Всё из ничего: Как возникла Вселенная

Дело обстоит так потому, что общую гравитационную энергию объекта, находящегося в покое на бесконечно далеком расстоянии от любых других тел, мы определяем как нулевую, и это вроде бы логично. Кинетическая энергия, очевидно, равна нулю, а потенциальную мы определяем как равную нулю, вот и получается, что общая гравитационная энергия равна нулю.

А вот если тело расположено не на бесконечном расстоянии от любых других тел, а близко к какому-то объекту, например к Земле, оно начнет падать на него из-за гравитационного притяжения. В падении тело ускоряется, и если по пути оно во что-то врежется, скажем вам в голову, то совершит какую-то работу, скажем раскроит череп. Чем ближе тело находилось к поверхности Земли в момент начала падения, тем меньше работы оно может совершить к тому времени, как ударится о Землю. Таким образом, потенциальная энергия тела при приближении к Земле становится меньше. Однако если потенциальная энергия равна нулю на бесконечном расстоянии от Земли, то чем ближе она к Земле, тем отрицательнее должна становиться, поскольку ее потенциал совершать работу уменьшается по мере приближения.

В классической механике, как я и описываю, определение потенциальной энергии произвольно. Я мог бы принять равной нулю потенциальную энергию тела на поверхности Земли, и тогда на бесконечно далеком расстоянии она бы стремилась к какому-то очень большому числу. Решение приравнять к нулю общую энергию на бесконечности имеет физический смысл, однако это всего лишь вопрос договоренности, по крайней мере на нынешнем этапе нашего повествования.

Вне зависимости от того, где мы назначим точку нуля потенциальной энергии, у всех тел, подверженных только силе гравитации, есть одно чудесное свойство: сумма их потенциальной и кинетической энергии остается постоянной. При падении тела потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию движения, а когда тело отскакивает от Земли, кинетическая энергия переходит в потенциальную, и т. д.

Это дает нам восхитительный бухгалтерский инструмент, позволяющий определять, с какой скоростью нужно запустить тело в воздух, чтобы оно улетело от Земли, поскольку, если оно в конечном итоге должно уйти на бесконечное расстояние от Земли, его общая энергия должна быть больше или равна нулю. Тогда мне остается просто сделать так, чтобы полная гравитационная энергия тела в момент, когда оно оторвется от моей руки, была больше или равна нулю. Поскольку я контролирую только одну составляющую полной энергии – скорость, с которой тело оторвется от моей руки, мне нужно всего-навсего рассчитать ту волшебную скорость, при которой положительная кинетическая энергия мяча равняется отрицательной потенциальной энергии, которую дает ему притяжение на поверхности Земли. И кинетическая, и потенциальная энергия мяча одинаковым образом зависят от массы мяча, которая, таким образом, сокращается при приравнивании этих двух величин, поэтому «скорость убегания» от земной поверхности, она же вторая космическая скорость, для всех тел в природе одинакова и составляет около 11 км/с. Как раз в этом случае полная гравитационная энергия тела в точности равна нулю.

Тут вы вправе задать вопрос, какое все это имеет отношение ко Вселенной в целом и к инфляции в частности. Дело в том, что расчеты для мячика, который я бросаю рукой у земной поверхности, применимы к любому телу, любому объекту в нашей расширяющейся Вселенной.

Рассмотрим сферическую область Вселенной с центром там, где находимся мы с вами (в галактике Млечный Путь), такого размера, чтобы в нее входило достаточно много галактик, но не слишком большую, чтобы она вполне укладывалась в пределы расстояний, на которых мы можем сегодня вести наблюдения.

Если эта область достаточно велика, но не слишком огромна, то галактики на ее краю будут равномерно удаляться от нас в соответствии с хаббловским расширением со скоростью, гораздо меньшей скорости света. В этом случае к ним применимы законы Ньютона, а эффектами общей и специальной теории относительности можно пренебречь. Иначе говоря, каждый объект подчиняется точно таким же законам физики, что и мячик, который я пытаюсь зашвырнуть в космос.

Рассмотрим галактику, которая движется от центра выбранной области, как изображено на рисунке. Как и в случае с мячиком, который бросают с Земли, можно задаться вопросом, сумеет ли галактика преодолеть гравитацию всех остальных галактик в сфере. Чтобы получить ответ, нам надо проделать те же самые вычисления, что и для мячика. Мы попросту подсчитываем полную гравитационную энергию галактики, учитывая ее движение наружу (что дает положительную энергию), и гравитационное притяжение ее соседок (что дает отрицательное слагаемое энергии).

Если полная энергия галактики больше нуля, она умчится в бесконечность, а если меньше, остановится и начнет падать внутрь сферы.