Вселенная. Путешествие во времени и пространстве

Советский физик Алексей Александрович Старобинский, сотрудник Института теоретической физики, в 1979 году опубликовал первый вариант такой идеи. Но считается, что новая теория появилась в 1981 году, когда американский физик Алан Гут предложил модель, в которой Вселенная начала развиваться с кратковременного этапа ускоренного расширения. Гут предположил, что сначала каким-то образом появилась маленькая порция специфического вида материи, ­обладающей свойствами антигравитации. Это мог быть вакуум с очень высокой плотностью энергии (другими словами, можно говорить об особом гипотетическом типе поля, которое получило название инфлатон).

Излагать эту (и многие иные) теорию непросто. Дело в том, что теория построена на математических выкладках, которые используют известные законы фи­зики. Решения уравнений (в большинстве случаев достаточно сложных) интерпретируются физиками, откуда и появляется словесное описание сценария событий, а также численные значения различных параметров, описывающих физические модели. Надо особо подчеркнуть, что инфляционный сценарий — это не умозрительные рассуждения об устройстве мира, стоящего на слонах и черепахах. Каждый пункт теории — это жесткое следствие математических расчетов. Но, конечно, в основе этой теории лежит допущение: о существовании хотя бы крошечного пузырька, маленькой порции необычной материи — высокоэнергичного вакуума.

Когда речь идет о «маленькой порции», это означает действительно крошечный элемент пространства (точнее, пространства-времени) размером порядка 10⁻²⁷ сантиметров[60], в котором была заключена гигантская энергия. По мысли Алана Гута, элемент физического вакуума с высокой плотностью энергии как раз и мог явиться источником «космологической постоянной». Из него и сформировалась наша Вселенная.

Во Вселенной действуют по крайней мере четыре типа физического взаимодействия. Два дальнодействующих типа, которым соответствуют известные нам поля, — это гравитационное и электромагнитное взаимодействия. На чрезвычайно коротких расстояниях, сопоставимых с размером ядра атома (порядка 10^–15 см), действуют еще два типа взаимодействия — сильное и слабое. Достаточно немного увеличить расстояние — и эти силы исчезают. Но внутри ядра атома они успешно работают: так, например, сильное взаимодействие «склеивает» между собой протоны и нейтроны в ядре атома (преодолевая электрическое отталкивание протонов), а слабое взаимодействие определяет некоторые свойства маломассивных частиц нейтрино и обеспечивает радиоактивный распад ядер.

Идея Гута заключалась (помимо прочего) в том, что в природе могут существовать типы вакуума, не похожие на привычный нам. Электрослабый вакуум — это среда, в которой электромагнитное и слабое взаимодействия оказываются проявлением некой единой силы и становятся равны друг другу. В таком вакууме электроны и нейтрино радикально меняют свои свойства — они лишаются массы и движутся со скоростью света. Теория подсказывает, что каждый кубический сантиметр электрослабого вакуума должен содержать в себе чудовищную энергию, примерно эквивалентную энергии тела с массой Луны (10¹⁹ тонн). Если же смоделировать вакуум, в котором все типы взаимодействия оказываются неотличимы друг от друга (вакуум Великого объединения), то в нем плотность энергии должна быть еще на много порядков выше (в 10⁴⁸ больше).

Анализ показал, что в таком высокоэнергичном вакууме, помимо гравитации, непременно возникает натяжение — отрицательное давление, причем втрое более сильное, чем гравитация. Поскольку натяжение сильнее гравитации, появляется превалирующая сила отталкивания, пропорциональная расстоянию между элементами вакуума. Это значит, что крошечный (но изначально очень плотный) фрагмент вакуумной материи сразу после своего рождения должен начать стремительно расширяться, и все точки этого элемента должны удаляться друг от друга по так называемому экспоненциальному закону. Согласно этому закону, за равные промежутки времени (в данном случае — каждые 10⁻³⁸ секунды) размеры растущего шара Вселенной увеличиваются вдвое, и за фантастически малый интервал времени (всего лишь 10⁻³⁵ секунды) размеры элемента должны увеличиться невероятно (в 10²⁷ раз!). Однако не надо забывать, что изначальный размер Вселенной в рамках этой модели был почти точечным — ­всего 10⁻²⁷ см, и значит, размер всей Вселенной не превысил к концу этапа начального расширения ­одного сантиметра!

В те времена, когда Гут разрабатывал свою концепцию, инфляция в США достигала впечатляющих 14 %, и денежная масса в Америке нарастала по тому же самому экспоненциальному закону, по которому в рамках новой модели рос размер Вселенной. Поэтому Гут предложил название инфляция для начального этапа расширения Вселенной, а особое поле, обеспечивавшее энергией этот процесс, было названо инфлатоном.