Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Брайан Грин

Эйнштейн ввел слагаемое Λ в 1917 году, но сделал это по причине, оказавшейся ошибочной (Эйнштейн в то время хотел получить решение в форме статической вселенной). Но он предложил идею Λ, и она описывает то, что космологи теперь называют «темной энергией» (на мой взгляд, это очень неудачный термин). Космологическая постоянная Эйнштейна обладает свойством экспоненциально расширять вселенную на поздних этапах ее эволюции, что соответствует тому типу экспоненциального расширения, который сейчас наблюдается.

Должен сказать, что есть один период в истории вселенной, на отсутствие которого на моем рисунке могут пожаловаться специалисты. Эта космическая инфляция, которая предположительно имела место на самых, самых начальных и очень кратких этапах существования вселенной и продолжалась до смешного короткую долю секунды. Причина, по которой я не показал ее на картинке, – на самом деле две причины, вторая в том, что я в нее не верю (как я поясню вскоре) – в том, что потребуется очень мощное увеличительное стекло, чтобы увидеть ее, поскольку весь этот процесс будет скрыт внутри маленькой черной точки, которой я обозначил Большой взрыв. Здесь мы видим экспоненциальное расширение, которое предположительно случилось в очень короткий отрезок времени существования вселенной – на так называемой инфляционной стадии, длившейся первую сто миллионную миллионную миллионную миллионную миллионную долю секунды (т. е. 1032 секунды) существования вселенной. Я должен обратить ваше внимание, что это был бы очень важный момент экспоненциального расширения в начальный период истории вселенной, и по своей форме он напоминал бы экспоненциальное расширение, которое мы наблюдаем сейчас, как показано на рисунке 1.

Я уже сказал, что не увлечен этой идеей и не верю в нее. Вы можете спросить, почему традиционные космологи рассматривают инфляционную фазу как важнейшую часть современной космологии. Есть несколько причин, некоторые значимые, некоторые, по моему мнению, не очень. Большинство причин, изначально выдвигавшихся, я оценивал как не очень значимые, и исходная идея об инфляции меня не обрадовала, когда я впервые услышал о ней. Я вскоре кое-что скажу об этом. Но у инфляции есть несколько важных свойств, из-за которых она нужна. Если вы не признаете инфляцию, вам придется придумать что-то другое, что могло бы сыграть роль инфляции в отношении этих полезных свойств. Так что я намерен заявить, что своего рода инфляция была, но она была не сразу после Большого взрыва, а до него.

Вам это может показаться безумным, но общая идея этого типа для меня не была новой, она выдвигалась несколькими годами ранее хорошо известным и очень заслуженным итальянским физиком по имени Габриэле Венециано. Его модель отличалась от моей, но у него была идея, что что-то происходило и до Большого взрыва и что на этой предыдущей стадии было нечто, выглядящее как инфляция с точки зрения людей, живущих после Большого взрыва. Поэтому когда мы рассматриваем эту очень раннюю вселенную, нам кажется, что мы видим эту вещь, обычно объясняемую экспоненциальным расширением, по нашим предположениям втиснутую в крошечный отрезок времени сразу после Большого взрыва, но может быть, вместо этого нечто случилось до Большого взрыва. Это возмутительное предположение, поскольку считается, что Большой взрыв представляет самое начало вселенной, и я к нему вернусь. Это будет важнейшая часть моего доклада.

Большая часть того, что я собираюсь сказать, будет вполне традиционна с точки зрения современной космологии, но предположение, что нечто происходило до Большого взрыва, отнюдь не традиционно. Я все равно опишу его и в конце постараюсь указать несколько впечатляющих причин отнестись к этому предположению серьезно, с учетом нескольких потрясающих наблюдательных фактов. Для начала я хочу рассказать вам о двух математических трюках, которые полезны для понимания геометрии нашей вселенной. Эти два трюка в некотором смысле являются двумя противоположными аспектами одной идеи. Один из них имеет отношение к тому, как можно объяснить что-либо происходившее до Большого взрыва. Другой может помочь понять, как нечто может существовать за пределами вечности!

Позвольте мне начать с вечности, поскольку (что может показаться удивительным) это немного проще, а там посмотрим. Это трюк, который использовали многие геометры, и даже известный голландский художник М. С. Эшер. На рисунке 2 приведен один из его весьма элегантных принтов: «Предел круга I». На нем изображен способ представления определенного вида геометрии, известного как гиперболическая плоскость. Рисунок показывает так называемое конформное представление этой геометрии. Что здесь означает «конформное»? Это означает, что геометрия деформирована только таким образом, что в пределе уменьшающихся фигур нет искажений, только изменение общих размеров или вращение. Если говорить более точно, углы сопряжения кривых представлены правильно, хотя размеры самих фигур могут быть существенно увеличены или уменьшены. У больших фигур могут быть некоторые деформации, и линии могут быть не очень прямыми.

Рис. 2. Предел круга I.

В данной геометрии (так называемой «конформной картине Бельтрами»), как это проиллюстрировано Эшером, все белые рыбы считают себя идентичными друг другу, и то же с черными рыбами, хотя рыбы, изображенные ближе к краям, намного меньше тех, что в центре. У всех рыб круглые глаза, и эта округлость сохраняется вплоть до краев, как свойство этой конформной геометрии. Граничный круг представляет собой бесконечность для всех рыб этого геометрического мира.

Такое «сдавливание» к бесконечности для получения конечной границы – один из аспектов конформной геометрии. И теперь я сделаю то же самое для вселенной. Мы будем рассматривать пространственно-временную геометрию вселенной тем же конформным образом, используя тот же трюк, что Эшер. Это показано в верхней части рисунка 3. У нас есть три измерения пространства и одно измерение времени (хотя, как и прежде, вы видите только одно измерение пространства на картинке, а остальное воображаете). Этот трюк позволяет нам сдавить удаленную временну́ю бесконечность всего экспоненциального расширения вниз, конформно, к конечной границе, как показано в верхней части рисунка 3.

Рис. 3. Два математических трюка: 1) «сдавить» будущую бесконечность, чтобы получить границу в будущем; 2) «растянуть» сингулярность Большого взрыва, чтобы получить начальную границу.

Теперь я сделаю противоположную вещь с другим концом нашей картины вселенной. То есть, я раздвину Большой взрыв и тоже сделаю его областью с конечной границей. Это показано в нижней части рисунка 6.

Одна из причин, по которым я хочу сделать так – и здесь я не собираюсь вдаваться в подробности, – состоит в том, что я хочу включить одну из самых важных вещей в физике, которая перевешивает любую конкретную динамическую теорию, которую вы рассматриваете. Это Второй закон термодинамики. Этот закон (Второй закон для краткости), грубо говоря, гласит, что с течением времени вещи становятся все более хаотичными. Используя более технический язык, мы скажем, что энтропия увеличивается со временем, где слово «энтропия» – несколько более точный физический термин, для того, что я называл хаосом. Так что Второй закон утверждает, что энтропия увеличивается со временем (или по крайне мере сохраняется) за исключением возможных случайных флуктуаций.