Вселенная из ничего - Лоуренс Краусс

Проблема горизонта связана с тем, что космическое микроволновое фоновое излучение чрезвычайно однородно. Небольшие отклонения температуры, которые я описал выше, представляют собой вариации плотности материи и излучения в прошлом, когда Вселенной было несколько сотен тысяч лет, менее чем 1 часть на 10000, если сравнивать с остальным однородным фоном плотности и температуры. Поэтому, хотя я сфокусировал внимание на малых отклонениях, возникал более глубокий, более актуальный вопрос: «Как Вселенная изначально стала такой однородной?»

В конце концов, если вместо прежнего снимка космического микроволнового фонового излучения (где колебания температуры в несколько частей на 100 000 отображаются разными цветами) я покажу температурную карту неба в микроволновом диапазоне в линейном масштабе (с вариациями в оттенках, отображающими вариации температуры, скажем, примерно ± 0, 03 градуса [Кельвина] соответствует средней фоновой температуре около 2,72 градусов выше абсолютного нуля или вариации 1 части на 100 относительно среднего), карта будет выглядеть следующим образом:

Сравните это изображение, которое не содержит ничего примечательного в плане структуры, с аналогичной проекцией поверхности Земли, с лишь слегка большей чувствительностью, с цветовыми вариациями, представляющими вариации относительно среднего радиуса примерно 1 части на 500:

Из этого следует, что Вселенная, в больших масштабах, невероятно однородна.

Как такое может быть? Что ж, можно было бы просто предположить, что в древние времена ранняя Вселенная была горячей, плотной, и пребывала в тепловом равновесии. Это означает, что все горячие точки охлаждались бы, а холодные пятна нагревались бы, пока первичный бульон не достиг бы одинаковой температуры на всем своем протяжении.

Однако, как я указывал ранее, когда Вселенной было несколько сотен тысяч лет, свет мог пройти лишь несколько сотен тысяч световых лет, что составляет небольшой процент от того, что сейчас представляет собой вся наблюдаемая Вселенная (это прошлое расстояние представляло бы собой угол всего лишь около 1 градуса на карте всей микроволновой фоновой поверхности последнего рассеяния, наблюдаемого сегодня). Поскольку Эйнштейн говорит нам, что никакая информация не может распространяться быстрее света, согласно стандартной картине Большого Взрыва нет просто никакой возможности, чтобы часть того, что сейчас является наблюдаемой Вселенной, в то время влияла бы на существование и температуру других частей на угловых масштабах, больше чем примерно 1 градус. Таким образом, невозможно, чтобы газ на этих масштабах мог бы быть со временем термализован, чтобы привести повсеместно к такой равномерной температуре!

Физик-ядерщик Гут размышлял о процессах, которые могли происходить в ранней Вселенной, и которые могли быть важными для понимания этой проблемы, когда придумал для них абсолютно блестящее объяснение. Если, когда Вселенная охлаждалась, она переживала какую-то переходную фазу, например, когда вода замерзает в лед или железная болванка при охлаждении приобретает магнитные свойства, то могла быть решена не только проблема горизонта, но также проблема плоскостности (и, если на то пошло, проблема монополя).

Если вы любите пить по-настоящему холодное пиво, с вами, возможно, случалось такое: вы берете холодную бутылку пива из холодильника и, когда ее открываете и снижаете давление внутри, пиво вдруг замерзает полностью, и при этом может даже треснуть бутылка. Это происходит потому, что при высоком давлении предпочтительным низкоэнергетическим состоянием пива является жидкая форма, а как только давление выпускается, предпочтительным низкоэнергетическим состоянием пива становится твердое состояние. Во время фазового перехода может высвобождаться энергия, потому что низкоэнергетическое состояние в одной фазе может иметь более низкую энергию, чем низкоэнергетическое состоянии в другой фазе. Когда такая энергия выделяется, ее называют «скрытой теплотой».

Гут понял, что, когда сама Вселенная охлаждалась от расширения Большого взрыва, конфигурация материи и излучения в расширяющейся Вселенной, возможно, на некоторое время «застряла» в некотором мета-стабильном состоянии, до тех пор, пока, когда Вселенная, наконец, не остыла еще больше, эта конфигурация вдруг не подверглась фазовому переходу в энергетически предпочтительное основное состояние материи и излучения. Энергия, запасенная в конфигурации «ложного вакуума» Вселенной до завершения фазового перехода — «скрытая теплота» Вселенной, если хотите — могла бы существенно повлиять на расширение Вселенной в период до перехода.

Энергия ложного вакуума вела бы себя так же, как энергия, представленная космологической постоянной, потому что она действовала бы как энергия, пронизывающая пустое пространство. Она вызывала бы расширение Вселенной во времени, происходящее все быстрее и быстрее. В конце концов, то, что впоследствии стало нашей наблюдаемой Вселенной, начало бы расти быстрее скорости света. Это допускается общей теорией относительности, хотя это, похоже, нарушает специальную теорию относительности Эйнштейна, которая гласит, что ничто не может двигаться быстрее, чем скорость света. Но надо быть похожим на юриста и разобрать это чуть более тщательно. Специальная теория относительности говорит, что ничто не может двигаться в пространстве быстрее скорости света. Но само пространство может делать все, что, черт возьми, оно хочет, по крайней мере, в общей теории относительности. И когда пространство расширяется, оно может разносить друг от друга удаленные объекты, которые покоятся в этом пространстве, на сверхсветовых скоростях.

Оказывается, во время этого инфляционного периода Вселенная могла расшириться более чем в 1028 раз. Хотя это невероятная цифра, это могло произойти за доли секунды в очень ранней Вселенной. В этом случае всё в пределах нашей наблюдаемой Вселенной, перед тем как произошла инфляция, когда-то помещалось в области гораздо меньшей, чем мы установили бы, если бы инфляции не было, и самое главное, настолько маленькой, что вся эта область имела достаточно времени для термализации и установления одинаковой температуры.

Инфляция сделала возможным еще одно довольно общее предсказание. Когда шарик надувают и он становится все больше и больше, искривление на его поверхности становится все меньше и меньше. Что-то подобное происходит и с Вселенной, которая увеличивается в размерах по экспоненте, как это происходит во время инфляции — под действием постоянной и огромной энергии ложного вакуума. Действительно, к моменту, когда инфляция закончится (решая проблему Горизонта) искривление Вселенной (если оно вначале равно нулю) будет столь малым, что вплоть до сегодняшнего дня при точном измерении Вселенная будет практически плоской.

Инфляция — единственное на сегодня реальное объяснение, как однородности, так и плоскостности Вселенной, основанное на том, что может быть фундаментальными и заслуживающими доверия микроскопическими теориями частиц и их взаимодействий. Но, кроме того, инфляция делает другое, возможно, даже более замечательное предсказание. Как я уже пояснил, из законов квантовой механики следует, что на очень малых масштабах в течение очень короткого времени пустое пространство может оказаться кипящим, бурлящим варевом виртуальных частиц и полей, сильно колеблющихся по величине. Эти «квантовые флуктуации» могут быть важными для определения характера протонов и атомов, но в целом они невидимы на больших масштабах, что является одной из причин, почему их появление столь необычно для нас.

Тем не менее, во время инфляции эти квантовые флуктуации могут обусловить время, когда то, что иначе было бы различными маленькими областями пространства, прекратит свой период экспоненциального расширения. В разных областях инфляция прекращается в слегка (микроскопически) разное время, при разной плотности материи и излучения, что приводит к тому, что энергия ложного вакуума, высвобождаемая в виде тепла в этих разных областях, немного отличается в каждой из них.

Характер флуктуаций плотности, которые получаются после инфляции — возникающих, я должен подчеркнуть, из-за квантовых флуктуаций в остальном пустого пространства — оказывается точно соответствует наблюдаемой картине холодных и горячих пятен на больших масштабах в космическом микроволновом фоновом излучении. Хотя, конечно, схожесть не является доказательством, среди космологов крепнет точка зрения, что, опять же, если это ходит как утка, выглядит как утка и крякает как утка, то это, вероятно, утка. И если инфляция действительно отвечает за все малые колебания плотности вещества и излучения, которые впоследствии приводят к гравитационному коллапсу материи в галактиках, звездах, планетах и людях, то действительно можно сказать, что все мы сегодня существуем благодаря квантовым флуктуациям в том, что, по сути, представляет собой ничто.