Текст книги "Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе"

Идея, что Вселенную породило ничто, истинное ничто без времени и пространства, оказывается в каком-то смысле идеальной. Выходит, уцепиться совершенно не за что! Какой вопрос о происхождении Вселенной ни задай, скорее всего, ответ на него будет сводиться к тому же самому «из ничего». Так родители, уставшие от бесконечных «почему» своих чад, в конце концов отвечают: «Потому что потому, отстань!».

Таким же отсутствием зацепок отличается и требование, чтобы произошедшая из ничего Вселенная имела нулевую энергию. Не требует объяснений и утверждение Гейзенберга, что Вселенная может существовать вечно. Короче говоря, идея появившейся из ничего Вселенной очень удобна. Все довольны! Впрочем… нет, пожалуй, всё-таки не все. При всей кажущейся идеальности гипотеза «мир из ничего» некоторых учёных совершенно не устраивает. Здравый смысл, плохой вообще-то проводник в вопросах научного понимания мира на очень малых и очень больших масштабах, упорно твердит: у мира должно быть какое-то «прежде» и какая-то причина, которая заставила Вселенную начать существовать. Но какое может быть «прежде» во время, когда не существовало времени?

В сущности, теорией «Вселенной из ничего» недовольно большинство космологов. Поиски альтернативного объяснения мира не прекращаются несколько десятков лет.[14]14
  Большинство космологов недовольны: несмотря на успех популярной книги Лоуренса Краусса (Lawrence Krauss. A Universe from Nothing (New York: Atria, 2012) [Русский перевод: Лоуренс Краусс. Вселенная из ничего. Почему не нужен бог, чтобы из пустоты создать Вселенную. Пер. А. Бродоцкой, ACT, 2016. – Прим. пер.], предложено множество альтернатив для того, что предшествовало Большому Взрыву: от предположения, что наша Вселенная – всего лишь элемент бесконечной последовательности повторяющихся Вселенных (экпиротическая космология) до космологического искусственного отбора, где одни вселенные порождают другие посредством чёрных дыр, и до концепции мультивселенной, в рамках которой наша Вселенная – лишь одна из многих. Мы попросту не знаем, какую выбрать. См. недавнее обсуждение этой темы здесь: Stephanie Pappas, “What Happened before the Big Bang?” Live Science, April 17, 2019, https://www.live-наука. com/65254-what-happened-before-big-big.html.


[Закрыть] Но сколько учёные ни всматриваются в уравнения общей теории относительности, добиться решения на этом пути не удаётся – во всяком случае, без радикальных изменений в самом фундаменте эйнштейновских идей. К чему же космологи могут обратиться в своих поисках? Да, снова к квантовой механике.

Возможно, решение проблемы заключается не в том, что квантовая механика допускает рождение Вселенной в виде квантовой флюктуации, а в объединении пока не согласующихся друг с другом гравитации и остальных сил природы? Эта проблема остаётся нерешённой, и «всеобщая теория всего» столь же далека от нас, сколь десятилетия назад. Однако физики – люди сообразительные: они всё-таки находят пути объединения квантовой механики и гравитации, пусть не идеального, но хотя бы приблизительного. Мы не знаем, верно ли это приближение, но такая возможность не исключена. И кто знает – возможно, наши попытки всё же выведут на дорогу к истинной «теории всего».

Вы, наверно, догадываетесь, что теоретическая физика допускает множество возможных подходов к «склейке» фундаментальных сил. На страницах физических журналов полно идей. Однако, пока мы не нашли математического аппарата, который обеспечил бы такое объединение, остаётся ещё несколько способов, которыми квантовая механика могла бы объяснить рождение Вселенной.

Возможно, на самых ранних стадиях истории космоса (во всяком случае, как мы сейчас эти стадии представляем), все фундаментальные силы действовали настолько слаженно, что гравитация не доминировала над ними. Это очень непохоже на сегодняшний космос, в котором сила притяжения безраздельно господствует в крупномасштабной Вселенной, а остальные преобладают только на малых масштабах. В «младенчестве» же космоса, возможно, основную роль играла именно квантовая механика: гравитация была подавлена, что предотвратило неограниченное сжатие Вселенной. В противном случае всё кончилось бы состоянием с бесконечной плотностью и температурой – начальной сингулярностью, неотъемлемой частью рождения Вселенной в стандартной картине Большого Взрыва.

В отсутствие бесконечного сжатия пространство-время нашей Вселенной, возможно, могло бы связаться с другими пространственно-временными структурами – может быть, принадлежавшими другим, предыдущим Вселенным. Мы, конечно, не знаем, каким именно образом предшествующие пространство и время соединяются с нашими: здесь открывается простор для разнообразных гипотез. Диапазон идей огромен – от рождения нашей Вселенной из принадлежавшей предшественнице чёрной дыры до давшего начало нашему миру столкновения давно умерших Вселенных в гигантском многомерном сверхпространстве – «мультивселенной».[15]15
  Мультивселенная: это не просто единичная физическая концепция, но скорее целый ворох идей. См. отличный обзор профессора Макса Тэгмарка (вам придётся простить устаревший веб-дизайн его сайта): Max Tegmark, “Welcome to My Crazy Universe”, Universe of Max Tegmark, accessed November 23, 2020, https://space.mit.edu/home/tegmark/crazy.html.


[Закрыть] Есть ещё великое множество таких теорий. Некоторые из них выглядят совершенно сумасшедшими, и ещё больше их должно появиться в будущем – пока мы наконец не построим «теорию всего».

Пришло время расстаться с вопросом о рождении Вселенной: предстоит поговорить ещё об очень и очень многом. Мы охватили пока лишь первую мельчайшую долю секунды её существования, и перед нами – кажущийся бесконечным путь без малейших намёков на остановку. Мы должны двигаться вперёд, в будущее.

Может быть, наша Вселенная и правда появилась из ничего, из квантовой флюктуации такой степени малости, которую невозможно постичь. А может, квантовая механика предложит другое решение, даст способ обойти условия бесконечной плотности и температуры в начале Вселенной. Тогда позади этой точки сингулярности может лежать огромное прошлое, о котором мы можем только догадываться. Но теперь мы переходим к разговору о других стадиях развития Вселенной – от времени, когда Вселенная только начинала своё существование, к времени, когда она приобретала форму.

И мы увидим: за кулисами этой космической истории квантовая механика продолжала играть важнейшую роль.

Почему Вселенная так однородна?

Вселенная огромна. Так как скорость распространения света конечна, наши телескопы смотрят не только сквозь пространство, но и в прошлое, сквозь время. Они позволяют нам видеть большую часть истории космоса – вплоть до эпохи, отстоящей от Большого Взрыва всего на несколько сотен тысяч лет.

Почему же мы не можем увидеть сам Большой Взрыв? Через несколько первых минут существования Вселенной, в которые произошло образование первых атомных ядер, это был фантастически горячий, насыщенный электронами «суп» из вещества и излучения. Высокоэнергетические электроны двигались слишком быстро и не могли соединиться с ядрами, чтобы создать атомы, которые окружают нас сегодня.[16]16
  В начале: подробное, но осторожное поминутное описание того, что происходило в самом начале образования Вселенной, можно найти у Стивена Вайнберга – Steven Weinberg, Teh First Trh ee Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe, 2^nded. (New York: Basic Books, 1993). [Русский перевод: Стивен Вайнберг. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. Пер. В.А. Строкова, АСТ, 2022 – Прим. пер.]. А если вам нравятся леденящие душу подробности, прочтите книгу Edward W. Kolb and Michael S. Turner, Teh Early Universe (New York: CRC Press, 1994).


[Закрыть] Вселенная была заполнена плазмой, в которой свободные электроны сталкивались со световыми лучами, делая её непрозрачной, но через примерно 380 000 лет космического времени остыла настолько, что электроны замедлились и стали соединяться с атомными ядрами. В этот момент Вселенная сделалась прозрачной.

Как только это произошло, свету уже ничего не мешало лететь и в конечном счёте добираться до наших телескопов. Но пытаться вглядеться во Вселенную глубже, заглянуть в эпоху, когда она была непрозрачной, – всё равно что пытаться увидеть что-то сквозь кирпичную стену.

Энергия стремительного движения электронов на ранних стадиях истории Вселенной порождалась их столкновениями с океаном мощных излучений: высокоэнергетическими рентгеновскими и гамма-лучами, ультрафиолетовым светом – в общем, излучением, рождённым в ходе самого Большого Взрыва. Если какой-то электрон и оказывался случайно захваченным атомным ядром, за этим неизбежно следовало столкновение с одним из гигантского количества сметающих всё на своём пути фотонов, частиц света, безжалостно отшвыривавших электроны от ядер и заставлявших их снова блуждать в толще плазмы.

Расширение Вселенной охлаждало фотоны, растрачивая их огромную энергию. По мере того как фотоны остывали, их столкновения с электронами становились мягче, а сами электроны делались более медлительными. Наконец начали формироваться первые настоящие атомы– но излучение осталось и продолжало охлаждаться, больше не взаимодействуя с атомами, но постоянно присутствуя в качестве скрытого фона. Это излучение мы видим до сих пор – теперь от невероятно высоких температур Большого Взрыва оно остыло до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Это уже не фотоны высочайших энергий: в электромагнитном спектре они лежат в области радиоволн и называются космическим микроволновым фоновым излучением. Оно – самый старый свет, который мы способны видеть.

Громадные размеры наблюдаемой Вселенной объясняются тем, что она расширяется уже почти 14 миллиардов лет. Но, когда астрономы только начинали осознавать, что она расширяется, их сразу же начали тревожить некоторые странности. В какую бы сторону они ни смотрели, в какие бы мощные телескопы ни заглядывали, они видели, по сути, одно и то же: звёзды и галактики.

Возьмём какой-нибудь из телескопов Северного полушария и направим в случайную точку на небе. Что мы увидим? В сравнительно близких областях Вселенной – отдельные звёзды Млечного Пути, которые будут становиться слабее и слабее по мере того, как мы будем заглядывать всё дальше и дальше. Затем мы увидим другие галактики, сначала довольно большие – пока они будут не слишком далеко от нашей. Потом галактик будет становиться всё больше, а сами они – всё меньше и проще по форме. Ведь свет распространяется с конечной скоростью, и далёкие галактики видны нам в своём далёком прошлом. Наконец мы увидим совсем крохотные, едва сформировавшиеся галактики Ранней Вселенной, свет которых шёл до нас много миллиардов лет. А если наш телескоп способен принимать радиоволны, мы уловим и свечение космического микроволнового фона.

Повторим этот эксперимент с телескопом в Южном полушарии, направив его противоположно точке, которую мы выбрали в Северном. Что мы увидим здесь? Снова звёзды Млечного Пути, очень похожие на те, что мы уже видели на севере, но складывающиеся в другие фигуры – астеризмы[17]17
  Астеризм – звездный узор знакомой формы. Его границы в отличие от созвездий, строго не определены.


[Закрыть] и созвездия. В этом нет ничего неожиданного, ведь мы живём в глубине нашей Галактики. За областью звёзд Млечного Пути мы увидим множество других галактик, не тех, что на севере, но очень похожих по размерам и форме.

Глубже всматриваясь во Вселенную, мы увидим более молодые галактики, затем, ещё дальше – новорождённые, а потом – непроницаемую стену космического микроволнового фона. Понятно, что при всем различии подробностей общая картина, наблюдаемая в телескоп на юге, очень похожа на северную. То, что, куда ни посмотри, выглядит одинаково, должно само по себе быть очень однородным, «гладким».

Получается, что всё равно, куда мы направляем свой телескоп – повсюду видно одно и то же. И это странно! Почему? А потому, что участки Вселенной, которые мы разглядываем в наш телескоп, могут быть разделены многими миллиардами световых лет. Эти участки всегда были разделены, они никогда не оказывали друг на друга никакого влияния. Так почему же далёкие области Вселенной в одной стороне неба выглядят настолько похожими на те, что напротив? Разве не должны были они зарождаться чуть по-разному, потом чуть по-разному развиваться, а в результате – иначе выглядеть?

Может быть, в самом начале условия повсюду были почти одинаковыми, а потом эволюция всех отдельных участков шла очень похожим путём? Физикам эта идея совсем не нравится: она означает, что начальное состояние Вселенной было точно настроено на то, чтобы повсюду привести к одному и тому же результату. Предположение о такой тонкой настройке учёные встречают в штыки: они очень подозрительны, когда, чтобы объяснить эксперименты и наблюдения, требуется допущение об особых условиях. С другой стороны, конечно, такая особая ситуация, как рождение Вселенной, могла требовать этих условий; вызвать её к жизни мог неизвестный процесс, которого мы пока не понимаем, и в этом процессе могло содержаться требование, чтобы Вселенная была гладкой и повсюду одинаковой.

Существует ли какой-либо иной, физический путь «разглаживания» изначальной Вселенной? Что-то, что заставляет Вселенную выглядеть одинаково в любой точке?

Ответ на этот вопрос – «да». Но чтобы понять, каков этот путь, нам придётся немного отклониться в сторону. Давайте представим себе горную цепь с высокими пиками и глубокими долинами, тянущуюся по морскому берегу. Допустим, на вершину одного из пиков мы поместили мяч. Куда он покатится? Конечно, вниз, в долину. Катясь, он будет терять энергию на трение, чуть нагревая себя и поверхность горы, и наконец остановится в самой нижней точке, какую сумеет найти. Когда наш мяч высоко, на вершине пика, у него большая потенциальная энергия. Когда он катится вниз, энергия преобразуется в кинетическую, которая в конечном счёте тоже переходит в тепло. Это общий закон Вселенной: потенциальная энергия в конце концов минимизируется, а потерянная – переходит в тепло. Вы, возможно, слышали об этом законе – втором начале термодинамики.

Для наших целей в качестве точки с самой низкой потенциальной энергией вполне подойдёт уровень моря. Тогда почему мяч оказался в долине, а не в океане? В долине у него ещё осталась потенциальная энергия. Дело в том, что, хотя океан действительно обеспечивает минимум потенциальной энергии, в каждой долине есть её локальный минимум – по крайней мере, в окрестности некоторой точки. Такие точки называются точками устойчивого равновесия. Говоря о мяче и его положении в долине, мы называем его состояние устойчивым: он просто-напросто лежит, где остановился. Однако во всех других местах вне долины состояние мяча неустойчиво: он покатится куда-то ещё. Чтобы унести мяч из долины, потребуется столько энергии, чтобы можно было перекатить его через ближайший пик. Такой переход из одного устойчивого состояния в другое требует толчка, впрыскивания энергии, которая бы заставила мяч начать двигаться из устойчивого положения.

Этот рисунок прекрасно иллюстрирует ситуацию, которая возникает каждый раз, когда мы говорим об энергии и путях её перехода из одной формы в другую. Дело, конечно, не в мячиках, катающихся по горкам. Мяч представляет объект, энергетическое состояние которого нас интересует, гора – потенциальную энергию этого объекта, а положение мяча – собственно состояние объекта, сумму всей информации об объекте, которой мы располагаем. Весь рисунок в целом построен на нашей интуиции, и это подсказывает, что мы вернулись в рамки классической физики. Но при этом надо быть готовыми к квантовому повороту!

Математикам не потребовалось много времени для того, чтобы, воспользовавшись первыми успехами квантовой физики, залатать пробоины в здании физики классической. Их теоретические достижения выглядели как модификация классических теорий, позволявшая тем соответствовать новой парадигме. Этот процесс получил название квантования. Творцы квантовой физики квантовали ньютоновскую физику: законы движения и описание реакций тел на действующие на них силы. Но выведенных Максвеллом уравнений электродинамики этот процесс не коснулся – чтобы квантовать электродинамику, требовался новый мощный математический аппарат. Его изобретение выявило возможность существования новых физических сил – слабого и сильного ядерного взаимодействия.

Эти силы обобщены в рамках того, что мы называем «стандартной моделью»[18]18
  Стандартная модель: Европейский Совет по ядерным исследованиям (CERN) – международная коллаборация учёных, которой сделано множество научных открытий первостепенной важности. Ею также подготовлено огромное количество образовательных материалов по физике высоких энергий. Более подробно о стандартной модели см. “The Standard Model”, CERN, accessed November 23, 2020, https://home.cern/science/physics/standard-model.


[Закрыть]. За довольно скучным названием скрывается комплекс тщательно разработанных мощных математических рецептов, позволяющих точно вычислять действие каждой из сил. Кроме того, стандартная модель описывает связанные с силами частицы – квантованные порции энергии, опосредующие каждую из сил. Увы, со множеством непривычных терминов в этой модели придётся смириться, но мы постараемся побыстрее с ними освоиться.

Подытожить стандартную модель можно так. Есть четыре силовых частицы, носящие общее название бозонов, в честь индийского физика Сатьяндраната Бозе: фотон, переносящий электромагнитные взаимодействия, глюон – частица сильного взаимодействия в атомных ядрах, и загадочно названные частицы W и Z, ответственные за слабое взаимодействие – что-то вроде радиоактивности. В эту компанию входит ещё бозон Хиггса – самый, может быть, знаменитый из всех бозонов – он связан с процессом, благодаря которому частицы приобретают массу.[19]19
  Бозон Хиггса: вообще-то в науке нет стандартов для имён и названий, которые даются новым идеям или объектам, но иногда названия даются в честь одного из учёных, сделавших открытие. В данном случае физика обязана сделанным открытием шести учёным: Роберту Брауту, Франсуа Энглерту, Питеру Хиггсу, Джеральду Гуральнику, К. Ричарду Хагену и Тому Кибблу. Из них только двое получили в 2013 году Нобелевскую премию по физике. Обсуждение влияния политики на науку см. в Joel Achenbach, “Nobel Committee’s ‘Rule of Three’ Means Some Higgs Boson Scientists Were Left Out,” Washington Post, October 8, 2013, https://www. washingtonpost.com/national/health-science/peter-higgs-francois-englert-win-nobel-prize-in-physics/2013/10/08/1d96aa72–2f98–11e3-8906-3daa2bcde110_story.html.


[Закрыть] Кроме бозонов, есть 12 частиц, из которых состоит вещество. Они называются фермионами в честь итальянского физика Энрико Ферми. Шесть из них – кварки, единственные частицы, чувствительные к сильному взаимодействию: верхние, нижние, странные, очарованные, прелестные и истинные. Сочетаясь друг с другом разными способами, кварки образуют фундаментальные «строительные кирпичики» вещества, в том числе более привычные для нас протоны и нейтроны.

Остальные шесть фермионов– лептоны: в их число входит электрон и два его собрата мюон и таон, каждый из которых тяжелее предыдущего, а также три разновидности частицы, называемой нейтрино. С каждой из этих частиц мы ещё познакомимся поближе.

Однако в стандартной модели зияет пропущенное звено: гравитация. До сих пор она не поддаётся квантованию, и вовсе не потому, что научное сообщество недостаточно много работает над решением этой проблемы! Некоторые физики посвятили всю жизнь попыткам включить гравитацию в стандартную модель. Постоянно появляются и уходят новые варианты квантовых теорий тяготения, но большинство из них так и не получает никаких экспериментальных подтверждений.

Площадками, на которых происходит поиск новых квантовых теорий, стали великолепные исследовательские лаборатории современной теоретической физики – ускорители частиц, такие, например, как грандиозный Большой Адронный Коллайдер, построенный Европейским советом по ядерным исследованиям (CERN) на границе Швейцарии и Франции. В ускорителях сталкиваются друг с другом частицы, разогнанные почти до скорости света, и столкновения приводят к рождению новых. За последние 60 с лишним лет эксперименты на ускорителях выявили существование множества частиц, о которых мы не знали раньше. Пытаясь найти всё новые гипотетические – а возможно, и совершенно неожиданные – частицы, физики строят ускорители всё больших и больших масштабов. Некоторые из обнаруженных частиц – в том числе упомянутый бозон Хиггса – открывают для нас энергетические поля, на которых зиждется существование Вселенной.

Потенциальное решение вопроса о том, почему Вселенная выглядит такой однородной, – существование ещё одного энергетического поля, так называемого инфлатонного.[20]20
  Космическая инфляция: разработка теории инфляционной Вселенной описана её создателем Аланом Гутом в книге Alan Guth, Teh Infl ationary Universe: Teh Quest for a New Teh ory of Cosmic Origins (New York: Perseus, 1997).


[Закрыть] Ассоциированная с ним частица, которую называют инфлатоном, пока гипотетична и к тому же могла существовать только в ранней Вселенной.[21]21
  Инфлатоны: о гипотетических свойствах инфлатонов известно немного. Вероятно, поэтому о них так мало можно прочесть на популярном уровне. Вам лучше всего начать со статьи Paul Sutter, “How Did Inflation Happen – and Why Do We Care?” Space, October 26, 2018, https://www.space.com/42261-how-did-inflation-happen-anyway.html.


[Закрыть] То, что в нашу эпоху мы её не наблюдаем, свидетельствует, что в прошлом должно было произойти некое драматическое событие – возможно, самое драматическое за всю историю космоса. Но не будем забегать вперёд: вернёмся к нашим горкам.

В классических энергетических горках долины – участки устойчивости. Состояние может быть устойчивым или неустойчивым – чёрным или белым. В случае горок квантовой энергии устойчивость предстаёт как спектр оттенков серого. Вспомним: на нашем рисунке с энергетической горкой уровень моря был самым низким уровнем потенциальной энергии. В квантовой физике он называется состоянием вакуума.

Кинетическая энергия мяча (когда он катится из долины) аналогична квантовым возбуждениям и проявляется в виде частиц. Таким образом, энергия, ассоциированная с силой определённого вида, соответствует долине в отсутствие частиц и движению по склону горки в их присутствии. Мяч может застрять в долине и остаться в ней навсегда, так и не докатившись до моря – своего вакуумного состояния. Но в квантовой физике, где движение и положение в пространстве – понятия неопределённые, дела обстоят интереснее. Спонтанные квантовые флюктуации могут быть просто толчком, необходимым для создания того, что называется фазовым переходом.

Как только появляется квантовый жаргон, всё сразу начинает казаться страшно сложным. Ну, вот что это за «фазовый переход»? Возьмём стакан воды, немного отольём оттуда и дольём снова. Перед нами тот же самый стакан воды? Вроде бы, да. Вода выглядит вполне однородной. У неё есть свойство, которое физики называют симметрией. Но в другой раз давайте перед тем, как добавить новую часть воды, заморозим её. Теперь появилась кое-какая разница: каждый раз, когда мы замораживаем воду, получившийся лёд выглядит чуть иначе.

Если у вас дома есть форма для ледяных кубиков, вытащите несколько штук и осмотрите их внимательно. У каждого кубика разные трещинки, вмороженные пузырьки воздуха, другие дефекты и особенности. Если мы заменим часть кубика на такой же кусочек другого кубика, у нас получится явно другой ледяной кубик. Мы говорим: лёд не так симметричен, как вода, которую мы заморозили, чтобы его получить. Нагревая воду вместо того, чтобы замораживать, мы получим противоположный эффект. Водяной пар ещё однороднее, чем жидкая вода (чем горячее в принципе материал, тем он более однороден). Причина этого связана с тем, насколько плотно упакована энергия.

Вспомните, что в школе вы уже слышали что-то очень похожее об агрегатных состояниях или фазах вещества. Каждое химическое соединение, например, H₂0, может существовать в твёрдом, жидком или газообразном состоянии (для воды – лёд, вода и водяной пар). Это классические фазы вещества. Привлекая квантовую физику, мы получаем ещё десятки состояний, удачно названных экзотическими фазами.[22]22
  Экзотические фазы вещества: кроме жидкой, газообразной и твёрдой есть ещё фаза плазмы и много экзотических фаз, с которыми исследователям ещё предстоит освоиться. См. Natalie Wolchover, “Physicists Aim to Classify All Possible Phases of Matter,” Quanta Magazine, January 3, 2018, https://www.quantamagazine.org/ физикs-aim-to-classify-all-possible-phases-of-matter-20180103/.


[Закрыть] Квантовые состояния и их фазы не так просто визуализировать, но когда происходит переход из одной фазы в другую, результат этого перехода может проявиться так же быстро, как вылет молекул воды из жидкости в воздух или их остановка и образование ими твёрдого ледяного кристалла.

Возвратимся к нашим знакомым энергетическим горкам. Уровень моря – всё равно что очень холодный лёд: это самая низкая энергия, которую может приобрести классическая твёрдая фаза H₂0. В жидкой воде энергии побольше – теперь мы в высокогорной долине. Поднимемся ещё выше, на вершину горы: это аналог водяного пара. Нагревая лёд, мы переносим его через вершину пика и опускаем в долину с жидкостью. Добавим ещё тепла – и мы перенесём вещество через следующий пик и поместим в газовую долину.

Двигаться в другую сторону не так просто и очевидно. Начнём, скажем, с жидкой воды. Удерживая её при фиксированной температуре выше 0 °C (32°F), мы позволим ей спокойно плескаться в долине. Теперь начнём понижать окружающую температуру. Энергия теряется, но это значит одно: уровень воды в долине и высота волн будут понижаться. Как же воде перевалить через пик и перелиться на твердую ледяную равнину – уровень моря?

Короткий ответ: никак. Во всяком случае, без посторонней помощи. Этот опыт тоже можно попробовать провести в домашних условиях. Возьмите бутылку дистиллированной воды и поместите её в морозилку. Мы ждём, что, когда она станет холоднее 0 °C, она превратится в лёд. Это и случится с нормальной водой, содержащей примеси и включения – они-то и станут местами, в которых начнётся замерзание. Но чистая вода, без включений, не замёрзнет! Вы найдёте у себя в морозилке жидкую воду с температурой –18 °C (или –0.4°F – это обычная температура в морозильной камере). Если вы будете достаточно аккуратны, вы сможете получить жидкую воду даже при температурах примерно до –50 °C (–58°F)! Это и есть переохлаждённая вода, запертая в своей «жидкой долине».[23]23
  Переохлаждённая вода: если вам не хочется ставить эксперимент самим, введите этот термин в поисковое поле на YouTube, и вы получите сотни ссылок на видео мгновенно замерзающей воды. Рекомендуем вот это: D. Muller [Veritasium], “Supercooled Water– Explained!” March 22, 2011, YouTube video, 3:35, https://youtu.be/ ph8xusY3GTM.


[Закрыть] У воды с примесями энергетический ландшафт отличается менее ярко выраженными долинами, и, остывая, она будет соскальзывать вниз по склону горы, не задерживаясь больше ни в каких долинах.

При температуре –18 °C достаточно внести в переохлаждённую воду малейшую асимметрию (скажем, щёлкнуть по стенке бутылки), как начнётся цепная реакция замерзания. Вода перевалит через пик потенциальной энергии, и та начнёт высвобождаться в окружающую среду, позволяя воде занять новое состояние энергетического минимума.

Теперь попробуем распространить наше воображение в область абстрактного и гипотетического и представить себе что-то гораздо менее осязаемое, чем тепловая энергия воды, – новый вид энергии, связанный с пространством и временем так, чтобы заставлять расширяться само пространство. В высокоэнергетическом состоянии пространство будет расширяться быстро. Такое расширение сейчас называют инфляцией. Это состояние аналогично переохлаждённой воде – она находится в долине высокоэнергетической инфляции. Как щелчок по стенке бутылки вызывал мгновенное замерзание переохлаждённой воды, так и здесь – возможно, в результате квантовой флюктуации – происходит фазовый переход, и мы выходим из «долины инфляции», опускаясь по склону горы к состоянию вакуума. И пока это происходит, образуются частицы – инфлатоны.

Как уже говорилось, в сегодняшней Вселенной общая теория относительности управляет миром на больших масштабах, а квантовая физика – на малых. Но в этой точке ранней Вселенной масштабы переворачиваются. В нарисованной нами картине квантовая физика управляет космосом на самых больших масштабах, и это приводит к колоссальному космологическому событию! Уравнения, объединяющие таким образом квантовую физику и общую относительность, дают непредставимо быстрое расширение, когда в состоянии инфляции каждый клочок пространства расширяется во много-много раз быстрее света.

Представляя собой, мягко говоря, предельный случай, инфляция тем не менее хорошо объясняет, почему Вселенная выглядит такой однородной. До начала инфляции она была фантастически горячей и плотной и, вероятно, представляла собой хаотическое нагромождение условий, изменявшихся от точки к точке, даже на крайне малых расстояниях. На этот кипящий океан накладывались малые флюктуации, обусловленные квантовой неопределённостью. Затем произошла инфляция, и полная энергия Вселенной оказалась размазанной по всем направлениям: её малый клочок распространился на всю нынешнюю наблюдаемую Вселенной и гораздо дальше. Результатом и оказалось то, что в нашей Вселенной плотность энергии повсюду одинакова.

Теория инфляции – очень убедительная и захватывающая. В любом современном учебнике космологии непременно обсуждаются особенности этого процесса. Как гениальный сыщик в повести Агаты Кристи, инфляция связывает между собой оборванные сюжетные линии, находит неожиданные объяснения и отвечает на кажущиеся неразрешимыми вопросы о Вселенной вокруг нас. Не правда ли, это одно из великих достижений современной космологической мысли?