Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

этого периода она расширялась с неимоверной скоростью, достигнув размеров в триллионы и триллионы раз больше первоначальных. Это решает проблему тонкой настройки плотности, порождающей плоское пространство-время, которое мы наблюдаем сегодня, поскольку малейшее искривление подверглось растяжению вследствие инфляции.

То, как инфляция помогает решить проблему горизонта, – еще интереснее. Обычное объяснение таково: отдаленные друг от друга участки Вселенной, которые, по-видимому, никогда не имели возможности контактировать друг с другом и, таким образом, синхронизировать свои физические свойства, первоначально были в контакте, однако инфляция привела к такому стремительному расширению пространства, что теперь кажется, что они слишком далеки друг от друга, чтобы между ними когда-либо могли существовать причинно-следственные связи.

Я сказал, что это обычное объяснение, однако, если задуматься, есть два момента, которые кажутся сомнительными, когда мы называем инфляцию стремительным расширением. Во-первых, для того, чтобы удаленные друг от друга части Вселенной могли обмениваться информацией, когда они были ближе, требовалось бы, чтобы они оставались рядом более продолжительное время, а не разлетелись с немыслимой скоростью. Во-вторых, когда в математике что-то характеризуется как экспоненциальное, имеется в виду, что сначала происходят медленные изменения, которые затем ускоряются (и кривая стремится наверх все быстрее). Именно таким образом лучше всего представлять себе первоначальную инфляцию Вселенной. Она началась медленно, а затем ускорилась. Далее в какой-то момент эта экспоненциальная инфляция уступила место тому, что называется степенным законом, когда вместо того, чтобы ускоряться, расширение Вселенной стало опять замедляться – и это до того момента, когда темная энергия ворвалась в формирование Вселенной и снова ускорила ее расширение.

Наверное, вам непонятно, что делает теорию инфляции столь привлекательной и как она должна работать. Поэтому давайте посвятим некоторое время тому, чтобы раскрыть ее содержание.

Чтобы понять, как работает инфляция, надо понимать различие между положительным и отрицательным давлением. Представьте себе, что в руках у вас надутый шарик. Если вы сожмете шарик, вы затратите некоторую энергию на то, чтобы уменьшить объем воздуха в шаре, увеличив тем самым его плотность, причем эта энергия перейдет к молекулам воздуха. Теперь представьте себе противоположный процесс: отпустите шарик так, чтобы он снова расширился до своего первоначального размера, а плотность воздуха внутри шара уменьшилась. Теперь энергия молекул воздуха тоже должна упасть до своего первоначального уровня[33].Таким образом, когда объем воздуха внутри шара увеличивается, его энергия уменьшается. Так обстоят дела с нормальным, положительным давлением: по мере роста объема энергия падает.

Но что, если наполнить шарик необычным веществом, которое ведет себя противоположным образом? Что, если при увеличении объема его энергия не падала бы, а оставалась прежней и количество энергии на единицу объема оставалось бы прежним, так что общий уровень энергии возрастал бы? Это мы и имеем в виду, когда говорим об отрицательном давлении: уровень энергии шарика повышается не при сжатии, а при увеличении объема. Самый яркий пример тому из обычной жизни – резиновая лента: растягивая ее, вы увеличиваете ее энергию.

Именно это и происходит с инфляционным полем в космическом пространстве: оно похоже на резиновую ленту и обладает тем же свойством – каждый раз, когда объем пространства увеличивается вдвое, его общая энергия тоже удваивается, чтобы сохранить постоянную плотность поля. Так что инфляционное поле обеспечивает Вселенную энергией точно так же, как вы сообщаете энергию резиновой ленте, когда ее растягиваете.

Здесь вы должны задать два вопроса. Во-первых, почему инфляционное поле вызывает расширение космического пространства? Ведь резиновая лента не растягивается сама по себе. И во-вторых, откуда берется энергия, которую генерирует инфляционное поле? На оба вопроса можно найти непростые, но логически обоснованные ответы, и кроются они, как вы понимаете, в уравнениях общей теории относительности.

Полевые уравнения Эйнштейна говорят о том, что, кроме массы и энергии, гравитация может быть связана с давлением. Поэтому молекулы воздуха в шарике, находящиеся под положительным давлением, порождают нормальную силу притяжения, а вещество с отрицательным давлением вызовет противоположный эффект – антигравитацию, которая будет приводить к расширению, а не к сжатию. Инфляционное поле обладает тем свойством, что отталкивающий эффект его отрицательного давления (антигравитации) сильнее, чем нормальное притяжение, вызываемое его энергией, и это вызывает расширение космического пространства нарастающими темпами.

Что касается того, откуда изначально взялась энергия инфляционного поля, то она заимствуется из его собственного гравитационного поля. Вспомните о мячике на макушке холма: он обладает запасом потенциальной энергии, которая при скатывании вниз превращается в кинетическую. Однако мячик, скатившийся с горы, не обладает потенциальной энергией, тогда как мячик, упавший в яму, обладает отрицательной потенциальной энергией (поскольку для того, чтобы поднять его на поверхность, требуется некоторая энергия). Похоже на то, что наша Вселенная началась с отсутствия какого-либо пространства или энергии, а квантовые колебания заставили ее спуститься по гравитационному «склону». Двигаясь вниз, она накапливала положительную энергию, которая по мере спуска на гравитационную равнину компенсировалась увеличением отрицательной потенциальной гравитационной энергии (рис. 5). Космологи называют это «Вселенная как бесплатный обед», то есть нечто, возникшее из ничего. Это очень остроумный ответ на вопрос о том, откуда изначально взялись материя и энергия.

Рис. 5. Инфляция – Вселенная накопила положительную энергию (из которой образовалась материя), «скатываясь» с гравитационного «склона» потенциальной энергии, в то же время расширяя свой объем

Другой способ понять, почему гравитационная энергия является отрицательной, иллюстрируется следующим примером: начните с двух масс, находящихся на бесконечном расстоянии друг от друга, между которыми гравитационная энергия равняется нулю. По мере приближения друг к другу они постепенно наращивают гравитационное притяжение, однако эта гравитационная энергия является отрицательной в том смысле, что для того, чтобы их растащить и вернуть к изначальному нулевому энергетическому уровню, вам пришлось бы затратить положительную энергию.

Когда инфляция закончилась, энергия инфляционного поля преобразовалась в нормальную энергию, которая конденсировалась во всю материю, присутствующую вокруг нас. Все вещество Вселенной было создано из энергии, заимствованной у гравитационного поля – важнейшего фактора в создании Вселенной.

Однако то, что инфляционная теория помогает решить эти космологические проблемы, еще не значит, что она верна. Хотя большинство космологов поддерживают эту теорию, есть и такие, кто с ней не согласен, кроме того, остаются и некоторые непростые вопросы, на которые ответов еще нет. Одним из критиков инфляционной теории является давний соратник Стивена Хокинга Роджер Пенроуз. Вместо инфляции