Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Перерыв на водные процедуры

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] 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] 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?