Що вибухнуло, як вибухнуло і що послужило причиною вибуху
З точки зору інфляційної космології слід визнати, що Всесвіт дісталася нам задарма.
Якось раз в самий звичайний зимовий день 1980 року, близько полудня, я сидів в тісно набитою гарвардської аудиторії, слухаючи самий вражаючий доповідь з усіх, що мені довелося відвідати за багато років. Молодий фізик зі Стенфорда Алан Гут розповідав про нову теорію походження Всесвіту.
Цією заміткою, я починаю розміщувати тут уривки з чудової книги Олександра ВіленкінаМір багатьох світів
Фізики в пошуках паралельних всесвітів.
Раніше я не зустрічався з Гутом, але знав про те, як несподівано цей перш нікому не відомий вчений раптом став знаменитістю. Всього місяць тому він належав до кочового племені «постдоков» - молодих дослідників, що перебиваються тимчасовими контрактами в надії одного разу відзначитися і осісти на постійній роботі в якомусь університеті. Для Гута все складалося не найкращим чином: у свої 32 роки він був уже трохи застарий для цього молодого племені, і потік контрактних пропозицій вже починав потихеньку пересихати. Ось тоді-то його і осяяла вдала думка, змінних все навколо.
Гут виявився невисоким рухомим молодим чоловіком, за довгі роки «постдоковскіх» поневірянь нітрохи не втратив хлоп'ячого ентузіазму. Він відразу дав зрозуміти, що не намагається спростувати теорію Великого вибуху. У цьому не було потреби. Позиції цієї теорії були дуже сильні, а свідоцтва на її користь - дуже переконливі.
Найсильніший аргумент - це розширення Всесвіту, відкрите в 1929 році Едвіном Хабблом. Він виявив, що далекі галактики стрімко розлітаються від нас. Якщо простежити рух галактик назад в часі, то в певний момент у минулому всі вони зливаються разом, що і говорить про вибуховий виникнення Всесвіту.
Іншим важливим підтвердженням Великого вибуху служить космічне мікрохвильове випромінювання. Космос заповнений електромагнітними хвилями приблизно тієї ж частоти, що в звичайних мікрохвильових печах. Інтенсивність цього випромінювання знижується в міру розширення Всесвіту, так що ми зараз спостерігаємо лише слабкий відсвіт розпеченого первинного вогняного кулі.
Теорія Великого вибуху служить космологам для вивчення того, як цей вогненна куля розширювався і остигав, як виникали атомні ядра і як з безформних газових хмар виникали грандіозні спіралі галактик. Результати цих досліджень прекрасно узгоджувалися з астрономічними спостереженнями, і це практично не залишало сумнівів в тому, що теорія розвивається в правильному напрямку. Однак вона описувала тільки наслідки Великого вибуху і нічого не говорила про нього самого - висловлюючись словами самого Гута, «що« вибухнуло », як« вибухнуло »і що послужило причиною« вибуху ».
Додатково до всього при найближчому розгляді Великий вибух виглядає досить дивно. Уявіть собі шпильку, що стоїть на вістрі: найменший поштовх - і вона впаде. Так само і з Великим вибухом. Навколишній нас величезний світ, повний галактик, утворюється тільки за тієї умови, що енергія первинного вибуху вивірена з немислимою точністю. Мізерна відхилення призводить до космологічної катастрофи: або вогненна куля коллапсирует під дією власного тяжіння, або Всесвіт виявляється майже порожній.
Космологія Великого вибуху просто постулює, що вогненна куля мав необхідними властивостями. Серед фізиків переважала думка, згідно з яким наука може описати, як розвивалася Всесвіт із заданої початкової конфігурації, але спроби розібратися, чому все почалося саме з цього конкретного стану, виходять за рамки фізики. Питання, пов'язані з цим початковим станом, вважалися «філософією», що на мові фізиків означає марну трату часу. Втім, ця думка не робило Великий вибух менш загадковим.
І ось тепер Гут розповідав нам про те, що завісу таємниці, навколишнє Великий вибух, можна підняти. Нова теорія могла розкрити його природу і пояснити, чому первинний вогненна куля був так тонко настроєний. Аудиторія затихла. Всі були заінтриговані.
Нова теорія давала Великому вибуху надзвичайно просте пояснення: Всесвіт роздувалася відразливим тяжінням! Ключову роль в теорії грала гіпотетична надгуста матерія з вкрай незвичайними властивостями. Самим незвичайним серед них було те, що вона породжувала потужне відразливе гравітаційне поле. Гут припустив, що в ранньому Всесвіті була деяка кількість такої матерії. Багато йому не було потрібно: достатньо було крихітного шматочка.
Мал. 1.1. Шматочок гравітаційно відразливою матерії.
Внутрішнє гравітаційне відштовхування змусило б цей шматочок дуже швидко розширюватися. Якби він складався зі звичайного речовини, його щільність падала б з розширенням, але дивна антигравітаційна матерія поводиться зовсім по-іншому: її друге ключове властивість полягає в незмінній щільності, так що її загальна маса пропорційна обсягу, який вона займає. У міру зростання розмірів шматочка його маса збільшується, так що його відразлива гравітація стає все сильніше і він все швидше розширюється. Короткий період такого прискореного розширення, яке Гут назвав інфляцією, може збільшити крихітний вихідний шматочок до жахливих розмірів, що перевищують всю спостережувану сьогодні Всесвіт.
Вражаючий зростання маси в ході інфляції може на перший погляд здатися порушенням самого фундаментального закону природи - принципу збереження енергії. Згідно знаменитій формулі Ейнштейна E = mc 2 енергія пропорційна масі. (Тут E - енергія, m - маса, а c - швидкість світла.) Виходить, енергія роздувається шматка матерії має зрости в колосальне число раз, тоді як закон збереження енергії вимагає, щоб вона залишалася незмінною. Цей парадокс зникає, якщо врахувати внесок в енергію, який дає гравітація. Вже давно відомо, що гравітаційна енергія завжди негативна. Раніше це здавалося не настільки вже й важливим, але тепер набуло справді космічне значення. У той час як позитивна енергія матерії зростає, його компенсує зростаюча негативна гравітаційна енергія. Повна енергія залишається постійною, як і вимагає закон збереження.
Щоб забезпечити період інфляції завершенням, Гут ввів умова, що гравітаційно відштовхує матерія повинна бути нестабільною. При розпаді її енергія породжує гарячий вогненна куля елементарних частинок. Він продовжує по інерції розширюватися, але тепер уже складається зі звичайної матерії, його гравітація стає притягує, і розширення поступово сповільнюється. Момент розпаду антигравітаційної матерії відзначає кінець інфляції і в даній теорії грає роль Великого вибуху.
Краса цієї ідеї полягала в тому, що одним махом інфляція пояснювала, чому Всесвіт настільки велика, чому вона розширюється і чому спочатку вона була такою гарячою.
Неосяжна розширюється Всесвіт з'явилася практично з нічого. Все, що було потрібно, - це мікроскопічний шматочок гравітаційно відразливого матеріалу. Гут чесно визнавав, що не знає, звідки взявся цей шматочок, але заперечувати його досягнення було важко. «Часто кажуть, що не можна отримати щось з нічого, - говорив він, - але в кінцевому рахунку Всесвіт могла дістатися нам даром».