Стивен Хокинг. Непобедимый разум

И в-третьих, проблема гладкости. Судя по идентичности CMBR во всех направлениях, вселенная в самом своем начале была гладкой, без комков, бугров, складок, каких-либо аномалий. И это стало главной головной болью для астрофизиков – “недостающим звеном” теории Большого взрыва: если в ту эпоху, от которой до нас дошло реликтовое излучение, вселенная была до такой степени однородной, как потом, миновав возраст в 300 тысяч лет, она вдруг сделалась столь разнообразной, “ухабистой”, породив и большие сгустки материи вроде звезд, галактик, кластеров, планет, и малые вроде нас с вами? Почему реликтовое излучение не сохранило и намека на ранние стадии такой дифференциации?

Если эта проблема кажется вам не такой уж важной, вспомните принцип демократии Уилера: чем ближе друг к другу находятся частицы, тем сильнее их взаимное притяжение. Если все частицы вещества во вселенной находятся на одинаковых расстояниях друг от друга и нет областей, в которых они скапливаются хоть чуть плотнее, то на каждую частицу действует одинаковое притяжение со всех сторон и ни одна из них не подвинется к другой. У исследователей выходило, что вначале вселенная представляла собой именно такого рода кристаллическую решетку: вещество распределялось в ней столь равномерно, что никогда бы не стронулось с места и не образовало бы ту вселенную, которую мы наблюдаем.

К середине 1970-х, когда Хокинг впервые приехал в Калифорнийский технологический, никому из физиков-теоретиков не удалось устранить ни один из этих камней преткновения.

Спасительная инфляция

В конце 1970-х молодой физик, специалист по частицам Алан Гут, сотрудник Стэнфордского линейного ускорителя, решился внести в историю вселенной, как ее представляли себе на тот момент космологи, существенные изменения. Он сразу же понял, что напал на золотую жилу, и записал в своем блокноте: “ОШЕЛОМЛЯЮЩЕЕ ОСОЗНАНИЕ” – и дважды обвел эти слова кружком. Открытие Гута блестяще разрешило проблемы теории Большого взрыва, а заодно наметило для вселенной возможность сделаться в итоге такой, какой мы ее видим, причем для этого не требовалось сверхточной подгонки начальных условий.

Гут предположил, что вселенная вначале пережила краткий период невероятно быстрого роста, а потом “замедлилась” и продолжала расширяться уже с той скоростью, какую мы регистрируем и сейчас. Именно мысль о “замедлении” принципиально отличает концепцию Гута от прежних. Гут нашел выход из уравнений Эйнштейна, по которым получалось, что расширение вселенной должно ускоряться во все время ее существования или же расширение начинается с замедления, но потом ускоряется и никогда уже не перестает ускоряться. Вселенная, по версии Гута, переживала только краткий период ускоренного расширения – в своем младенчестве.

Гут расчислил процесс, в котором вселенная всего через 10^–30 или менее секунды после Большого взрыва (единица, деленная на 1 с тридцатью нулями) подверглась действию мощной силы отталкивания, и эта сила очень короткое время представляла собой космологическую константу – ту самую константу, о которой думал Эйнштейн, пока не отверг эту идею. В течение кратчайшей доли секунды эта сила ускоряла центробежное расширение, происходила стремительная “инфляция” размеров вселенной от размеров меньше протона в ядре атома до примерно мяча для гольфа.

За тридцать с лишним лет, с тех пор как Гут выдвинул свою гипотезу, физики продолжали работать с ней, создавать новые версии, пытаясь установить, как и почему мог произойти такой процесс. Чтобы хоть как-то это понять, придется для начала поработать с терминологией.

Начнем с нарушения симметрии. Простейший пример: упираем палку вертикально в землю и отпускаем. Она может упасть в любом направлении – действующее на нее притяжение Земли “симметрично”, оно не задает определенного направления падения. Все направления равновероятны. Тем не менее палка упадет определенным образом, а не во все стороны сразу. Когда палка падает, симметрия нарушается. В “Краткой истории времени” Хокинг приводил другой пример: колесо рулетки. Крупье раскручивает колесо, шарик вращается – ситуация “симметрична”. Постепенно колесо сбавляет ход, уменьшается скорость (высокая энергия) движения шарика. И наконец выпадает конкретное число. Симметрия нарушается[181].

Объясняя различие между “псевдовакуумом” и “истинным вакуумом” – оба эти понятия используются для объяснения инфляции, – физики проводят сравнение с мужской шляпой, у которой имеются поля и небольшое углубление сверху. Если положить в это углубление шарик, он закатится в самую низкую точку углубления. Это не будет нижняя точка шляпы – лишь самая низкая точка наверху шляпы. Так и элементарные частицы временно “закатываются” на различные энергетические уровни. Эти места для отдыха и есть “псевдовакуум”. Тряхните шляпу, подкиньте к первому шарику второй, который его толкнет, и шарики скатятся с вершины шляпы на поля. Поля в этой аналогии – “истинный вакуум”. Самый низкий энергетический уровень, возможный в данной системе.