Представьте себе арбуз, который мгновенно увеличивается до размеров Галактики. Раздувание "пузыря Вселенной" еще грандиознее!
Можно предположить, что подобно тому, как это происходит с расширяющимся газом, температура "распухающей" Вселенной резко упадет и из первичной материи начнут выделяться кварки, глюоны и другие частицы "обычного" вещества с известными нам свойствами. Расширение Вселенной замедлится, и дальнейшая эволюция каждого ее участка будет совершаться уже по "стандартному" сценарию Фридмана. Вселенная Гута оказывается практически бесконечной, а видимая нами часть пространства (то, что до сих пор считалось почти всей Вселенной) - лишь ничтожно малая ее доля.
Предложенный Гутом сценарий развития Вселенной, хотя и выглядел весьма "сумасшедшим" (разве может быть вещество, которое, расширяясь, не уменьшает своей плотности?!), позволял, однако, устранить практически все трудности теории Фридмана. В начале "эры быстрого раздувания" - этот термин сегодня используют все астрономы и физики - Вселенная могла быть такой маленькой, что во всем ее объеме успело установиться равновесие однородное распределение плотности, температуры и других свойств. Такого предположения нельзя сделать в теории Фридмана, где обратный пересчет от современных размеров Вселенной приводит к выводу, что ее радиус всегда был слишком большим и взаимодействия не успевали передаваться с одного ее края на другой - край отодвигался раньше, чем до него доходила волна взаимодействия. Другое дело в модели Гута. Ведь видимая нами часть Вселенной образуется там путем фридмановского "распухания" крошечного участка уже "раздувшейся" Вселенной, и о ее начальных размерах можно делать различные предположения, в том числе считать их очень маленькими.
Понятным становится и то, почему наш мир плоский. Он лишь исчезающе малая точка в масштабах Вселенной, а на малых расстояниях кривизна незаметна. Это подобно тому, как мы не ощущаем кривизну земного шара в нашей повседневной жизни.
Магнитные частицы-монополи, рождение которых предсказывается теорией на очень ранних этапах развития Вселенной - значительно раньше рождения протонов, нейтронов и электронов,- разбросаны по огромному объему "раздувшейся" Вселенной, и вероятность найти их в видимой ее части неизмеримо мала.
Космологическая картина мира заметно прояснилась. Если бы вот только не гипотеза о расширяющемся веществе с постоянной плотностью... Как совместить ее с законами физики? Ведь ничего подобного нигде и никогда не наблюдалось. Даже дерзким на выдумки писателям-фантастам не приходило такое в голову! Пожалуй, только пустое пространство - вакуум - обладает необходимым свойством.
Помощь космологам пришла с противоположного полюса физической науки из области элементарных частиц. В середине семидесятых годов группой теоретиков-была разработана теория, объединившая три типа сил - сильные ядерные, электромагнитные и слабые, ответственные за распады частиц и ядер. Теория предсказала существование нового класса частиц - так называемых хиггсонов (по имени английского физика И. Хиггса, который первым стал изучать их свойства). Как.
говорит теория, эти частицы обладают двумя замечательными особенностями. Во-первых, они достаточно устойчивы только тогда, когда "сильная компонента" единого взаимодействия становится отличной от остальных: если же все три типа сил равноправны (это имеет место при очень высоких энергиях), хиггсонов практически нет - они распадаются, едва успев образоваться. Во-вторых, именно эти частицы, иначе говоря, поле, квантами которого они являются, в значительной степени определяют структуру, "консистенцию" и энергию вакуума. При этом увеличение хиггсова поля приводит к такой перестройке вакуума, что его энергия (нулевой "уровень" мира) понижается, а разность конечной и начальной энергий выделяется в виде массы и тепловой энергии элементарных частиц. Пустой мир заполняется веществом. Похоже на выпадение тумана или инея из прозрачного воздуха.
Это весьма грубая картина того, что происходит в действительности, но она позволяет наглядно представить себе суть дела. Обоснованием этих соображений занималась большая группа советских и зарубежных физиков, но основной вклад внесли теоретики Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР Д. Киржниц и А. Линде.
Так вот расширение юной Вселенной сразу после ее рождения привело к тому, что плотность массы в ней быстро упала почти до нуля. По оценкам Гута и Линде, это произошло где-то на уровне 1СГ35 секунды.
Пустая Вселенная, как уже упоминалось выше, мгновенно начала "раздуваться", увеличив свои размеры на десятки порядков. Температура ее быстро уменьшалась, и где-то ближе к середине эры "раздувания"
она стала такой, что нарушилась симметрия взаимодействий и создались условия для интенсивного рождения хиггсонов. Это сопровождалось снижением энергии вакуума и соответственно выпадением ("кристаллизацией") огромного числа протонов, нейтронов, частиц-гиперонов, различных типов мезонов.
Вследствие изменения уровня вакуума средняя плотность свободной ("плавающей" в вакууме) массы подскочила на сотню порядков - увеличилась в 10100 раз! Из вещества, которое возникло буквально из пустоты, в дальнейшем образовались все галактики, звезды, планеты окружающего нас мира. При этом в различных частях Вселенной мог образовываться различный вакуум. Соответственно, различными там будут и основные физические законы.
Каких только чудес не открывает физика!
Продолжительность эры быстрого "раздувания" составляла всего лишь около 10 32 секунды-трудновообразимый миг, но он в тысячу раз дольше всей предшествующей жизни Вселенной,
Подобно тому, как это всегда происходит при выделении из расплава более упорядоченной фазы, рождение частиц сопровождалось выделением тепла. (Вспомним, как зимой мы радуемся повышению температуры, когда на улице идет снег!) К концу эры быстрого "раздувания" Вселенная раскалилась настолько, что родившиеся частицы расплавились в кварк-глюонную плазму. Образовался громадный шар раскаленного вещества, точнее, "гроздь" огромного числа областей вселенных с различным вакуумом. Каждая из них как раз и есть тот горячий "праисторический мир" Гамова, в котором при дальнейшем, уже сравнительно медленном расширении Вселенной по стандартному фридмановскому сценарию "сварилось" окружающее нас вещество.
Теоретики обсуждают еще более совершенные космологические сценарии, в которых "гроздь" вселенных образуется "раздуванием" сверхмалых, порядка 10"33 сантиметра, пространственных "зернышек", возникающих в результате квантовых флуктуаций энергии и пространственно-временной метрики. Это предмет только еще рождающейся квантовой космологии.
Во всех случаях новый космологический сценарий не перечеркивает и не отбрасывает теорию Фридмана, он включает ее как необходимый фрагмент, описывающий более позднюю стадию развития Вселенной.
Самая сокровенная тайна природы
На временной оси Вселенной разумная жизнь в окрестностях нашего Солнца занимает крошечный, едва различимый интервал. Наши знания простираются значительно дальше. Мы можем делать достаточно уверенные прогнозы на 1025-1030 лет в будущее и вплоть до 10"25-10 30 секунды от "начала мира" в прошлое. С помощью единой теории сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий можно рассматривать еще более широкий интервал приблизительно от 10 40 секунды до 10 °° лет. Полторы сотни порядков!
Правда, надежность предсказаний на краях интервала значительно снижается.
Если в единое взаимодействие включить еще и гравитационные силы, то тогда удается дотянуться до времен 11 порядка 10"43 секунды, когда Вселенная была квантовым объектом. К сожалению, теория "суперполя", которая реализовала бы давнюю мечту Эйнштеина о построении единой теории всех известных нам сил природы, находится пока еще в младенческом возрасте.
Что было еще раньше, как произошло рождение Вселенной,- об этом можно лишь гадать. Это тайна тайн.
Остается только утверждать, что материя заведомо не могла возникнуть "из ничего" и рождению "нашего мира"
предшествовали какие-то другие его состояния, хотя весьма вероятно, что понятия временного порядка - "следовать" и "предшествовать" - в таких особых состояниях материи просто не имеют смысла.
Была надежда получить сведения об "окрестностях" "начала мира", заглянув за край фридмановской Вселенной, на расстояния порядка 10 -23 километра, где находятся разлетающиеся осколки ее горячей фазы. Однако модель "раздувающейся" Вселенной убеждает в том, что там мы заметим лишь следы повторного разогрева Вселенной. О том, что было раньше, может сказать пока только теория.
А она подсказывает нам удивительные вещи! Например, единая теория "суперполя" становится замечательно последовательной и изящной, если допустить, что на расстояниях порядка 10 33 сантиметра, а именно такой была Вселенная в возрасте 10 43 секунды, пространство-время становится десятии одиннадцатимерным. "Лишние"
