Читать книгу "О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог"

назад: короткий инфляционный всплеск, протяженная пауза, когда расширение почти прекратилось, и, наконец, переход к значительно более умеренной фазе ускорения (см. рис. 3 на вклейке).

И если верить Джиму Пиблсу, работы которого сыграли решающую роль в построении стройной модели нашей космологической истории – в 2019 году это было отмечено Нобелевской премией по физике, – «туч на горизонте пока не видно»[128].

И все-таки одно ключевое предсказание теории инфляции до сих пор остается неподтвержденным. Это первичные гравитационные волны. Дело в том, что всплеск инфляции усиливает и растягивает все квантовые дрожания, в том числе и вибрации самого пространства. В результате этого и возникают гравитационные волны определенного типа: макроскопическая пространственная рябь. Первичные гравитационные волны не надо путать с гравитационными волнами, которые в гораздо более поздние времена порождаются столкновениями черных дыр, нейтронных звезд или галактик.

Первичные гравитационные волны, вызванные инфляцией, должны распространяться синхронно со всей Вселенной с момента ее рождения. К настоящему времени они должны иметь исключительно большую длину, при которой они не могут быть детектированы классическими L-образными гравитационно-волновыми обсерваториями на поверхности Земли. Однако само существование порожденной инфляцией гравитационной ряби, распространяющейся в пространстве, должно повлиять на поляризацию фотонов микроволнового фона: ведь они 13,8 миллиарда лет странствовали в этом чуть искаженном рябью пространстве, пока не попали на антенны наших радиотелескопов. И несмотря на то, что ожидаемая амплитуда первичных гравитационных волн даже по стандартам гравитационно-волновой астрономии относительно низка, теоретики инфляции считают, что их поляризующее действие на CMB-излучение должно быть заметно.

К сожалению, спутник «Планк» не был оборудован высококачественными поляриметрами. В более позднем эксперименте по измерению поляризации CMB, проведенном на полярной станции «Амундсен – Скотт» в Антарктике, на Южном полюсе, поляризацию ожидаемого вида действительно удалось найти – однако тщательный анализ данных показал, что эту поляризацию можно списать на взаимодействие реликтового излучения с галактической пылью. И все же космологи не сдаются. Для поиска «отпечатка» первичных гравитационных волн в космическом микроволновом фоне разрабатываются новые космические миссии. Даже если гравитационные волны, порожденные инфляцией, не будут нести в себе большого количества информации, само их наблюдение, пусть даже и косвенное, стало бы великолепным открытием. Оно не только укрепило бы теорию инфляции, но и стало бы первым ясным свидетельством того, что поле пространства-времени, подобно всем известным материальным полям, действительно имеет квантовые корни.

Стивен тоже возлагал большие надежды на регистрацию гравитационных волн, порожденных инфляцией. Перед самой кончиной он работал над статьей, в которой надеялся уточнить предсказания инфляционной теории для ожидаемого уровня первичных гравитационных волн. На карту было поставлено многое: инфляционное растяжение квантовых дрожаний пространства до макроскопических масштабов есть космологический аналог излучения Хокинга, идущего от черных дыр. Большинство физиков, конечно, согласилось бы, что регистрация следов первичных гравитационных волн стала бы убедительным – хотя и косвенным – аргументом в пользу существования излучения Хокинга.

Теория инфляции предлагает исключительно удачное описание краткого, но критического момента в генезисе Вселенной. Даже при том, что конкретная природа инфлатона остается неизвестной, а первичная гравитационная рябь пока неуловима, детальные наблюдения картины распределения температурных вариаций объясняются настолько убедительно, что большинство космологов принимает теорию инфляции. Идея инфляции ощущается как истинная и выглядит истинной. Но тогда встает важнейший вопрос: как и почему инфляция началась? Пытаясь объяснить очень раннюю Вселенную, мы должны остерегаться попасть в логический капкан, просто заменив одну неразрешимую загадку другой. Ведь какой бы теоретически привлекательной не казалась идея инфляции, если ее грандиозный всплеск окажется принципиально невозможным инициировать, то в нашей игре мы вынуждены возвратиться в начальную клетку – идею инфляции придется считать неприменимой в качестве физической модели ранней Вселенной. Таковы неумолимые законы науки.

Так что же требуется для запуска инфляции? Как могло инфлатонное поле изначально набрать такую огромную энергию? Вот тут-то и появляется предложение об отсутствии границы. Гипотеза об отсутствии границы замечательным образом предсказывает рождение Вселенной в ходе всплеска инфляции. Математически дело сводится к тому, что закругленная форма «дна» пространства-времени в процессе творения при отсутствии границы требует того же вида экзотической скалярной материи, характеризующейся отрицательным давлением, какого требует и инфляция. В контексте классической космологии реального времени вещество с отрицательным давлением может вызвать быстрое взрывное расширение – инфляцию. А в контексте квантовой космологии мнимого времени ровно то же самое отрицательное давление – как раз то, что нужно для гладкого замыкания «дна» пространства-времени во что-то вроде сферы. Таким образом, творение при отсутствии границы и инфляционное расширение – процессы-близнецы, которые идут рука об руку. Они усиливают друг друга, причем первый является квантовым завершением второго (см. рис. 30). С точки зрения физики это значит, что, если бы Вселенная была сотворена из ничего – в соответствии с правилами теории отсутствия границы, – то шанс, что она последует большинству из возможных историй расширения, был бы пренебрежимо мал. Но было бы одно особое семейство траекторий, гораздо более вероятных, чем другие. И это именно такие пути расширения, на которых Вселенная обретает существование в ходе краткого всплеска инфляционного расширения, за которым следует замедление.

В главе1 я уже отмечал, что на любом уровне эволюции детерминизм определяет только самые общие структурные тенденции. Как правило, наперед можно предсказать только наиболее грубые свойства. И в соответствии с гипотезой об отсутствии границы таким структурным свойством космологической эволюции будет некоторая форма инфляции.

Рис. 4. Выдвинутая Джимом и Стивеном гипотеза о происхождении Вселенной при условии отсутствия границы предсказывает, что Вселенная родилась из инфляционного всплеска сверхбыстрого расширения.

Открытие загадочного согласия между гипотезой об отсутствии границы и инфляцией волновало не одно поколение хокинговских студентов. И оно имело далекоидущие последствия. Пионеры теории инфляции представляли ее как промежуточную, преходящую фазу в истории существовавшей прежде Вселенной. Но квантовое оформление этой идеи предполагает, что инфляция и есть ее начало! В контексте предложения об отсутствии границы инфляция становится неотъемлемой частью квантового процесса, посредством которого прежде всего и возникает осязаемая ткань классического пространства-времени. Поэтому предположение об отсутствии границы поднимает инфляцию на более высокий уровень и связывает ее с самим существованием пространства-времени. Происхождение инфляции больше не должно рассматриваться как таинственный счастливый случай или как результат вмешательства «перста Божьего», вознесшего инфлатон на вершину, но космическим императивом, необходимым условием самого существования Вселенной.

Здесь есть, однако, одна трудность. Предложение об отсутствии границы предсказывает минимальный инфляционный всплеск из всех возможных. Мощь исходного всплеска расширения определяется начальным значением инфлатонного поля. Вселенные, в которых инфлатон имеет высокий начальный уровень энергии, находятся на вершине энергетического «холма» (рис. 27) и претерпевают грандиозную вспышку инфляции. Они оказываются больше по размеру и содержат достаточно вещества, чтобы образовать миллиарды галактик. Эти вселенные очень похожи на ту,