Уравнение Бога. В поисках теории всего - Митио Каку

Мало того, спутниковые фотографии сегодня настолько качественны, что на них можно обнаружить ничтожную рябь на фоновом излучении, обусловленную квантовым принципом неопределенности. В момент рождения Вселенной происходили, судя по всему, квантовые флуктуации, которые и вызвали эту рябь. Идеально гладкий Большой взрыв нарушил бы принцип неопределенности. Мелкая рябь со временем расширилась вместе с Большим взрывом и при этом породила все те галактики, которые мы видим. (Более того, если бы наши спутники не увидели бы на фоновом излучении этой квантовой ряби, ее отсутствие разрушило бы наши надежды применить квантовую теорию к Вселенной.)

Это дает нам замечательную новую картину квантовой теории. Своим существованием в галактике Млечный Путь в окружении миллиардов других галактик мы обязаны крохотным квантовым флуктуациям во время Большого взрыва. Миллиарды лет назад все, что вы видите вокруг, было крохотной точкой в этом фоновом излучении.

Следующий шаг вперед был сделан, когда удалось применить достижения квантовой теории и Стандартной модели к общей теории относительности.

Инфляция

Воодушевленные успехом Стандартной модели в 1970-е гг., физики Алан Гут и Андрей Линде задались вопросом: можно ли применить уроки, извлеченные из Стандартной модели и квантовой теории, к Большому взрыву?

Вопрос этот был новаторским, поскольку Стандартная модель в космологии в то время еще не применялась. Гут заметил, что два загадочных аспекта Вселенной невозможно объяснить Большим взрывом в том виде, каким его представляли до того момента.

Во-первых, существует проблема кривизны пространства во Вселенной. Теория Эйнштейна гласит, что ткань пространства-времени должна обладать легкой кривизной. Но при анализе кривизны Вселенной кажется, что на самом деле она намного более плоская, чем предсказывает теория Эйнштейна. Больше того, создается впечатление, что наша Вселенная совершенно плоская с точностью до экспериментальной погрешности.

Во-вторых, она намного более однородна, чем должна бы быть. В процессе Большого взрыва в первоначальном огненном шаре обязательно должны были присутствовать нерегулярности и отклонения от идеала. Однако Вселенная представляется вполне однородной, в каком бы направлении мы ни смотрели в небеса.

Оба этих парадокса можно разрешить с привлечением квантовой теории и явления, которое Гут назвал инфляцией. Во-первых, согласно его идее, Вселенная пережила этап сверхскоростного расширения – намного более быстрого, чем то, что первоначально постулировалось для Большого взрыва. Это фантастическое расширение сделало Вселенную в основном плоской и устранило ту кривизну, которая имелась поначалу.

Во-вторых, первоначальная Вселенная могла быть нерегулярной, но какая-то крохотная ее часть оставалась однородной, и именно она в процессе инфляции раздулась до громадных размеров. Это позволяло объяснить, почему Вселенная сегодня выглядит такой однородной: мы происходим из крохотного однородного кусочка более масштабного огненного шара, рожденного Большим взрывом.

Инфляция влечет за собой далеко идущие последствия. Из нее следует, в частности, что видимая Вселенная вокруг нас представляет собой на самом деле крохотный, пренебрежимо малый кусочек гораздо более масштабной вселенной, которую мы, однако, никогда не увидим, поскольку она находится слишком далеко.

Но что же вызвало инфляцию? Что запустило этот процесс? Почему вообще Вселенная стала расширяться? Пытаясь ответить на эти вопросы, Гут черпал вдохновение в Стандартной модели. В квантовой теории мы начинаем с симметрии, а затем нарушаем ее при помощи бозона Хиггса, чтобы получить ту Вселенную, которую видим вокруг. Используя аналогичный подход, Гут высказал предположение о существовании нового типа бозона Хиггса (так называемого инфлатона), который сделал возможной инфляцию. Как и в случае с настоящим бозоном Хиггса, Вселенная родилась в ложном вакууме, породившем эпоху стремительной инфляции. Но затем внутри инфляционного поля возникли квантовые пузыри. Внутри такого пузыря появился истинный вакуум, где инфляция прекратилась. Наша Вселенная родилась как один из этих пузырей. Внутри пузыря Вселенная замедлилась до современной скорости расширения.

Пока инфляционная концепция соответствует астрономическим данным. На сегодня это ведущая теория. Но у нее имеются неожиданные следствия. Если мы привлекаем квантовую теорию, это означает, что Большой взрыв может происходить снова и снова. Новые вселенные могут постоянно рождаться из нашей Вселенной.

Это означает, что на самом деле наша Вселенная – всего лишь единственный пузырек в море пены, где каждый пузырек – вселенная. Иначе говоря, возникает мультивселенная, состоящая из множества параллельных вселенных. Вместе с тем по-прежнему остается открытым вопрос: что изначально двигало инфляцию? Чтобы объяснить это, как мы увидим в следующей главе, требуется еще более продвинутая теория – теория всего.

Ускоряющаяся Вселенная

Общая теория относительности дает нам не только беспрецедентную возможность заглянуть в самое начало Вселенной, но и описать ее окончательную судьбу. Разумеется, в древних религиях можно найти яркие образы конца времен. Древние викинги верили, что мир закончится Рагнарёком, или Сумерками богов, когда гигантская снежная буря охватит всю планету, а боги начнут последнюю битву со своими небесными врагами. Для христиан книга «Откровение» пророчит всевозможные катастрофы, катаклизмы и появление четырех всадников Апокалипсиса, предвещающих Второе пришествие.

Но для физика традиционно существуют два пути, способных привести к концу всего мира. Если плотность Вселенной низка, то гравитации звезд и галактик не хватит, чтобы противостоять расширению пространства, Вселенная будет расширяться вечно и медленно придет к Большому замерзанию. Звезды исчерпают все ядерное топливо, небо почернеет, и даже черные дыры испарятся. Вселенная постепенно превратится в безжизненное, сверххолодное море дрейфующих элементарных частиц.

Если плотность Вселенной достаточно велика, гравитации звезд и галактик, возможно, хватит, чтобы противостоять пространственному расширению. Тогда звезды и галактики со временем схлопнутся в Большом сжатии, при котором температура взлетит до небес и уничтожит всю жизнь во Вселенной. (Некоторые физики даже предполагают, что после этого Вселенная, возможно, вновь вспыхнет в Большом взрыве, и все начнется сначала – получится этакая циклическая вселенная.)

Но в 1998 г. астрономы сделали поразительное заявление, перевернувшее многие из лелеемых нами преставлений и заставившее переписать учебники. Проанализировав далекие сверхновые по всей Вселенной, они обнаружили, что Вселенная не замедляется в своем расширении, как считалось ранее, а наоборот, ускоряется. Мало того, оказалось, что она входит в режим катастрофического разбегания.

Астрономам пришлось пересмотреть два существовавших прежде сценария, и появилась новая теория. Возможно, Вселенная умрет в процессе так называемого Большого разрыва, при котором ее расширение ускорится до потрясающего уровня. Она будет расширяться так быстро, что ночное небо станет совершенно черным (поскольку свет от соседних звезд не сможет достичь нас) и температура всего приблизится к абсолютному нулю.