Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - [42]

Космологическая модель (эквивалент Стандартной модели в физике частиц), которая объединяет все, что мы сейчас знаем о темной материи и темной энергии, называется моделью ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter, Лямбда-модель холодной темной материи). Подобно тому как самые серьезные квантовые теории поля стали основой для не слишком сплоченного союза, представленного Стандартной моделью физики частиц, общая теория относительности лежит в основе космологической модели ΛCDM.

Есть еще один важный элемент модели ΛCDM, который, как утверждает большинство космологов (но, конечно, не все), нужен для объяснения характеристик наблюдаемой нами Вселенной. Он называется космической инфляцией и дает возможный ответ на вечный вопрос: каково происхождение Вселенной, а также содержащейся в ней материи и энергии?

Инфляция и мультивселенные

Как я упоминал в самом начале книги, на заре своей истории мы уже создавали мифы о происхождении Вселенной. Сегодня физика сорвала покров тайны с этого вопроса. Но была ли какая-то причина, вызвавшая Большой взрыв? Существовал ли какой-то фактор, послуживший спусковым крючком для рождения нашей Вселенной?

Самый простой ответ состоит в том, что до Большого взрыва ничего не было, поскольку именно он и отметил рождение пространства и времени. Стивен Хокинг и Джеймс Хартл выдвинули гипотезу об отсутствии границ, согласно которой по мере нашего продвижения назад, в сторону Большого взрыва, время будет терять свой смысл и превращаться во что-то похожее на пространственное измерение. Таким образом, в точке начала Вселенной мы получаем гладкое четырехмерное пространство. Поэтому бессмысленно спрашивать, что произошло до Большого взрыва, точно так же, как бессмысленно спрашивать, какая точка на поверхности Земли лежит южнее Южного полюса.

Одной модели Большого взрыва недостаточно, чтобы объяснить структуру Вселенной, как мы ее видим сегодня. В частности, полвека назад космологи столкнулись с двумя озадачившими их проблемами. Первую назвали проблемой плоского пространства-времени. Это еще один вопрос тонкой настройки, относящийся к плотности материи и энергии во Вселенной, которая, видимо, имеет как раз нужное значение, чтобы сделать пространство почти совершенно плоским[32].Вторую называют проблемой горизонта. То, что мы можем рассмотреть в космосе, составляет, вероятно, лишь крошечную долю всей Вселенной, поскольку существует горизонт, за который нам не заглянуть. Этот горизонт является границей того, что известно как видимая Вселенная. Он существует потому, что Вселенная не вечна, а свету нужно время, чтобы до нас добраться. Дополнительная трудность в том, что Вселенная расширяется, и на определенном удалении пространство расширяется быстрее, чем проходящий через него свет (это как подниматься наверх по быстро движущемуся вниз эскалатору).

Представьте себе галактику на одном краю видимой Вселенной и другую галактику – на противоположном краю. Из-за расширения Вселенной ни одно мыслящее существо, живущее в любой из этих галактик, не имеет ни малейшего понятия о существовании другой, поскольку свет от одной еще не достиг другой галактики, да и никогда до нее не дойдет. По сути, те области пространства, в которых находятся наши две галактики, никогда не смогут вступить в контакт или обмениваться информацией. Но почему это проблема? Потому, что, куда бы мы ни посмотрели и как бы далеко ни заглянули, Вселенная везде одинакова. Обе галактики кажутся одинаковыми – во всяком случае, нам, находящимся между ними, – с точки зрения их физических характеристик, состава и структуры материи. Как же так может быть, если в прошлом они никогда не контактировали между собой?

Чтобы найти решение этих двух проблем – плоского пространства-времени и горизонта, 40 лет назад была выдвинута концепция космической инфляции. Вот ее суть: когда от момента рождения Вселенной прошли какие-то доли секунды, она испытала короткий период экспоненциального расширения, обусловленного еще одним квантовым полем – инфляционным. В течение 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.