О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга

И все же на первый взгляд ошеломляющие численные характеристики инфляции выглядели невероятными. Если взглянуть на них в перспективе, то выходило, что степень грандиозного раздувания пространства за краткий миг инфляции намного обогнала общее расширение Вселенной за все последовавшие 13,8 миллиарда лет! Что за странная форма материи могла бы заставить пространство растягиваться в таком фантастическом масштабе? Создатели теории инфляции предложили на эту роль скалярные поля. Эти невидимые экзотические субстанции, заполняющие пространство, похожи на электрические и магнитные поля, и даже проще – в каждой точке пространства они характеризуются только численным значением, но не направлением. Одно из известных скалярных полей – поле Хиггса, вершина Стандартной модели физики частиц, открытое в CERN[119] в 2012 году. Расширения Стандартной модели обычно содержат многочисленные скалярные поля; некоторые из них могут входить в состав темной материи, присутствующей во Вселенной. Скалярное поле, ответственное за инфляцию, так и называется – инфлатонным, хоть такое название, возможно, сбивает с толку. Инфлатонное поле остается гипотетическим, оно пока не обнаружено ни в CERN, ни где-либо еще на Земле, – но именно оно, как утверждает теория инфляции, и могло вызвать кратковременное расширение ранней Вселенной в поистине сумасшедших масштабах.

Что же делает скалярные поля таким мощным источником антигравитационных сил отталкивания? Как и все остальные формы материи, скалярные поля описываются правой частью приведенного выше уравнения Эйнштейна. Однако в отличие от обычного вещества, у скалярных полей есть некоторые важные свойства, объединяющие их с космологической постоянной, эйнштейновским – членом. Дело в том, что, подобно космологической постоянной, однородные скалярные поля наполняют пространство не только положительной энергией, порождающей гравитационное притяжение, но и отрицательным давлением, которое иногда называют напряжением или растяжением и которое обуславливает силу антигравитации. И оказывается, что антигравитация скалярных полей побеждает их гравитацию – вот почему они в отличие от всех остальных форм материи ускоряют расширение. Более того, инфляция сама питается расширяющимся пространством. В то время как привычное нам вещество теряет энергию на расширение пространства, при отрицательном давлении, которым инфлатонное поле пропитывает Вселенную, так же как и в случае космологической постоянной, расширение пространства ведет не к рассеиванию энергии этого поля, а наоборот, к ее приобретению[120].

Когда Эйнштейн в 1917 году ввел в свою теорию космологическую постоянную, он тщательно отрегулировал ее значение с таким расчетом, чтобы идеально сбалансировать описываемое ею отталкивание с гравитационным притяжением вещества: тем самым для Вселенной было обеспечено состояние покоя. Спустя шестьдесят лет создатели теории инфляции пошли гораздо дальше: по их представлениям, инфлатонное поле антигравитации, действовавшей в течение очень короткого времени в самом начале Вселенной, было намного сильнее всех источников притяжения. Это и сделало Большой взрыв настоящим взрывом: мгновенным всплеском космического расширения невероятных масштабов.

Диаграмма на рис. 29 иллюстрирует, как работает теория инфляции. Кривая на ней показывает, как плотность энергии, заключенной в гипотетическом инфлатонном поле, меняется для различных значений поля. Высота кривой в каждой точке соответствует силе инфлатонной антигравитации. Согласно инфляционной космологии, на самых ранних стадиях истории Вселенной существовала малая область пространства, в которой энергия инфлатонного поля каким-то образом взлетела до изображенного на графике плато. Это привело к раздуванию инфляции данного участка пространства, а само инфлатонное поле внутри него при этом плавно скатилось в «долину» на энергетическом ландшафте.

Как только инфлатонное поле достигло состояния с минимальной энергией, у инфляции «кончился завод». Колоссальная вспышка расширения подошла к концу, и Вселенная продолжила расширяться гораздо медленнее. Таким образом, инфлатонное поле отличается от космологической постоянной в одном очень важном смысле. В то время как оба фактора ведут к возникновению сил гравитационного отталкивания, космологическая постоянная, естественно, постоянна. А вот значение инфлатонного поля может меняться со временем, из-за чего возможны «включения» и «выключения» вспышек быстрого расширения. Это ключевое свойство и используется теоретиками инфляции.