Космологические коаны. Путешествие в самое сердце физической реальности

Цветы лотоса, агрессивно захватывающие все большую и большую часть поверхности озера Дал, демонстрируют экспоненциальный рост. Это означает, что за определенный интервал времени они раз за разом удваивают занятую ими площадь. В случае экспоненциального роста события могут происходить очень, очень быстро. Предположим, одному растению требуется площадь, равная одному квадратному метру, и каждую неделю такой цветок лотоса порождает еще один цветок. Через 10 недель число растений удвоится девять раз и они покроют примерно 500 квадратных метров, что примерно равно площади одного большого современного плавучего дома на озере Дал. Если рост лотосов продолжится, то через несколько месяцев они займут площадь порядка 10 гектаров и садовнику на лодке потребуется около 5 минут, чтобы осмотреть их. А спустя еще три месяца[102] цветами лотоса покроется вся площадь озера (приблизительно 20 квадратных километров). Остается надеяться, что это хотя бы будет красиво!

Экспоненциальный рост может играть ключевую роль в истории нашей вселенной, поскольку он лежит в основе космологической инфляции — процесса, который, если смотреть на него через НЕБЕСНЫЕ СФЕРЫ, прекрасно учитывает раннюю стадию развития той вселенной, которую мы можем наблюдать. В первом варианте инфляционной модели за невероятно короткое время порядка 10-³⁶ секунд пространство увеличивалось вдвое примерно 85 раз подряд. При этом росла небесная сфера, ограничивающая доступную для наблюдения вселенную, а ее размер увеличился от триллионной доли радиуса протона до размера медного шара Али (внутри которого находимся мы, разглядывающие прошлое и будущее). Что ответственно за это расширение, и почему оно происходит так быстро?

На сегодняшний день это проще всего объяснить, постулировав, что в течение какого-то периода времени в космической среде преобладала энергия вакуума, то есть энергия, присущая пространству в отсутствие частиц или волн. Это странная идея. Мы привыкли, что энергия возникает благодаря частицам, волнам и их взаимодействию. Но давайте рассмотрим фотон. Он имеет свойства как частицы, так и волны, однако в любом случае фотон — только возмущение электромагнитного поля. Это электромагнитная волна, но, когда энергия такой волны принимает дискретные значения и проявляются другие свойства частиц, то мы называем фотон частицей. Когда мы говорим «нет фотона», мы имеем в виду, что нет возбуждений электромагнитного поля — колебания электромагнитного поля вообще отсутствуют. Но само поле по-прежнему есть! То же самое справедливо и для других частиц: электрон — возбуждение электронного поля, а другие частицы — возбуждения других полей. Поэтому «пустое пространство», в котором отсутствуют фотоны, электроны, протоны и т. д., на самом деле означает отсутствие возбуждений соответствующих полей, хотя сами поля есть! И точно так же, как спокойная вода может обладать большой массой, поле даже в невозбужденном состоянии может нести энергию. На самом деле нет особо веских причин полагать, что в невозбужденном состоянии какое-либо из известных нам полей обладает равной нулю энергией (не считая того, что эмпирически мы знаем — эта энергия достаточно мала)[103].

Основное отличие энергии вакуума состоит в следующем: если, растягивая, увеличивать объем пространства, плотность энергии вакуума остается постоянной. Иначе говоря, чем больше объем пространства, тем больше запасено в нем энергии. Оказывается, это как раз то, что надо: применяя к такому веществу уравнения Эйнштейна, можно показать, что именно это свойство обуславливает «расталкивание» объектов в пространстве-времени и является причиной его экспоненциального расширения. Итак, космологи, отдающие предпочтение модели инфляции, полагают, что вначале поведение космической среды определялось главным образом энергией вакуума какого-то поля. К сожалению, хотя известные нам в природе поля и способны нести энергию вакуума, на самом деле ни одно из них нужными свойствами не обладает. Поэтому, чтобы все сошлось, необходимо ввести новое поле, получившее название инфлатон. На самом раннем этапе энергия вакуума такого поля должна была быть велика настолько, чтобы требуемая инфляция космического объема привела к почти (но не совсем!) однородной постинфляционной вселенной.