Вечность. В поисках окончательной теории времени

Все это хорошо и прекрасно, но самое интересное начинается тогда, когда мы понимаем, что в отличие от горизонта событий статической черной дыры наш космологический горизонт со временем, по мере того как мы продвигаемся вдоль нашей мировой линии, увеличивается. Чем старше мы становимся, тем больше пространства – времени охватывает наш световой конус прошлого, и мировые линии других частиц, которые раньше находились снаружи, попадают внутрь нашего горизонта. (Сами мировые линии не меняются – наш горизонт расширяется и захватывает их тоже.)

Следовательно, у событий, оставшихся далеко в прошлом, космологические горизонты меньше; они ближе (по времени) к Большому взрыву, поэтому их прошлое содержит меньше событий. Рассмотрим разные точки, наблюдаемые при изучении космического микроволнового фонового излучения на противоположных сторонах неба, как показано на рис. 14.5. Микроволновое фоновое излучение позволяет нам увидеть изображение Вселенной на момент около 380 000 лет после Большого взрыва. Тогда Вселенная стала прозрачной: температура понизилась достаточно, для того чтобы электроны и протоны могли связаться в атомы. В зависимости от локальных условий в выбранных нами точках – плотности, скорости расширения и т. д. – сегодня для нас они могли бы выглядеть совершенно по-разному. Но не выглядят. Насколько мы видим, все точки на микроволновом небе имеют почти одинаковую температуру; от одной области к другой температура может различаться лишь на тысячную долю процента. Следовательно, физические условия во всем этом множестве точек должны были быть достаточно схожими.

Рис. 14.5. Проблема горизонта. Мы смотрим на точки космического микроволнового фонового излучения, находящиеся очень далеко друг от друга, и замечаем, что их температура почти одинакова. Но горизонты этих точек не пересекаются, поэтому никакие сигналы пройти между ними не могли. Как же эти точки умудрились прийти к одной и той же температуре?

Именно в этом и заключается суть проблемы горизонта: как эти разнесенные далеко в стороны точки узнали, к какому общему состоянию им нужно прийти? Несмотря на то что все они находятся в пределах нашего космологического горизонта, их собственные горизонты куда меньше, поскольку сами точки намного ближе к Большому взрыву. Сегодня вычисление размера космологических горизонтов для подобных точек (в предположениях традиционной модели Большого взрыва) – стандартное упражнение для аспирантов, изучающих космологию; и ответ таков, что у точек, расстояние между которыми на небе составляет более одного градуса, горизонты вообще не пересекаются. Другими словами, в пространстве – времени нет таких событий, которые бы принадлежали прошлому всех этих разных точек, и не существует способа, при помощи которого они могли бы обменяться какими-либо сигналами.^[266] Тем не менее физические условия во всех них практически идентичны. Как такое возможно?

Это сравнимо с тем, как если бы вы попросили несколько тысяч людей выбрать случайное число от единицы до миллиона и все они назвали числа между 836 820 и 836 830. Вы были бы уверены, что это не простая случайность, – что каким-то образом все эти люди сговорились между собой. Но как? Это проблема горизонта. Как вы видите, она тесно связана с проблемой энтропии. Когда во всей ранней Вселенной, куда ни посмотри, наблюдаются чрезвычайно схожие условия, это, определенно, низкоэнтропийная конфигурация, так как число способов устроить это крайне ограниченно.

Инфляция предлагает изящное решение проблемы горизонта. В эру инфляции пространство расширяется невероятно сильно; точки, которые изначально находились довольно близко друг к другу, разносятся очень далеко. В частности, точки, между которыми было огромное расстояние на момент, когда сформировалось микроволновое фоновое излучение, до начала инфляции, находились вплотную друг к другу, – и это ответ на вопрос: «Как они узнали о схожих условиях?». Что еще важнее, во время инфляции во Вселенной доминировала темная суперэнергия, которая, как и любая другая форма темной энергии, обладает везде одинаковой плотностью. Возможно, на участке пространства, где началась инфляция, существовали и другие формы энергии, но они быстро рассеялись в расширяющемся пространстве; раздувая пространство, инфляция делает его плоским – так вы расправляете скомканную простыню, растягивая ее в стороны за уголки. Естественным результатом инфляции является Вселенная, выглядящая очень однородной на больших масштабах.

Истинный и ложный вакуумы

Инфляция – это простой механизм объяснения свойств ранней Вселенной: она растягивает небольшой участок пространства, делая его плоским и гладким и решая таким образом проблемы плоскостности и горизонта. Кроме того, она избавляет нас от нежелательных пережитков прошлого, таких как магнитные монополи. Но как это все в действительности работает?