Большое космическое путешествие - Дж. Ричард Готт

Как началась инфляция? Мы не знаем. Возникла ли Вселенная из ничего в результате квантового туннелирования (вероятно, это самая популярная модель) или, что еще более удивительно, в самом начале Вселенной существовала маленькая временная петля? Педро Гонсалес-Диас предположил, что когда у нас будет истинная теория квантовой гравитации, две эти модели даже могут сойтись в одну. Другое мнение, высказанное Полом Стейнхардтом и Нилом Туроком, таково: Большой взрыв произошел от столкновения двух вселенных, плывших в одиннадцатимерном пространстве-времени, и при столкновении они резко разогрелись. Могут происходить и многократные взрывы (представьте себе два листа бумаги, две плоские Вселенные, которые колышутся в трехмерном пространстве и бьются друг о друга. Принципиально M-теория допускает такие явления). Ли Смолин считает, что наша Вселенная могла возникнуть внутри черной дыры в более старой Вселенной. Когда звезда схлопнулась в черную дыру, плотность в ее недрах росла и росла, пока не сформировалось высокоплотное состояние вакуума, чье гравитационное отталкивание расперло его до деситтеровской талии и спровоцировало переход в расширяющееся инфляционное состояние, которое могло породить Мультивселенную, – такой вариант указывали Клод Баррабе и Валерий Фролов. Все это происходило в формирующейся черной дыре, только «ухмылка» с диаграммы Крускала меняется на начальный этап расширения деситтеровского пространства.

Существует ряд спекулятивных идей, исследованием которых физики занимаются в поисках ответа на вопрос вопросов: с чего началась Вселенная? Из всех упомянутых альтернатив на настоящий момент, пожалуй, наиболее популярен вариант с туннелированием из ничего, но мы попросту не знаем, какой из вариантов правильный. Возможно, узнаем ответ, построив «Теорию Всего», которая объединит общую теорию относительности, квантовую механику, а также сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия, что позволит объяснить все законы физики. Когда у нас появятся уравнения «Теории Всего», мы увидим их космологические решения. Вот зачем мы занимаемся фундаментальной физикой. Мы ищем подсказки о том, как устроена Вселенная и, возможно, с чего она началась.

Автор: Дж. Ричард Готт

В этой главе я расскажу о будущем Вселенной. Я постараюсь в хронологическом порядке описать ключевые события истории Вселенной, как минувшие, так и предстоящие. Здесь будут как неимоверно протяженные отрезки времени из далекого будущего, так и некоторые невероятно краткие события, происходившие в юной Вселенной. Каков самый ранний момент в истории Вселенной, о котором можно говорить?

Чтобы это узнать, нужно ответить на два взаимосвязанных вопроса. Первый: каков кратчайший период, который можно измерить? Второй: каковы самые быстрые часы, которые только можно себе представить? В любых часах, даже в кварцевых, должен быть какой-то колеблющийся элемент – подобный маятнику в часовом шкафу. Если мне нужны самые быстрые часы – значит, нужен элемент, способный совершать самые быстрые колебания. Такой элемент – свет! Именно он совершает самые быстрые колебания. Фактически мне нужны светочасы с рис. 17.1: они состоят из двух зеркал и луча света, отражающегося между зеркалами. Если я захочу ускорить эти часы, что мне сделать? Немного сдвинуть зеркала. Чем ближе зеркала, тем быстрее тикают часы. У меня в часах будет летать вверх-вниз один фотон.

Что произойдет, если мои часы будут совсем маленькими? Есть проблема. Внутри часов должно хватать места хотя бы на одну волну фотона с длиной λ.Если расстояние между зеркалами в моих часах равно L, то минимально возможное расстояние L = λ.Длина и частота фотона соотносятся по формуле λ = c/ν.Чем меньше длина волны, тем выше будет ее частота. Уменьшая размер часов L, я должен сокращать и длину волны фотона, так чтобы волна умещалась в часах. При этом приходится увеличивать частоту фотона. Повышение частоты означает повышение энергии, поскольку энергия фотона определяется по формуле E = hν.Также не забываем об эйнштейновской формуле E = mc2. Энергия фотона соответствует некоторой массе. Итак, когда я уменьшаю мои часы, энергия фотона увеличивается, а вместе с ней увеличивается масса часов. В конце концов часы станут столь массивными и втиснутыми в такой малый размер L, что провалятся за собственный радиус Шварцшильда и превратятся в черную дыру! Таким образом, если я попытаюсь чрезмерно разогнать часы, то они схлопнутся в черную дыру, когда длина часов L достигнет примерно 1,6 × 10–33 см и они станут тикать с частотой раз в каждые 5,4 × 10–44 с. Этот период называется планковским временем». Это кратчайшее время, которое можно измерить. О длине L = 1,6 × 10–33 см мы уже упоминали. Я говорил, что размер сингулярности в центре шварцшильдовской черной дыры ненулевой – на самом деле сингулярность имеет примерно 1,6 × 10–33 см в поперечнике, поскольку размазывается под действием квантовых эффектов. Эта величина называется планковской длиной, это минимальный отрезок, который можно измерить. Рассказывая, что окружности дополнительных пространственных измерений, прогнозируемых теорией струн, могут иметь размеры порядка 10–33 см, мы упоминали о планковской длине.

Нельзя измерить время короче планковского. Длина маленькой временной петли, которая, по нашему с Ли-Синь Ли мнению, существовала в начале Вселенной, могла быть именно столь малой (см. главу 23). На самом деле, если рассмотреть обычное пространство-время в масштабе около 10–33см и в периоды порядка 5,4 × 10–44 с, то геометрия пространства-времени в соответствии с принципом неопределенности станет зыбкой. На таком масштабе пространство-время станет пенистым и многосвязным. Можно выразить значение планковской длины Lпланк = (Gh/2πc3)1/2 = 1,6 × 10–33 см через фундаментальные постоянные. Здесь все наши давние знакомые: ньютоновская гравитационная постоянная G, нужная для расчета радиуса черной дыры; постоянная Планка h, применяемая для расчета энергии фотона по формуле E = hν, а также c, скорость света, нужная для расчета массы, эквивалентной энергии фотона (E = mc2). Планковское время Tпланк = Lпланк/c равно периоду времени, за которое луч света проходит планковскую длину. Пренебрегая коэффициентами порядка 2 и π, это минимальный размер самых быстрых часов, пробив который они превратятся в черную дыру. Масса таких миниатюрных быстрых часов равна планковской массе, или 2,2 × 10–5 г, и они имеют планковскую плотность, которая составляет 5 × 1093 г/см3. Именно такова может быть плотность сингулярности в недрах черной дыры, пока сингулярность не начнет размазываться под действием квантовых эффектов. Именно на планковских масштабах квантовая механика начинает доминировать над общей теорией относительности и, как упоминалось выше, единой теории квантовой гравитации у нас пока нет. Поэтому планковская шкала (в единицах длины или времени) – это предел, за которым реальность в настоящее время непостижима.