Страница 39 из 48
Вселенная вечной инфляции состоит из расширяющегося "моря" ложного вакуума, в котором постоянно зарождаются "островные вселенные", подобные нашей. Таким образом, инфляция — это никогда не прекращающийся процесс. Он закончился в нашей собственной островной вселенной, но будет неограниченно продолжаться в других отдаленных областях. Однако если инфляция бесконечна в будущем, то, вероятно, ей не нужно и начало в прошлом. Получается вечно инфлирующая вселенная без начала и конца, что исключает неразрешимые проблемы, связанные с происхождением космоса. Эта картина напоминает космологическую теорию стационарной вселенной 1940-50-х годов. Некоторые люди находили ее весьма привлекательной.
Циклическая Вселенная
Помимо стационарного состояния есть еще один способ сделать Вселенную вечной. И вновь индусы придумали его в далеком прошлом. Бесконечный цикл создания и уничтожения символизируется танцем Шивы. "Он приходит в состояние экстаза и, танцуя, посылает сквозь инертную материю пульсирующие волны пробуждающих звуков". Вселенная оживает, но потом "на исходе времен, продолжая танцевать, он разрушает все формы и имена в огне и делает передышку".
Параллельная идея в научной космологии — это представление о пульсирующей вселенной, которая проходит через циклы расширения и сжатия. В 1930-х годах она короткое время была популярна, но потом вышла из моды из-за очевидного противоречия со вторым началом термодинамики. Второе начало требует, чтобы энтропия, которая служит мерой беспорядка, возрастала с каждым циклом космической эволюции. Если Вселенная уже прошла через бесконечное число циклов, она должна достичь состояния с максимальной энтропией — термодинамического равновесия. Однако очевидно, что мы не находимся в таком состоянии. Это проблема "тепловой смерти", о которой я упоминал раньше.
Идея пульсирующей вселенной была отброшена больше чем полстолетия назад, но в 2002 году возродилась в новом образе благодаря Полу Стейнхардту и Нейлу Туроку из Кембриджа. Как и в ранних моделях, они предположили, что история Вселенной состоит из бесконечно повторяющихся циклов расширения и сжатия. Каждый цикл начинается с горячего расширяющегося огненного шара. Он расширяется и остывает, образуются галактики, и вскоре после этого во Вселенной начинает доминировать энергия вакуума. С этого момента Вселенная начинает расширяться экспоненциально, удваивая свои размеры примерно каждые 10миллиардов лет. Спустя триллионы лет этой сверхмедленной инфляции Вселенная становится чрезвычайно однородной, изотропной и плоской. Наконец расширение замедляется и затем сменяется сжатием. Вселенная схлопывается и сразу же восстанавливается, давая старт новому циклу. Часть энергии, выделившейся при коллапсе, идет на создание горячего огненного шара вещества. [146]
Стейнхардт и Турок доказывали, что в их сценарии не возникает проблемы начала. Вселенная всегда проходит один и тот же цикл, так что никакого начала попросту нет. Проблему тепловой смерти также удается обойти, поскольку степень расширения в каждом цикле больше, чем степень сжатия, так что объем Вселенной с каждым циклом возрастает. Энтропия нашей наблюдаемой области сегодня такая же, как энтропия аналогичной области в предыдущем цикле, но энтропия Вселенной в целом возросла — просто потому, что ее объем стал больше. С течением времени как энтропия, так и объем неограниченно растут. Состояние максимальной энтропии никогда не достигается, поскольку максимальной энтропии не существует.
Таким образом, есть две возможных модели вечной вселенной без начала: одна основана на вечной инфляции, а другая — на циклической эволюции. Но, оказывается, ни одна из них не обеспечивает полного описания Вселенной.
Пространство де Ситтера
Когда физик хочет понять какое-то явление, первым делом он максимально его упрощает, отбрасывая все, кроме самого существенного. В случае вечной инфляции можно отбросить островные вселенные, сохранив только море инфляции. Кроме того, можно предположить, что Вселенная однородна и изотропна, как в моделях Фридмана. С этими упрощениями нетрудно решить уравнения Эйнштейна для инфлирующей Вселенной.
Решение имеет геометрию трехмерной сферы, которая сжимается от очень большого радиуса в далеком прошлом. Сжатие замедляется отталкивающей гравитацией ложного вакуума, пока сфера на мгновение не остановится и не начнет затем расширяться. Силы гравитации теперь действуют в направлении движения, так что сфера расширяется с ускорением. Ее радиус растет экспоненциально, а время его удвоения определяется плотностью энергии ложного вакуума. [147]
Это решение было найдено вскоре после создания теории относительности; оно называется пространством-временем де Ситтерав честь голландского астронома Виллема де Ситтера, который открыл его в 1917 году. Это пространство-время изображено на рисунке 16.1. Инфляция начинается в пространстве-времени де Ситтера лишь после того, как сферическая вселенная достигнет своего минимального радиуса. Но когда она начинается, экспоненциальное расширение продолжается бесконечно, так что инфляция вечна в будущем.
Рис. 16.1. Пространство де Ситтера без двух из трех пространственных измерений. Горизонтальные срезы пространства-времени дают "стоп-кадры" вселенной в различные моменты времени. В четырехмерном пространстве-времени эти срезы будут трехмерными сферами.
Если допустить образование островных вселенных в сжимающейся части пространства-времени, они бы сталкивались и сливались. Острова тогда быстро заполнили бы все пространство, ложный вакуум полностью исчез, а Вселенная продолжила бы коллапсировать вплоть до большого сжатия. Таким образом, инфляцию нельзя бесконечно продолжить в прошлое. У нее должно быть какое-то начало.
Следует, однако, иметь в виду, что данный вывод основан на максимально упрощенной модели инфляции, в которой рассматривается однородная и изотропная вселенная. В действительности Вселенная на масштабах, значительно превышающих со временный горизонт, может быть очень неоднородной и анизотропной. Не окажется ли так, что фаза сжатия пространства де Ситтера есть побочный эффект наших упрощений? Нельзя ли в пространстве-времени более общего вида обойтись без начала?
За пределами неразумных сомнений
Эти сомнения удалось рассеять лишь недавно в статье, которую я написал в соавторстве с Эрвиндом Бордом (Arvind Borde) из Саутгемптонского колледжа и Аланом Гутом. Теорема, доказанная в этой статье, на удивление проста. Ее доказательство не выходит за рамки школьной математики, но для проблемы начала Вселенной она имеет важные следствия.
В статье мы исследовали, как выглядит расширяющаяся вселенная с точки зрения разных наблюдателей. Мы рассматривали воображаемых наблюдателей, движущихся сквозь вселенную под действием гравитации и инерции и регистрирующих, что они видят. Если вселенная не имеет начала, то истории всех таких наблюдателей должны уходить в бесконечное прошлое. Мы показали, что такое предположение приводит к противоречию.
Чтобы сделать разговор более конкретным, предположим, что в каждой галактике нашей области вселенной есть наблюдатель. Поскольку вселенная расширяется, каждый такой наблюдатель будет видеть, что остальные удаляются от него. В некоторых областях пространства и времени может не быть галактик, но мы все равно мысленно "рассеем" наблюдателей по всей вселенной таким образом, чтобы они удалялись друг от друга. [148]Будем называть этих наблюдателей "зрителями".
146
Для реализации этого сценария Стейнхардт и Турок ввели скалярное поле с тщательно подобранным энергетическим ландшафтом. Космологи обычно скептически относятся к их модели, поскольку этот ландшафт выглядит довольно искусственно. Кроме того, значение плотности энергии вакуума, которое играет ключевую роль в этой модели, просто устанавливается "руками" без всякого объяснения, почему оно столь мало или почему оно доминирует во Вселенной в эпоху формирования галактик.
147
Минимальный радиус деситтеровской сферы примерно равен расстоянию, которое проходит свет за один период инфляционного удвоения.
148
Существование такого класса наблюдателей может считаться определением расширяющейся вселенной.