Всё из ничего: Как возникла Вселенная

На сегодняшний день инфляция является единственным правдоподобным объяснением того, что Вселенная однородная и плоская, базирующимся на, по-видимому, фундаментальных и вычисляемых микроскопических теориях элементарных частиц и их взаимодействии. Мало того, теория инфляции позволяет сделать и еще одно, возможно даже более интересное, предсказание. Как я уже писал, из законов квантовой механики следует, что на очень маленьких масштабах и в очень короткие промежутки времени пустое пространство похоже на кипящую пену виртуальных частиц и полей с дикими колебаниями амплитуды. Эти квантовые флуктуации, возможно, определяют природу протонов и атомов, но в целом на более крупных масштабах незаметны – отчасти именно поэтому они кажутся нам такими неестественными.

Однако во время инфляции эти квантовые флуктуации способны определять, когда кончается период экспоненциального расширения у того, что при других обстоятельствах было бы разными маленькими областями пространства. Если разные области прекращают инфляцию в (микроскопически) разные моменты времени, то, когда энергия ложного вакуума высвобождается в виде тепловой энергии, плотность вещества и излучения в каждой области получается своя – чуть-чуть не такая, как в соседних.

Как выяснилось, картина флуктуаций плотности после инфляции, которые возникают – лишний раз подчеркну – из квантовых флуктуаций в пустом в прочих отношениях пространстве, полностью соответствует наблюдаемой картине распределения холодных и горячих пятен на карте микроволнового излучения. Такое соответствие, конечно, само по себе не доказательство, однако космологи все больше склоняются к мысли, что если кто-то ходит, как утка, выглядит, как утка, и крякает, как утка, то, вероятно, это утка и есть. А если во всех мелких флуктуациях плотности вещества и излучения, которые впоследствии привели к гравитационному коллапсу вещества в галактики, звезды, планеты и людей, виновата инфляция, тогда с полным правом можно сказать, что все мы очутились здесь сегодня из-за квантовых флуктуаций, происходивших в полной пустоте.

Это настолько удивительно, что я, пожалуй, повторю: квантовые флуктуации, которые иначе оставались бы совершенно незамеченными, из-за инфляции оказались «заморожены» и впоследствии проявились как неоднородности плотности, а те произвели все, что мы видим! Я уже писал, что все мы – звездная пыль, но если инфляция и вправду была, то все мы еще и порождение квантового «ничего».

Все это настолько неинтуитивно, что похоже на какое-то колдовство. А особенно смущает во всех этих фокусах с инфляцией один вопрос: откуда вообще взялась вся энергия? Каким образом микроскопически крошечная область смогла стать областью размером с сегодняшнюю Вселенную, где хватает и вещества, и излучения для всего, что мы видим?

Можно задать и более общий вопрос: каким образом сохраняется плотность энергии в расширяющейся Вселенной с космологической постоянной, или, что то же самое, с энергией ложного вакуума? Ведь в такой Вселенной пространство расширяется экспоненциально, так что если плотность энергии остается прежней, полная энергия в пределах любой области будет расти с ростом объема этой области. А как же закон сохранения энергии?

Перед нами пример того, что Гут назвал «бесплатным обедом» по высшему разряду. Если при размышлениях о Вселенной учитывать воздействие гравитации, получается, что у объектов, как ни поразительно, есть не только «положительная», но и «отрицательная» энергия. Эта особенность гравитации допускает, что все, что наделено положительной энергией, вроде вещества и излучения, может уравновешиваться конфигурациями с отрицательной энергией. При этом гравитация может начинать и с пустой Вселенной – и привести ко Вселенной, полной всякой всячины.

Все это на первый взгляд как-то неправдоподобно, но именно в этом для многих из нас заключается настоящее чудо плоской Вселенной. Ну и, кроме того, вы все это проходили на уроках физики в школе.

Представьте себе, что вы подбросили мячик. Обычно он после этого падает. Теперь подбросьте его сильнее (предположим, вы на улице). Он улетит выше и останется в воздухе дольше, но потом все равно вернется. Наконец, если вы запустите мячик очень сильно, он вообще не упадет: вырвется из гравитационного поля Земли и улетит в космос.

Как нам узнать, в каком случае мячик улетит? Мы делаем простой бухгалтерский баланс энергии. Движущееся в гравитационном поле Земли тело обладает энергией двух типов. Первая, энергия движения, называется кинетической энергией – от греческого слова, которое означает «движение». Это энергия, которая зависит от скорости тела, и она всегда положительна. Второй компонент – потенциальная энергия (она связана с потенциалом совершать работу) – обычно отрицательна.