Но отметим следующее: эти рассуждения относятся полностью к притягивательной природе обычной гравитации. Комки и ухабы растут потому, что они сильно притягивают соседний материал, добиваясь, чтобы такой материал присоединился к комку. В течение короткой инфляционной фазы, однако, гравитация была отталкивательной и это меняет все. Возьмем форму пространства. Гигантское направленное наружу воздействие отталкивательной гравитации приводит пространство к раздуванию так быстро, что начальные изгибы и деформации были плавно растянуты, почти как полностью надутый сморщенный воздушный шар растягивает свою складчатую поверхность.* И, что еще существеннее, поскольку объем пространства возрастает на колоссальный фактор во время короткого инфляционного периода, плотность каждого комка материи полностью падает, почти как плотность рыб в вашем аквариуме понизится, если его объем неожиданно возрастет до размеров Олимпийского плавательного бассейна. Таким образом, хотя притягивательная гравитация заставляет комки материи и неровности пространства расти, отталкивательная гравитация действует противоположно: она заставляет их уменьшаться, приводя к все более гладкому, все более однородному результату.
(*) "Не надо смешивать следующее: Инфляционное растягивание квантовых дрожаний, обсуждавшееся в последней секции, все еще производит мелкие неизбежные неоднородности около 1 части из 100 000. Но эта мельчайшая неоднородность размещается на гладкой во всех других отношениях вселенной. Мы сейчас описываем, как возникает последняя – лежащая в основе гладкая однородность".
Таким образом, к концу инфляционного взрыва размер вселенной вырастает фантастически, любая неоднородность в кривизне пространства растягивается и любые начальные комки чего угодно полностью растворяются до состояния несущественности. Более того, когда поле инфлатона сползает вниз на дно своей чаши потенциальной энергии, приводя взрыв инфляционного расширения к завершению, оно конвертирует удерживаемую энергию в почти однородное море частиц ординарной материи во всем пространстве (выравнивая все вплоть до мельчайших, но важнейших неоднородностей, происходящих от квантовых дрожаний). В целом все это звучит как большой прогресс. Результат, которого мы достигли с помощью инфляции, – гладкая, однородная пространственная протяженность, населенная почти однородным распределением материи, – это в точности то, что мы пытались объяснить. Это в точности низкоэнтропийная конфигурация, которая нам была нужна для объяснения стрелы времени.
Энтропия и инфляция
На самом деле, это существенный прогресс. Но две важных проблемы остаются.
Первое, мы, кажется, пришли к заключению, что инфляционный взрыв разглаживает вещи и отсюда снижает полную энтропию, олицетворяя физический механизм, – не только статистическую случайность, – который выглядит как нарушающий второй закон термодинамики. В этом случае или наше понимание второго закона или наши текущие рассуждения будут иметь ошибку. В действительности, однако, мы с этой проблемой не сталкиваемся, поскольку полная энтропия не уменьшилась в результате инфляции. Что реально произошло в ходе инфляционного взрыва, так это то, что полная энтропия возросла, но возросла намного меньше, чем она могла бы быть. Вы видите к концу инфляционного взрыва, что пространство гладко растянулось, так что гравитационный вклад в энтропию – энтропия, связанная с возможной неровной, неупорядоченной, неоднородной формой пространства, – был минимален. Однако, когда поле инфлатона сползло на дно своей чаши и избавилось от своей запасенной энергии, можно оценить количество произведенных частиц материи и излучения примерно в 10. Такое огромное число частиц, как и книга с огромным числом страниц, заключает в себе огромное количество энтропии. Таким образом, даже если гравитационная энтропия снизилась, рост в энтропии от производства всех этих частиц более чем компенсирует такое снижение. Полная энтропия возросла, точно так, как мы ожидали от второго закона термодинамики.
Но, и это важный момент, инфляционный взрыв через разглаживание пространства и обеспечение однородного, низкоэнтропийного гравитационного поля создает огромный зазор между тем, каким был вклад гравитации в энтропию, и тем, каким он мог бы стать. Полная энтропия возросла во время инфляции, но на совершенно незначительную величину по сравнению с тем, насколько она могла возрасти. В этом смысле и понимается, что инфляция генерирует низкоэнтропийную вселенную: к концу инфляции энтропия возросла, но совсем не на тот фактор, на который возросла пространственная протяженность. Если энтропию связать со стоимостью собственности, он стала бы такой, как если бы Нью Йорк приобрел пустыню Сахара. Полная стоимость общей собственности возросла, но на мельчайшую величину по сравнению с полным ростом площади земли.
Все время с момента завершения инфляции гравитация пытается наверстать энтропийную разницу. Каждый комок – будь он галактикой, или звездой в галактике, или планетой, или черной дырой, – который гравитация последовательно выудила из однородности (комок, посеянный мельчайшими неоднородностями от квантовых дрожаний), имеет растущую энтропию и подводит гравитацию на один шаг ближе к реализации ее энтропийного потенциала. В этом смысле инфляция представляет собой механизм, который дает большую вселенную с относительно низкой гравитационной энтропией и, таким образом, устанавливает основу для последующих миллиардов лет гравитационного слипания, которое привело к тому, свидетелями чего мы сегодня являемся. Итак, инфляционная космология задает направление стреле времени путем создания прошлого с чрезвычайно низкой гравитационной энтропией; будущее является направлением, в котором эта энтропия возрастает.
Вторая проблема становится очевидной, когда мы продолжим углублять путь, к которому стрела времени привела нас в Главе 6. От яйца к курице, которая его снесла, к куриному корму, к растительному миру, к солнечному теплу и свету, к изначальному однородно распределенному газу Большого взрыва мы следовали эволюции вселенной в прошлое, которое имело всегда больший порядок, на каждом этапе сдвигая загадку низкой энтропии на один шаг дальше назад во времени. Теперь мы еще осознали, что только самый ранний этап инфляционного расширения может естественно объяснить гладкие и однородные последствия Взрыва. Но как насчет самого инфлатона? Можем ли мы объяснить первое звено в той цепочке, которой мы следовали? Можем ли мы объяснить, почему условия, которые требовались перед инфляционным взрывом, полностью осуществились?
Это проблема высшей важности. Не имеет значения, как много загадок решила инфляционная космология в теории, если эра инфляционного расширения никогда не имела место, подход будет признан не имеющим отношения к делу. Более того, поскольку мы не можем пойти назад в раннюю вселенную и прямо определить, произошла ли инфляция, оценка того, сделали ли мы реальный прогресс в установлении направления стрелы времени, требует, чтобы мы определили вероятность, что условия, необходимые для инфляционного взрыва, были выполнены. Это значит, что физики раздражены из-за уверенности стандартной модели Большого взрыва в тонко настроенных однородных начальных условиях, которые, будучи мотивированы наблюдениями, необъяснимы теоретически. Кажется глубоко неудовлетворительным для низкоэнтропийного состояния ранней вселенной просто допустить его; кажется бессодержательным установить во вселенной стрелу времени без какого-либо объяснения. На первый взгляд инфляция предлагает прогресс, показывая, что то, что допускается в стандартной модели Большого взрыва вытекает из инфляционной эволюции. Но если инициирование инфляции требует еще других, более специальных, чрезвычайно низкоэнтропийных условий, мы оказались бы опять в самом начале. Мы просто поменяли бы специальные условия модели Большого взрыва на специальные условия, необходимые для поджигания инфляции, и загадка стрелы времени осталась бы точно такой же загадкой.
Что за условия необходимы для инфляции? Мы видели, что инфляция является неизбежным результатом посадки величины поля инфлатона на короткое время и в рамках маленькой области на высокоэнергетическое плато в его чаше потенциальной энергии. Наша задача, следовательно, свелась к определению, насколько вероятной в действительности является такая стартовая конфигурация. Если запуск инфляции обеспечивается легко, мы будем в великолепной форме. Но если достижение требуемых условий экстраординарно маловероятно, мы просто сдвинем вопрос стрелы времени дальше на один шаг назад – к поиску объяснения для низкоэнтропийной конфигурации поля инфлатона, которое скатывается шариком.
Я сначала опишу современные соображения по этой проблеме в наиболее оптимистичном свете, а затем вернусь к существенным элементам истории, которые остались туманными.
Возвращение Больцмана
Как отмечалось в предыдущей главе, инфляционный взрыв является лучшей мыслью о том, как развивались события в заранее существующей вселенной, а не мыслью о создании самой вселенной. Хотя мы не имеем неоспоримого понимания о том, на что вселенная была похожа в течение самой предынфляционной эры, посмотрим, как далеко мы можем зайти, если предположим, что вещи были в строго ординарном, высокоэнтропийном состоянии. В особенности, давайте представим, что изначальное предынфляционное пространство было пронизано деформациями и изгибами и что поле инфлатона также было сильно разупорядочено, его величина прыгала туда и сюда подобно лягушке в горячей металлической чаше.
Теперь, точно так же, как вы можете ожидать, что если вы упорно играете в честно действующий игровой автомат, раньше или позже хаотически крутящиеся колеса лягут на три алмаза, мы ожидаем, что раньше или позже случайные флуктуации в этой высокоэнергетической турбулентной арене изначальной вселенной заставят величину поля инфлатона выпрыгнуть в правильную однородную величину в некотором малом кусочке пространства, инициировав направленный вовне взрыв инфляционного расширения. Как объяснялось в предыдущей секции, расчеты показывают, что куску пространства необходимо быть исключительно маленьким – порядка 10 сантиметра в поперечнике – для результирующего космологического расширения (инфляционного расширения, сменяемого расширением стандартной модели Большого взрыва), чтобы он был растянут до величины больше, чем вселенная, которую мы видим сегодня. Таким образом, вместо допущения или простого декларирования, что условия в ранней вселенной были такими, чтобы инфляционное расширение имело место, в таком способе размышлений необходимые условия появляются из фактов ультрамикроскопических флуктуаций, весом не более двадцати фунтов, возникающих внутри ординарного обыкновенного окружения с беспорядком.
Более того, точно так же, как игровой автомат будет также генерировать широкое разнообразие невыигрышных результатов, в других регионах изначального пространства будут происходить также и другие виды флуктуаций инфлатона. В большинстве случаев флуктуации не будут давать правильную величину или будут существенно неоднородными для возникновения инфляционного расширения. (Даже в области, которая не более 10 сантиметра в поперечнике, величина поля может дико изменяться). Но все, что для нас имеет значение, так это то, что был один кусочек, который выдал пространственно гладкий инфляционный взрыв, который обеспечил первое звено в низкоэнтропийной цепочке, в конце концов приведшей к нашему привычному космосу. Поскольку мы видим только нашу большую вселенную, нам нужно, чтобы космический игровой автомат выплатил выигрыш только раз.
Поскольку мы привели вселенную назад к статистической флуктуации из первичного хаоса, это объяснение стрелы времени соединяется определенным образом с оригинальным предположением Больцмана. Вспомним из Главы 6, что Больцман предположил, что все, что мы сейчас видим, возникло из редкой, но так часто ожидаемой флуктуации из полного беспорядка. Проблема с исходной формулировкой Больцмана, однако, заключалась в том, что невозможно было объяснить, почему случайная флуктуация оказалась так далеко за бортом хаоса и произвела вселенную в гигантской степени более упорядоченную, чем это было необходимо, чтобы даже поддержать жизнь, как мы ее знаем. Почему такая обширная вселенная имеет миллиарды и миллиарды галактик, каждая из которых имеет миллиарды и миллиарды звезд, когда она могла бы иметь решительно ограниченный уголок, имея, скажем, всего несколько галактик или даже одну единственную?
Со статистической точки зрения намного более скромная флуктуация, которая произвела бы некоторый порядок, но не такой значительный, как мы сейчас видим, была бы намного более вероятной. Более того, поскольку средняя энтропия возрастает, рассуждения Больцмана показывают, что было бы еще намного более вероятным, что все, что мы сегодня видим, просто появилось сию минуту как редкий статистический выброс к низкой энтропии. Повторим аргумент: чем дальше назад произошла флуктуация, тем более низкой энтропии она должна была бы достигнуть (энтропия начинает расти после любого падения к низкой энтропии, как на Рис. 6.4, так если флуктуация произошла вчера, одна должна была упасть к вчерашней низкой энтропии, а если она произошла миллиард лет назад, она должна была упасть именно к низкой энтропии той эры). Поэтому чем дальше назад во времени, тем более драматической и невероятной должна быть требуемая флуктуация. Но если мы принимаем это заключение, мы не можем доверять своей памяти, записям или даже законам физики, которые лежат в основе самой дискуссии – полностью неприемлемая позиция.
Потрясающее преимущество инфляционного возрождения идеи Больцмана заключаются в том, что малая флуктуация сразу – скромный прыжок к подходящим условиям в мельчайшем кусочке пространства – неизбежно дает гигантскую и упорядоченную вселенную, которую мы осознаем. Раз уж инфляционное расширение началось, маленький кусочек будет неумолимо растянут до масштабов, по меньшей мере таких же больших, как вселенная, которую мы в настоящее время видим, а потому нет загадки в том, почему вселенная не ограничилась уголком; нет загадки, почему вселенная столь обширна и населена огромным числом галактик. От начала своего действия инфляция дала вселенной поразительные условия сделки. Прыжок к низкой энтропии внутри мельчайшего кусочка пространства был использован для инфляционного расширения в широчайшие пределы космоса. И, что самое важное, инфляционное растяжение не просто дает произвольную старую большую вселенную. Оно дает нашу большую вселенную – инфляция объясняет форму пространства, она объясняет крупномасштабную однородность, и она даже объясняет "мелкомасштабные" неоднородности, такие как галактики, и температурные вариации фонового излучения. Инфляция упаковывает все богатство объяснительной и предсказательной мощи в отдельную малую флуктуацию к низкой энтропии.
Итак, Больцман был почти прав. Все, что мы видим, могло произойти от случайной флуктуации от высоко разупорядоченного состояния первичного хаоса. В этом объяснении его идеи, однако, мы можем верить нашим записям и мы можем верить нашей памяти: флуктуация не произошла прямо сейчас. Прошлое реально происходило. Наши записи записали вещи, которые имели место. Инфляционное расширение увеличивает микроскопическую крупинку порядка в ранней вселенной, – оно "заводит" вселенную на гигантское расширение с минимальной гравитационной энтропией, – так что 14 миллиардов лет последующего раскручивания, последующего собирания в галактики, звезды, планеты, не представляет загадки.
Фактически этот подход говорит нам даже немного больше. Точно так же, как возможно сорвать куш на нескольких игровых автоматах в подвале казино Белладжио (Лас-Вегас), в изначальном состоянии высокой энтропии и полного хаоса нет причин, по которым необходимые для инфляционного расширения условия могли бы появиться только в отдельном пространственном кусочке. Напротив, как предположил Андрей Линде, там могли бы быть многие кусочки, разбросанные тут и там, которые подверглись разглаживающему пространство инфляционному расширению. Если это было так, наша вселенная становится лишь одной среди многих вселенных, прораставших – и, вероятно, продолжающих прорастать, – когда случайные флуктуации делают условия подходящими для инфляционного взрыва, как проиллюстрировано на Рис.11.2. Так как другие вселенные, вероятно, всегда будут отделены от нашей, тяжело себе представить, как мы когда-либо сможем установить, является ли эта картина "мультивселенной" правильной. Однако, как концептуальная схема, она является как богатой, так и привлекательной. Среди других вещей она предлагает возможный сдвиг в нашем понимании космологии: В Главе 10 я описал инфляцию как "передовой рубеж" стандартной теории Большого взрыва, в котором Взрыв идентифицировался с мимолетным быстрым расширением. Но если мы думаем об инфляционном прорастании каждой новой вселенной на Рис 11.2 как о ее собственном Взрыве, тогда сама инфляция лучше всего выглядит как всеобъемлющая космологическая структура, в рамках которой эволюции вроде Большого взрыва происходят пузырь за пузырем. Таким образом, вместо того, чтобы включить инфляцию в стандартную теорию Большого взрыва, в этом подходе стандартный Большой взрыв включается в инфляцию.