Большое космическое путешествие - Дж. Ричард Готт

В общей релятивистской космологии глобального сохранения энергии не существует, поскольку нигде нет той «основы», которая позволила бы задать стандарт. Следовательно, при отрицательном давлении общее содержание энергии во Вселенной в условиях отрицательного давления могло возрастать. Поэтому Гут смог построить свою модель начав с небольшой области высокоэнергетического вакуума, который затем разросся до огромной Вселенной с ровно такой же плотностью вакуума. Таким образом, это состояние вакуума оказалось «самовоспроизводящимся», экспоненциально разрастающимся из крошечной точки. Поэтому Гут утверждал, что «бесплатный сыр» Вселенной все-таки достался. Рано или поздно плотность вакуума должна была снизиться, это произошло после разделения сильного и слабого взаимодействий. Когда энергия вакуума в пустом пространстве упала, избыток энергии выплеснулся в форме образования элементарных частиц. Они заполнили Вселенную в состоянии термодинамического равновесия..

Именно здесь инфляционный раструб юной Вселенной смыкается с нижней частью фридмановской модели Большого взрыва, напоминающей по форме мячик. После этого расширение Вселенной начинает замедляться, как в мячиковой модели. Теперь давление превращается в обычное тепловое давление частиц, а оно положительно. Мировые линии, разбегающиеся на этапе раструбной инфляционной эпохи (например, мировые линии Санта-Клауса и ребенка), вновь устремляются друг к другу, когда начинается фридмановский этап с замедлением. Инфляция показала, как могут естественным образом сложиться исходные условия фридмановской модели Большого взрыва. Эффект гравитационного отталкивания, присущий исходному состоянию вакуума (и связанный с отрицательным давлением последнего), спровоцировал Большой взрыв! Большой взрыв мог начаться и не с сингулярности, а с небольшой области с высокоплотным вакуумом. Инфляция позволяет объяснить, почему Вселенная столь велика и при этом так однородна. Также с ее помощью можно объяснить небольшие флуктуации, наблюдаемые в соотношении 1: 100 000. Эти небольшие случайные флуктуации вызваны принципом неопределенности Гейзенберга. В самом начале Вселенная удваивалась в размерах каждые 10–38 секунды; при таких кратких промежутках времени принцип неопределенности гарантированно дает в любом поле случайные флуктуации энергии. На самом деле, ячеистая структура скоплений галактик, наблюдаемая в современной Вселенной, – «космическая паутина», а также распределение сравнительно теплых и сравнительно холодных участков РИ указывают, что исходные условия были случайными именно в той мере, в какой это могли бы обеспечить квантовые флуктуации, прогнозируемые в рамках инфляционной теории (см. мою книгу «Космическая паутина (Cosmic Web [2016])).

Однако в инфляционной теории была одна проблема, которую Гут понимал. Вряд ли высокоэнергетическое состояние вакуума могло распасться на элементарные частицы везде и сразу. Такое инфлирующее высокоплотное море должно было распадаться на пузыри со сравнительно неплотным вакуумом, этот феномен исследовал Сидни Коулман. Ситуация напоминает кипение воды в кастрюле. Вода не испаряется вся и сразу. В воде образуются пузырьки пара. Но тогда получается неоднородное распределение, не та ровная Вселенная, которую мы надеемся увидеть. Гут обозначил данный факт как проблему. В 1982 году я предположил, что инфляция должна порождать вселенные-пузырьки, причем каждый пузырек может расшириться до размеров отдельной вселенной, такой как наша (рис. 23.3).

В моей теоретической модели мы живем внутри одного из пузырей с низкой плотностью вакуума. Я отметил, что если после формирования этого пузыря потребовалось некоторое время на рассасывание плотного вакуума, то такое рассасывание происходило бы на гиперболической поверхности и у нас получилась бы однородная гиперболическая фридмановская космология (вспомните рис. 22.6). Изнутри пузыря мы смотрим во все стороны в пространстве и смотрим в прошлое во времени, поэтому видим просто нашу пузырьковую Вселенную и однородное инфлюирующее море, из которого она родилась. Для нас все выглядит одинаково, так и решается проблема однородности, сформулированная Гутом. Пузырь расширяется почти со световой скоростью. Но инфлирующее море разрастается так быстро, что кипящие пузыри никогда не успевают заполнить все пространство. Постоянно образуются новые пузырьковые вселенные, а между ними продолжает расширяться инфлирующее море, освобождающее пространство для все новых пузырьковых вселенных. Я представил себе бесконечное множество пузырьковых вселенных, постоянно образующихся в вечно расширяющемся инфлюирующем море, – такой феномен сегодня именуется «Мультивселенная» (или «Мультиверс»)[39]. Внутри таких пузырьковых вселенных должна возникать отрицательная кривизна, и эти вселенные должны вечно расширяться. Это будут гиперболические фридмановские вселенные. Поверхности постоянной эпохи будут гиперболическими и вложенными в расширяющиеся пузыри. «Поверхность постоянной эпохи» характеризуется тем, что если установить будильник на каждой элементарной частице на этой поверхности, все будильники будут идти синхронно, начиная с момента формирования пузыря. Поверхность гиперболическая, поскольку чем быстрее летит частица, тем медленнее тикают установленные на ней часы и, следовательно, момент срабатывания часов наступает позже (ср. с рис. 22.6). Получается бесконечно протяженная гиперболическая поверхность, загибающаяся кверху по стенкам расширяющегося пузыря (рис. 23.3). В конце концов, когда в бесконечно далеком будущем пузырь достигнет бесконечного размера, в нем возникнет бесконечное количество галактик, следовательно, бесконечное количество пузырьковых вселенных из исходного миниатюрного и высокоплотного деситтеровского пространства.

Все это звучит странно. Как можно получить бесконечное количество вселенных, каждая из которых в конечном счете бесконечно велика, – из конечного исходника? Деситтеровское пространство напоминает обычную трубу, раструб которой направлен вверх. Горизонтальный срез, проходящий через талию деситтеровского пространства у устья трубы, – это круг. Это маленькая конечная вселенная, вписанная в 3-сферу, у нее конечная окружность и конечный объем, как та, которую рассматривал Эйнштейн. Но верхняя часть трубы напоминает по форме конус, а конус можно нарезать кругами, гиперболами или параболами, в зависимости от того, как резать. Если нарезать деситтеровское пространство по горизонтали, получается круг – это вселенная, вписанная в 3-сферу. Если резать под углом 45°, то получается парабола и бесконечная плоская вселенная. Если нарезать вертикальной плоскостью, то получается гипербола – бесконечная вселенная с отрицательной кривизной. История напоминает старую притчу о трех слепцах и слоне. Первый слепец щупает хобот и говорит, что слон похож на змею. Другой щупает ногу и говорит, что слон похож на ствол дерева. Третий щупает бок и говорит, что слон напоминает стену. Аналогично, форма деситтеровского пространства зависит от того, как его сегментировать. Можно сделать во вселенной-пузырьке такой гиперболический сегмент, который будет простираться до бесконечности, обозначить эпоху, в которую заканчивается существование деситтеровского вакуума и энергия сбрасывается в виде частиц, после чего начинается фридмановская модель. Вспомните буханку, которую можно резать на ломтики разной формы – прямоугольные или треугольные. В данном случае реальна лишь сама буханка. Если рассмотреть пространственно-временную геометрию деситтеровского пространства для инфляционной модели, то выясняется, что оно начинается в виде конечной 3-сферной вселенной на талии и вечно расширяется, приобретая бесконечный объем. Такая замечательная геометрия пространства-времени, где инфляция продолжается вечно и пространство становится бесконечно велико, позволяет создать бесконечное количество бесконечных пузырьковых Вселенных в вечно расширяющемся море.