Вечность. В поисках окончательной теории времени - Кэрролл Шон (читаем книги онлайн бесплатно TXT) 📗

Прохладным декабрьским утром 1979 года в Пало Альто Алан Гут что есть силы крутил педали велосипеда, спеша в свой офис в группе теоретической физики в SLAC, Стэнфордском центре линейных ускорителей. Добравшись до рабочего стола, он открыл блокнот на новой странице и написал:

Он аккуратно обвел эти слова прямоугольной рамкой. Затем еще одной. [261] Будучи ученым, вы живете ради того дня, когда вам удастся добиться результата — это может быть теоретическая догадка или экспериментальное открытие — настолько изумительного, что он заслуживает быть обведенным рамкой. В редких случаях результат достоин двойной рамки — обычно он в корне меняет жизнь человека, а заодно и направление хода научной мысли. Как пишет сам Гут, других результатов, которые следовало бы обвести двойной рамкой, в его блокнотах нет. А тот блокнот, которым он пользовался во времена работы в SLAC, теперь входит в экспозицию планетария Адлера в Чикаго, раскрытый на странице с процитированной выше записью.

Гут напал на след сценария, сегодня известного под названием «инфляция». Суть идеи в том, что ранняя Вселенная была заполнена временной формой темной энергии с ультравысокой плотностью, что заставляло пространство ускоряться в невероятном темпе (упомянутое выше «переохлаждение»). Это простое предположение способно дать объяснение практически всему, что касается условий, наблюдаемых в нашей ранней Вселенной, — от геометрии пространства до распределения возмущений плотности в космическом микроволновом излучении. И хотя мы пока не располагаем окончательными доказательствами того, что инфляция на самом деле происходила, эта идея, возможно, оказалась самой влиятельной в космологии за последние несколько десятилетий. [262]

^{Рис. 14.1. Алан Гут, чей сценарий инфляционной Вселенной может помочь в объяснении, почему наша наблюдаемая Вселенная так близка к однородному и плоскому состоянию.}

Из этого, конечно же, не следует ее истинность. Если в ранней Вселенной в течение какого-то периода времени доминировала темная энергия с высокой плотностью, то можно понять, почему Вселенная эволюционировала именно в то состояние, в котором она, очевидно, находилась в ранние годы. Однако мы подвергаем себя опасности упустить из виду важный вопрос: почему Вселенная вообще находилась под властью темной энергии? Инфляция сама по себе не дает никакого ответа на загадку, почему энтропия в ранней Вселенной была низкой, за исключением предположения, что при зарождении Вселенной энтропия была еще ниже (что вполне может оказаться небольшим жульничеством).

Тем не менее инфляция — это невероятно привлекательная идея, хорошо согласующаяся с наблюдаемыми свойствами нашей ранней Вселенной. И благодаря ей мы пришли к определенным удивительным выводам, которые не предвидел даже сам Гут, когда впервые предложил этот сценарий, — включая, как мы скоро узнаем, способ придать реалистичность идее Мультиленной. По мнению большинства работающих в настоящее время космологов, та или иная версия инфляционной теории, скорее всего, окажется в итоге правильной. Единственный вопрос — почему инфляция вообще происходила?

Кривизна пространства

Представьте себе, что вы взяли карандаш и пытаетесь поставить его на кончик грифеля. Очевидно, что он сразу же начнет падать. Но если бы в вашем распоряжении была чрезвычайно устойчивая поверхность, а вы были бы настоящим мастером балансировки, то вы бы могли установить эту конструкцию так, чтобы карандаш оставался в вертикальном положении очень долгое время. Скажем, более 14 миллиардов лет.

Этот пример хорошо иллюстрирует нашу Вселенную, а карандаш представляет такую ее характеристику, как кривизна пространства. В действительности это не самое запутанное понятие, но космологи зачастую искусственно усложняют его, говоря то о «кривизне пространства—времени», то о «кривизне пространства». Это разные вещи, и нам приходится каждый раз из контекста догадываться, что именно имелось в виду. Так же как пространство— время может обладать кривизной, кривизна может быть и у пространства самого по себе, и вопрос о том, искривлено ли пространство, абсолютно не связан с вопросом искривленности пространства—времени. [263]

Одна из проблем, которые потенциально могут всплыть при обсуждении кривизны пространства самого по себе, заключается в том, что общая теория относительности предоставляет нам возможность нарезать пространство—время на трехмерные копии эволюционирующего во времени пространства множеством разных способов; определение «пространства» не уникально. К счастью, в нашей наблюдаемой Вселенной существует естественный вариант подобной нарезки: мы определяем «время» так, чтобы плотность материи оставалась приблизительно одинаковой в пространстве на больших масштабах, но уменьшалась по мере расширения Вселенной. Другими словами, распределение материи определяет естественную покоящуюся систему координат во Вселенной. Это ни в коем случае не нарушает принципы относительности, так как отражает свойства одной конкретной конфигурации материи, а не базовые законы физики.

В целом пространство может совершенно произвольным способом искривляться в разных точках, и для того чтобы справиться с математикой, описывающей искривление, была разработана особая дисциплина, носящая название дифференциальной геометрии. Но космологам повезло: пространство при рассмотрении очень больших расстояний является однородным и выглядит одинаково во всех направлениях. В такой ситуации достаточно указать одно значение — «пространственную кривизну», чтобы узнать все необходимое о геометрии трехмерного пространства. Кривизна пространства может выражаться положительным числом, отрицательным числом или быть равной нулю. Если кривизна равна нулю, то мы, естественно, говорим, что пространство «плоское» и обладает всеми геометрическими характеристиками в привычном для нас понимании. Эти характеристики впервые были сформулированы Эвклидом и включают такие свойства, как «параллельные линии никогда не пересекаются» и «сумма углов треугольника равна в точности 180 градусам». Если кривизна положительна, то пространство напоминает поверхность сферы, — за исключением того, что оно трехмерно. Линии, параллельные на каком-то участке, в конечном счете пересекутся, а сумма углов треугольника превышает 180 градусов. Если же кривизна отрицательная, то пространство похоже на седло или картофельные чипсы. Линии, параллельные на каком-то участке, расходятся в стороны, а сумма углов треугольника — ну, вы, вероятно, уже догадались. [264]

^{Рис. 14.2. Варианты пространств с постоянной кривизной. Сверху вниз: положительная кривизна, как на сфере; отрицательная кривизна, как на седле; нулевая кривизна, как на плоской поверхности.}

Согласно правилам общей теории относительности, если при рождении Вселенная была плоской, то она остается плоской. Если она появилась в искривленном состоянии, то кривизна постепенно, по мере расширения Вселенной, уменьшается. Однако, как мы уже знаем, плотность материи и излучения также уменьшается. (Пока позабудьте даже о том, что вы когда-либо слышали такой термин, как темная энергия, потому что она все ставит с ног на голову.) Написав уравнения, можно убедиться, что плотность материи или излучения уменьшается быстрее, чем вклад кривизны пространства. По сравнению с материей и излучением кривизна по мере расширения Вселенной оказывает все большее влияние на эволюцию Вселенной.