового фона. Но мы не видим никаких морщин на небе. Что же сделало Вселенную такой гладкой? Не скрывается ли за непрозрачной плазмой поверхности последнего рассеяния недоступная нашему взгляду длинная предыстория, в ходе которой были разглажены все морщины? Именно эту предысторию и описывает инфляционная теория.
Объяснение Аланом плоскости и гладкости ранней Вселенной оказалось очень простым (точно таким же, как и объяснение Старобинского). Вселенная была надута, как воздушный шарик, только это был не совсем обычный воздушный шарик. Обычный воздушный шарик, если его сильно надуть, лопнет. Вселенная Алана раздувалась экспоненциально и за очень короткое время стала невероятно огромной. Инфляционная стадия, образно выражаясь, предшествовала обычной космологии. К тому времени, как начался процесс, который мы называем Большим взрывом, Вселенная уже достигла невероятных размеров. И в процессе инфляционной стадии расширения все морщины и неоднородности разгладились настолько, что сделали Вселенную чрезвычайно гладкой.
Я знал, что эта идея очень хороша, но я даже не представлял, насколько она хороша. Я думаю, что даже Алан не догадывался, насколько она хороша. И уж конечно, никто не мог и предположить, что в течение последующих 25 лет инфляционная теория будет занимать центральное место в космологической "стандартной модели".
Чтобы понять механизм, ответственный за инфляционную стадию, следует разобраться, как ведёт себя Вселенная с положительной космологической постоянной. Вспомните, что положительная космологическая постоянная ответственна за появление отталкивающей силы, пропорциональной расстоянию. Эта сила заставляет галактики разбегаться друг от друга, а это происходит, только если шар, на котором они нарисованы, – то есть само пространство, – раздувается.
Энергия вакуума, или, что то же самое, масса вакуума, имеет необычные свойства. Плотность обычного вещества, такого, из которого состоят галактики, уменьшается по мере расширения Вселенной. Средняя плотность обычного вещества во Вселенной составляет примерно один протон на кубический метр. Предположим, что через какое-то количество миллиардов лет радиус Вселенной удвоился, в то время как общее количество протонов в ней не изменилось. В этом случае средняя плотность вещества во Вселенной уменьшится в восемь раз. Если удвоить радиус Вселенной ещё раз, то среднее число протонов в кубическом метре уменьшится ещё в восемь раз и составит 1/64 от современной величины. То же самое верно и в отношении тёмной материи.
Но энергия вакуума ведёт себя совершенно по-другому. Она является свойством пустого пространства, и когда пустое пространство расширяется, оно остаётся всё тем же пустым пространством, и плотность энергии вакуума в нём не изменяется. Независимо от того, сколько раз вы удвоите размер Вселенной, плотность энергии вакуума останется той же самой и создаваемая ею сила отталкивания не уменьшится!
Обычная материя, напротив, редеет и в конце концов перестаёт оказывать сколько-нибудь заметный эффект на замедление расширения. На определённом этапе расширения плотность всех видов энергии будет ничтожно мала, за исключением плотности энергии вакуума. Когда это произойдёт, не останется ничего, что могло бы противодействовать отталкивающей силе энергии вакуума, и Вселенная будет расширяться экспоненциально. Если бы космологическая постоянная была достаточно велика, чтобы удвоить размер Вселенной за одну секунду (сейчас это не так), через две секунды Вселенная стала бы уже вчетверо больше, через три секунды – в восемь раз больше, через четыре – в 16 раз, через пять – в 32 раза и т. д. Предметы, находившиеся рядом с нами, будут подобно ракетам разлетаться во все стороны со скоростью, во много раз превышающей скорость света.
Реальная Вселенная сейчас находится на самой ранней стадии такого экспоненциального расширения. Но это не должно слишком сильно вас беспокоить, потому что величина космологической постоянной такова, что размер Вселенной удвоится лишь в течение десятков миллиардов лет. Но представьте себе, что по неизвестной причине в очень ранней Вселенной космологическая постоянная была намного больше, чем сегодня, возможно, на сотню порядков. Это может выглядеть странным мысленным экспериментом, но вспомните, насколько трудно было понять, почему сегодня космологическая постоянная так смехотворно мала. А если сделать её на 100 порядков больше, то она приобретёт, по крайней мере с позиции физиков-теоретиков, своё нормальное значение.
Если космологическая постоянная в те доисторические времена была так велика, она должна была привести к тому, что размеры Вселенной удваивались за ничтожную долю секунды, а за одну секунду Вселенная должна была увеличиться от размеров протона до размеров, во много раз превышающих наблюдаемую ныне часть Вселенной. Это и есть та инфляция, которую описали Старобинский и Гут.
Читатель может задаться вопросом, на каком основании я столь лицемерно позволяю себе говорить о различных космологических постоянных в начале и в конце истории Вселенной, то есть в инфляционную эпоху и в нынешнюю. В конце концов, разве постоянная не должна быть постоянной? Давайте остановимся и вспомним о ландшафте. Космологическая постоянная в данном месте ландшафта является не чем иным, как высотой местности. Один рисунок фрагмента ландшафта объяснит это красноречивее тысячи слов. На этом рисунке приведена очень упрощённая модель ландшафта, похожего на тот, что существует в нашей ближайшей окрестности. Маленький шарик представляет Вселенную, которая катится в поисках долины, где энергия вакуума является минимальной.
Относительно широкое и высокое плато, оканчивающееся глубокой долиной почти нулевой высоты (где и начинается инфляция Гута), представляет неизвестное нам прошлое Вселенной, которая изображена в виде шарика. Как Вселенная оказалась на этом плато – отдельный вопрос. Плато очень пологое, поэтому первоначально Вселенная катится по нему очень медленно. Пока Вселенная остаётся на плато, плотность энергии вакуума (высота плато) остаётся практически неизменной. Иначе говоря, высоту можно рассматривать в качестве космологической постоянной.
Уверен, вы уже догадались, что по мере движения по плато Вселенная расширяется, поскольку энергия вакуума велика и положительна. Если плато достаточно плоское и Вселенная катится по нему медленно, она удвоит свои размеры много раз, прежде чем скатится вниз в долину. Это и есть эпоха инфляционного расширения, только в более современной форме, чем впервые описанная Старобинским и Гутом. Если Вселенная удвоит свои размеры сто или более раз на протяжении этой стадии, то она вырастет до таких неимоверных масштабов, что будет всюду гладкой и однородной, как того и требуют данные наблюдений реликтового излучения.
В конце концов скольжение по плато приведёт Вселенную на его край, откуда она скатится в долину, где и останется вплоть до настоящего времени. Если высота низшей точки долины не совсем нулевая, то в течение последующего длительного времени Вселенная будет иметь небольшую космологическую постоянную. Если по счастливому стечению обстоятельств космологическая постоянная в долине окажется достаточно мала и прочие фундаментальные константы тоже подобраны аккуратно, то в этом кармане сформируются галактики, звёзды и планеты и, возможно, возникнет жизнь. Если нет, то карман останется стерильным. Во всех известных мне космологических моделях присутствует этот процесс скатывания Вселенной из области с большой космологической постоянной в область с малой. Может ли кто-нибудь серьёзно сомневаться в том, что в истории и географии Вселенной есть что-то ещё, кроме этого краткого эпизода и этого крошечного кармана?
Но погодите! Кое-что неправильно в этой картинке. Если Вселенная на инфляционной стадии расширяется настолько сильно, то следует ожидать, что она будет невероятно однородной. Морщины расправятся настолько сильно, что не останется вообще никаких неоднородностей фона реликтового излучения. Но мы уже знаем, что без небольших неоднородностей не смогли бы сформироваться галактики и Вселенная осталась бы гладкой на неопределённый срок. Мы, похоже, переложили гомогенизатора в нашу овсяную кашу.
Решение этой головоломки содержит столь радикальную и удивительную идею, что поначалу возникает соблазн отбросить её как "журавля в небе". Но она выдержала испытание временем и в настоящее время представляет собой один из краеугольных камней современной космологии. И опять честь первооткрывателя принадлежала молодому советскому космологу Вячеславу Муханову, изучавшему работы Старобинского. История повторяется: теория Муханова оставалась неизвестной за пределами СССР, пока её независимо не переоткрыли несколько групп, работавших в США.
Квантовая механика и её волнующие открытия обычно рассматриваются как нечто, описывающее явления микромира, но никак не мира галактик и явлений космического масштаба. И вот теперь выясняется, что если не все, то некоторые из галактик и других крупномасштабных структур являются остатками первичных квантовых флуктуаций, которые растянуты до космических масштабов неудержимо расширяющейся на инфляционной стадии Вселенной и усилены безжалостной гравитацией.
Представление Вселенной в виде точки на космическом Ландшафте слишком упрощённо. Как и все прочие квантовые поля, поле Хиггса тоже подвержено квантовой дрожи. Квантовая механика утверждает, что все поля флуктуируют в пространстве от точки к точке. Никакая инфляция не способна полностью сгладить квантовые флуктуации, которые присущи любому полю. Это верно и для нашего сегодняшнего вакуума, и было верно в эпоху быстрого экспоненциального расширения. Но быстрая инфляция делает с этими колебаниями нечто, что никогда не происходит (в заметной степени) в нашей сегодняшней медленно расширяющейся Вселенной, – она разглаживает старые морщины, но на их месте тут же возникают новые. Новые морщины возникают поверх старых и в свою очередь тоже растягиваются в течение всего времени расширения Вселенной. К моменту завершения инфляционной фазы, когда Вселенная начинает падать в долину, накопленные квантовые морщины формируют узор из вариаций плотности, из которого в конечном итоге образуются галактики.
Эти замороженные квантовые морщины отпечатываются на поверхности последнего рассеяния, приводя к наблюдаемым небольшим изменениям фона реликтового излучения. Обнаружение связи между квантовой теорией, описывающей микромир, и крупномасштабными астрономическими структурами макромира является одним из величайших достижений космологии.
Заканчивая эту главу, я хочу сформулировать два наиболее важных вывода, которые вытекают из космологических наблюдений в течение последнего десятилетия. Во-первых, мы узнали шокирующую новость: космологическая постоянная действительно существует. Её первые 119 десятичных знаков равны нулю, но в 120-м разряде появляются значащие цифры!
Во-вторых, выяснилось, что инфляционная теория имеет наблюдательное подтверждение в виде изменений космического микроволнового фонового излучения. Очевидно, что Вселенная в течение некоторого периода времени расширялась экспоненциально, а это, в свою очередь, означает, что вся Вселенная на много, много порядков больше, чем наблюдаемая нами её часть.
Эти два великих открытия выглядят весьма тревожными. Если мы запустим руку в мешок, наполненный случайными числами, и вытащим оттуда пригоршню фундаментальных физических констант, то среди них с почти стопроцентной вероятностью не окажется ни малой космологической постоянной, ни подходящего времени инфляционной фазы. Оба числа требуют невероятно точной настройки. Как мы уже видели ранее, Вселенная выглядит так, будто была специально спроектирована для нас.
Но об этом в следующей главе.
Глава 6. О мороженой и варёной рыбе
Очевидно, что при рассказе о физике аудитории, состоящей из не-физиков, всевозможные аналогии и метафоры часто оказываются поистине бесценными. Но для меня они также являются мощными мыслительными инструментами – моими собственными идиосинкратическими инструментами. Часто, чтобы убедить самого себя в справедливости какой-нибудь очень сложной точки зрения, я изобретаю аналогии, которые позволяют легко увидеть решение проблемы с неожиданного ракурса.
Антропный принцип создал больше путаницы и философских заблуждений, чем что-либо ещё, порождённое наукой в течение последнего времени. До сих пор идут непрекращающиеся споры о том, в чём состоит смысл этого принципа, как он должен применяться, когда его применение является оправданным, а когда нет, в каких случаях апелляция к антропному принципу разумна, а в каких бессмысленна. Для меня испытанный путь – найти знакомую аналогию, в которой можно извлечь здравый смысл из воздуха. Более десяти лет тому назад я придумал притчу, для того чтобы убедить самого себя в том, что антропный принцип может иметь хоть какой-нибудь смысл.
Подарок для Тини
У известных физиков существует старая традиция организовывать на своё шестидесятилетие большую вечеринку, только эти вечеринки обычно продолжаются несколько дней и состоят из непрерывной череды физических семинаров – и проходят без музыки. На одной такой вечеринке моего старого друга Мартинуса Велтмана я должен был прочитать лекцию. Голландец Тини, волосатый и бородатый, как сказочный людоед, напоминает гибрид Орсона Уэллса в роли Макбета и Саддама Хусейна. Недавно Тини вместе с Герардом ‘т Хоофтом получил Нобелевскую премию за прояснение квантовой структуры электрослабых взаимодействий.
Тини был одним из первых, кто признал существование проблемы энергии вакуума, и я собирался назвать свою лекцию: "Тини и космологическая постоянная". Мне хотелось поговорить об антропном принципе, о расчёте формирования галактик, выполненном Стивом Вайнбергом. Но помимо этого я хотел объяснить, каким способом можно придать антропному принципу научный смысл. А для этого, как всегда, я использовал аналогию.
Вместо того чтобы задаваться вопросом, почему космологическая постоянная так тонко настроена, я сформулировал аналогичный вопрос: почему так тонко настроена температура земной поверхности, на которой может существовать жидкая вода? Оба этих вопроса по сути об одном и том же: как так случилось, что мы живём в среде, свойства которой находятся в очень узком диапазоне, идеально приспособленном для нашего существования. Чтобы ответить на них, я предложил следующую притчу о мудрой рыбе.