Всё из ничего: Как возникла Вселенная

Однако, как я уже отметил, когда Вселенной было всего несколько сотен тысяч лет, свет мог пройти только несколько сотен тысяч световых лет, а это лишь небольшая доля всей наблюдаемой на сегодня Вселенной (это прежнее расстояние представлено углом лишь около 1° всей поверхности последнего рассеяния на сегодняшней карте реликтового излучения). Поскольку, согласно Эйнштейну, информация не может распространяться быстрее света, в стандартной картине Большого взрыва в принципе невозможно, чтобы на какую-то часть наблюдаемой сегодня Вселенной тогда влияло существование или температура других частей на угловых масштабах более 1°. Таким образом, газ на таких масштабах не мог прийти в такое равновесие, чтобы повсюду получилась настолько однородная температура!

Алан Гут, специалист в области физики элементарных частиц, размышлял о том, какие процессы на ранних этапах существования Вселенной могли бы помочь в понимании этой проблемы, когда ему в голову пришла поистине блестящая мысль: а что, если при остывании Вселенной произошел какой-то фазовый переход, типа того, что происходит в момент замерзания воды или когда железный брусок при остывании намагничивается? Тогда можно было бы решить не только проблему горизонта, но и проблему плоской Вселенной (а заодно, если уж на то пошло, и проблему магнитного монополя).

Если вы любите ледяное пиво, то, возможно, сталкивались с таким явлением: когда берешь из холодильника холодную бутылку, открываешь ее и сбрасываешь таким образом избыточное давление, пиво вдруг промерзает насквозь, причем иногда при этом даже трескается бутылка. Дело в том, что при высоком давлении пиво достигает предпочтительного состояния минимальной энергии, пока оно жидкое, а когда давление сбрасывается, предпочтительным состоянием минимальной энергии становится твердое состояние. В момент фазового перехода может высвобождаться энергия, поскольку состояние минимальной энергии в одной фазе может требовать меньшей энергии, чем аналогичное состояние в другой фазе. Когда эта энергия высвобождается, ее называют «скрытая теплота».

Гут понял, что когда сама Вселенная остывала в процессе расширения после Большого взрыва, то конфигурация вещества и излучения в расширяющейся Вселенной, вероятно, на некоторое время «застряла» в каком-то метастабильном состоянии, а потом, когда Вселенная остыла еще сильнее, у этой конфигурации внезапно произошел фазовый переход в энергетически предпочтительное основное состояние вещества и излучения. Энергия, запасенная в конфигурации «ложного вакуума» до завершения фазового перехода, – если хотите, скрытая теплота Вселенной – могла оказывать сильнейшее влияние на расширение Вселенной в период до перехода.

Энергия ложного вакуума в таком случае повела бы себя в точности так же, как энергия, выраженная космологической постоянной, потому что действовала бы как энергия, пронизывающая пустое пространство. Это должно было вызвать все более быстрое расширение Вселенной. В конце концов то, чему предстояло стать нашей наблюдаемой Вселенной, стало бы расти со скоростью выше скорости света. В ОТО такое возможно, хотя, казалось бы, противоречит специальной теории относительности Эйнштейна, которая говорит, что ничто не может перемещаться быстрее света. Но тут надо подойти к делу дотошно, прямо-таки казуистически. СТО гласит, что невозможно перемещаться в пространстве быстрее, чем со скоростью света. Зато само пространство вправе вытворять все, что ему заблагорассудится, по крайней мере согласно ОТО. И если пространство расширяется, то скорость, с которой оно растаскивает далекие объекты, находящиеся в этом пространстве в состоянии покоя, может быть и сверхсветовой.

Оказывается, в этот инфляционный период Вселенная могла расшириться более чем в 10²⁸ раз. Это невероятно много – и при этом такое вполне могло произойти, как ни поразительно, за какую-то долю секунды очень ранней Вселенной. В таком случае все в пределах нашей наблюдаемой Вселенной когда-то, до инфляции, было заключено в области куда меньшей, чем получалось по нашим расчетам в случае, если никакой инфляции не было, а главное, такой крошечной, что у нее было время на то, чтобы прийти в тепловое равновесие и получить одинаковую температуру.

Теория инфляции[21] сделала возможным и другое общее предсказание. Чем сильнее раздуваешь воздушный шар, тем меньше становится кривизна его поверхности. Нечто подобное происходит и со Вселенной, размеры которой растут экспоненциально, как при инфляции, под влиянием постоянной и огромной энергии ложного вакуума. Тогда к моменту завершения инфляции (что решает проблему горизонта) кривизна Вселенной (если она в самом начале была ненулевой) сводится к смехотворно малой величине, так что и сейчас Вселенная при самых точных измерениях выглядит, в сущности, плоской.