Страница 47 из 53
Предположение о том, что огромные отрицательные давления, а значит, и гравитационное отталкивание могут возникать при очень больших плотностях вещества, было сделано в конце 60-х годов Э. Б. Глинером. В 1972 г. Д. А. Киржниц и А. Д. Линде показали, что подобное состояние может естественно возникать в расширяющейся Вселенной с понижением температуры и плотности от очень больших значений. Несколько позже эти первые идеи были развиты применительно к космологии в работах Э. Б. Глинера, Л. Э, Гуревича, И. Г. Дымниковой, а затем, с использованием новейших достижений физики высоких энергий — А. Гусом, А. Альбрехтом, П. Стейнхартом в США, а у нас в стране — А. Д. Линде, А. А. Старобинским и многими другими.
Раздувание Вселенной и есть тот ключ, с помощью которого разрешаются загадки ее фундаментальных свойств.
Начнем с первой — проблемы горизонта. Она состоит в том, что достаточно удаленные друг от друга точки не успевают даже к сегодняшнему дню обменяться световыми сигналами, и одна точка не может «знать» об условиях в другой. Поэтому непонятно, почему же температуры и другие физические параметры в этих точках одинаковы, о чем свидетельствуют наблюдения. Объяснение состоит в следующем. Удаленные сегодня точки не успевают обменяться сигналами только во Вселенной без эпохи экспоненциального раздувания, т. е. бее инфляции в самом начале. Раздувание невероятно увеличивает расстояние между любыми точками. Поэтому точки, сегодня далекие, в начале инфляции находились совсем рядом, внутри области с размерами 10-33 см, т. е. практически совпадали и могли многократно обмениваться сигналами. А так как они разлетались практически из одной «точки», нет ничего удивительного, что условия в них одинаковы.
Вторая загадка — почему плотность вещества во Вселенной сегодня не очень сильно отличается от критической, а в прошлом вообще была чрезвычайно близка к критическому значению, практически совпадая с ним в самом начале расширения.
Инфляция решает эту проблему следующим образом. Ускорение, создаваемое гравитационным отталкиванием, сообщает расширяющемуся веществу кинетическую энергию, как раз равную энергии гравитации. Когда в конце стадии раздувания вакуумноподобное состояние распадается и превращается в обычное вещество, плотность ρ* переходит в обычную плотность вещества ρ; не удивительно, что энергии гравитации и разлета оказываются сбалансированными и плотность — равной критической плотности.
Третья загадка — откуда взялись небольшие первичные флуктуации плотности в веществе, из которых потом, после их роста, возникли галактики и их системы. Дело в том, что распад вакуумноподобного состояния — квантовый процесс, подверженный случайным флуктуациям, типичным для такого рода процессов, как например, радиоактивный распад. В одних местах по случайным причинам распад вакуумноподобного состояния прошел чуть раньше, чем в других, и поэтому чуть раньше вызвал здесь переход к горячей Вселенной. Это приведет, как показывают расчеты, к небольшим флуктуациям плотности возникшего горячего вещества. Большой вклад в решение этой проблемы внесли С. Хокинг (Великобритания) и А. Д. Линде, В. Н. Лукаш, В. М. Муханов, А. А. Старобинский, Г. С. Чибисов в нашей стране.
Наконец, четвертая проблема — проблема монополей. Решение ее с помощью инфляции очевидно. Монополи возникают во Вселенной в самом начале инфляции, когда температура еще очень высока. После этого в ходе раздувания Вселенной монополи будут разбросаны друг от друга на гигантские расстояния. Они оказываются настолько редкими, что встретить их во Вселенной становится практически невозможно.
Такова схема явлений, которые, вероятно, происходили при огромных плотностях вещества и огромных энергиях, приведших к «первотолчку» и затем после длинной цепочки событий — к наблюдаемой сегодня Вселенной. А что было еще раньше?
Ответить па этот вопрос совсем непросто и не только потому, что специалисты очень мало знают о процессах при планковских плотностях и энергиях. Трудности связаны с тем, что в этих экстремальных условиях, полностью меняются фундаментальные черты таких всеобщих категорий существования материи, как пространство и время.
Вероятно, планковские плотности — максимально возможные в природе. При этих плотностях пространство и время разбивается на «кванты», характеризуемые длительностью t* ≈ 3∙10-44 с или пространственной протяженностью r* ≈ t∙c ≈ 10-33 см. В таких масштабах происходят бурные «флуктуации» вакуума, и промежутки времени, меньшие t*, бессмысленны. Такое состояние материи называют сингулярным. Все свойства Вселенной, которые мы наблюдаем сегодня, по существу возникли в сингулярном состоянии. В связи с этим возникает еще один вопрос.
Эйнштейн однажды сказал: «Что меня действительно глубоко интересует, так это — мог ли бог создать мир иным?» Великий физик часто словом «бог» называл природу, поэтому мы должны понимать это высказывание, как вопрос о том, могла ли окружающая нас Вселенная быть устроена иначе. Подобные вопросы раньше было «не принято задавать», а теперь это область исследования современной физики и астрономии.
Проблему можно сформулировать следующим образом. Что было бы, если бы законы физики были иные? Например, что произойдет, если изменить заряд электрона (и протона) в несколько раз или, скажем, изменить массу электрона? Вероятный ответ может быть таким. От величины заряда зависит сила притяжения между протоном и электроном, от массы электрона зависят особенности его движения в связанных состояниях в атомах. Значит, указанные изменения приведут к тому, что изменится размер атомов, а, значит, и размер окружающих нас тел. Если изменения свойств электрона будут небольшими, то и окружающие предметы тоже изменятся не сильно.
Аналогичный ответ следует, на первый взгляд, ожидать и на вопрос о том, что произойдет, если изменить значение постоянной тяготения G. При этом, очевидно, изменится сила тяготения для тех же масс. От этой силы зависит темп эволюции небесных тел, их размеры. Значит, изменятся и они. И опять, если изменения постоянной тяготения будут не очень большие, то и вариации свойств небесных тел также окажутся малыми.
Казалось бы, подобные ответы ожидаются и на вопросы об изменении других физических констант. Общий ожидаемый ответ, по-видимому, состоит в том, что мысленный опыт по сравнительно небольшому изменению физических констант сопровождался бы соответствующим небольшим количественным изменением в окружающем мире. Качественных же глубоких изменений во Вселенной при таких вариациях констант произойти не должно.
Анализ показывает, что это заключение оказывается совершенно неверным.
Для примера можно рассмотреть простейший атом водорода. Этот атом может существовать неограниченно долго, если его не подвергать внешним воздействиям. Электрон и протон в нейтральном атоме не вступают в реакцию с образованием нейтрона и нейтрино, несмотря на то, что есть отличная от нуля вероятность для электрона находиться в месте расположения протона. Однако, подобная реакция происходит при столкновении электронов с большой энергией с протонами. Невозможность реакции в нейтральном атоме обусловлена недостатком энергии. Сумма масс покоя электрона и протона меньше, чем масса нейтрона. Недостаток составляет E ≈ 0,8 МэВ. Если вообразить, что масса электрона me равна не 0,5 МэВ, а превышает разность масс нейтрона и протона Δm =1,3 МэВ, то реакция образования нейтрона станет возможной. Например, если бы масса электрона те была бы равна 2 МэВ, то нейтральный атом водорода просуществовал бы всего 30 часов. Таким образом, для длительного существования атома водорода необходимо, чтобы выполнялось неравенство me < Δm. При неизменности массы электрона, но при уменьшении Δm до значений меньших те, получается тот же результат. Следует специально подчеркнуть, что требуемое уменьшение Δm для возможности реакции образования нейтрона в атоме водорода (всего требуется уменьшить Δm на 0,8 МэВ) совершенно ничтожно по сравнению с полной массой протона или нейтрона, которые порядка 1000 МэВ. Изменение массы этих частиц примерно на 10-3 их величины привело бы к катастрофическим последствиям — к отсутствию водорода в сегодняшней Вселенной. Но это означает отсутствие главного ядерного топлива для звезд. При ничтожной вариации массы элементарных частиц во Вселенной не было бы звезд главной последовательности, не было бы химических соединений, содержащих водород и жизнь в такой Вселенной, по-видимому, была бы невозможной.