Всё из ничего: Как возникла Вселенная

Из всех причин полагать, что Вселенная плоская, пожалуй, самая простая для понимания проистекала из того факта, что уже давно было известно, что Вселенная почти плоская. Еще в старину, до открытия темного вещества, даже известное количество видимого материала в галактиках и их окрестностях составляло около 1 % такого общего количества, чтобы получилась плоская Вселенная.

Казалось бы, 1 % – это немного, но наша Вселенная очень стара, ей миллиарды лет. Если предположить, что гравитационные эффекты вещества или излучения доминировали в ее развивающемся расширении, а мы, физики, всегда считали, что так оно и есть, то, если бы Вселенная была изначально не идеально плоской, при расширении она становилась бы все менее и менее плоской.

В случае открытой Вселенной расширение продолжалось бы в более быстром темпе, чем в плоской Вселенной, и вещество расходилось бы гораздо быстрее, так что его средняя плотность уменьшалась бы и очень быстро свелась к бесконечно малой доле плотности, необходимой для существования плоской Вселенной.

Если бы она была замкнутой, то расширение быстро замедлялось бы и в конечном итоге сменилось сжатием. В этом случае плотность сначала убывала бы медленнее, чем для плоской Вселенной, а на этапе сжатия стала бы расти. И в этом случае отклонение от плотности, необходимой для существования плоской Вселенной, со временем росло бы.

С тех пор как возраст Вселенной составлял 1 секунду, она выросла почти в 1 трлн раз. Если бы в тот давний миг плотность Вселенной была не в точности такой, какая ожидается для плоской Вселенной, а, скажем, составляла бы только 10 % того, что было нужно тогда для плоской Вселенной, то сегодня плотность нашей Вселенной отличалась бы от плотности плоской Вселенной как минимум в 1 трлн раз. А это гораздо больше, чем скромный множитель 100, отличающий плотность видимого вещества во Вселенной от плотности, которая обеспечила бы плоскую Вселенную сегодня.

Об этой «проблеме плоской Вселенной» прекрасно знали еще в 1970-е гг. Рассматривать геометрию Вселенной – это все равно что представлять себе карандаш, который стоит на столе на острие. Стоит хрупкому равновесию чуть-чуть нарушиться, и карандаш тут же упадет. Вот и с плоской Вселенной так же. Малейшее отклонение от плоского состояния стремительно нарастает. И как же Вселенная может быть так похожа на плоскую в наши дни, если она не в точности плоская?

Ответ прост: да, она и сегодня должна быть, по существу, плоской.

Однако на самом деле этот ответ не очень прост, потому что сразу же в голову приходит следующий вопрос: как так вышло, что первоначальные условия привели к возникновению плоской Вселенной?

На этот вопрос, куда более трудный, есть два ответа. Первый был получен еще в 1981 г., когда один молодой теоретик, после защиты диссертации работавший в Стэнфордском университете, по имени Алан Гут[20], задумался над проблемой плоской Вселенной и еще двумя смежными вопросами, связанными с общепринятой картиной Большого взрыва, – это так называемые проблема горизонта и проблема магнитного монополя. Речь у нас пойдет только о первой из них, поскольку проблема магнитного монополя просто заостряет вопросы горизонта и плоской Вселенной.

Проблема горизонта относится к тому обстоятельству, что реликтовое излучение необычайно однородно. Небольшие вариации температуры, о которых я уже писал, отражают вариации плотности вещества и излучения, существовавшие еще в те времена, когда Вселенной было всего несколько сотен тысяч лет, и составляют меньше 1/10 000 по сравнению с фоновой плотностью и температурой, которые в целом однородны. Так что, хотя я много говорил об этих мелких отклонениях, гораздо более важный и насущный вопрос звучит иначе: как Вселенная могла быть такой однородной?

Ведь если бы вместо предыдущей карты реликтового излучения, где колебания температуры в несколько стотысячных отражены разными цветами, я показал бы его температурную карту с линейной шкалой, отражающей колебания температуры, скажем, в ± 0,03º К относительно средней фоновой температуры примерно в 2,72° выше абсолютного нуля (то есть отклонения в одну сотую от среднего значения) картинка выглядела бы примерно так, как на следующей странице:

Сравните это изображение, на котором невозможно уловить никакой структуры, с картой земного рельефа, сделанной чуть более подробно, – здесь колебания цвета отражают отклонения примерно в 1/500 от среднего радиуса Земли.

То есть Вселенная на больших масштабах поразительно однородна!

Как так может быть? Ну, можно просто предположить, что в давние времена юная Вселенная была горячей и плотной и находилась в тепловом равновесии. Это значит, что слишком горячие участки остывали, а холодные нагревались, пока температура в этом первобытном бульоне не установилась на одном уровне.