Нерешенные вопросы
Картина Вселенной, которая сначала была очень горячей и остывала по мере расширения, согласуется со всеми наблюдениями, имеющимися к настоящему времени. Тем не менее она оставляет без ответа ряд важных вопросов. Во-первых, почему ранняя Вселенная была такой горячей? Во-вторых, почему Вселенная так однородна на больших масштабах — почему она выглядит одинаково из всех точек пространства и во всех направлениях?
В-третьих, почему скорость расширения на начальном этапе эволюции Вселенной была столь близка к критическому значению, что едва позволяла избежать обратного сжатия? Если бы скорость расширения через одну секунду после Большого взрыва была хотя бы на одну стомиллиардную от миллионной доли меньше, Вселенная снова сжалась бы и никогда не достигла бы своего текущего состояния. С другой стороны, если бы скорость расширения в ту секунду была на такую же мельчайшую долю больше, расширение привело бы к тому, что в настоящее время она была бы практически пустой.
В-четвертых, несмотря на тот факт, что Вселенная столь однородна и единообразна на больших масштабах, она содержит локальные скопления материи, такие как звезды и галактики. Полагают, что они развились из небольших отклонений плотности вещества в разных областях ранней Вселенной. Как возникли эти флуктуации плотности?
Если бы скорость расширения через одну секунду после Большого взрыва была хотя бы на одну стомиллиардную от миллионной доли меньше, Вселенная снова сжалась бы никогда не достигла бы своего текущего состояния.
Объяснить эти особенности или ответить на эти вопросы, опираясь только на общую теорию относительности, невозможно. Она предсказывает лишь то, что вначале Вселенная имела бесконечную плотность, это была сингулярность Большого взрыва. В этой сингулярности общая теория относительности и другие физические законы не действуют. Невозможно предсказать, что появится из сингулярности. Как я уже объяснял, это означает, что мы можем исключить из теории все события, происходившие до Большого взрыва, поскольку они не влияют на то, что мы наблюдаем. Пространство-время имеет границу — начало в момент Большого взрыва. Почему Вселенная должна была начаться с Большого взрыва именно таким образом, который привел ее к состоянию, наблюдаемому сегодня? Почему Вселенная столь однородна и расширяется именно с той критической скоростью, которая позволяет ей избежать обратного сжатия? Было бы неплохо, если бы удалось показать, что к современному состоянию Вселенной могли привести несколько различных начальных конфигураций.
Если дело обстоит именно так, то Вселенная, которая развивалась из случайных начальных условий, должна содержать ряд областей, похожих на те, что мы наблюдаем. Могли также существовать и иные области, сильно отличающиеся от наблюдаемых нами. Однако эти области, вероятно, не подойдут для формирования галактик и звезд. Это важные условия для возникновения разумной жизни, по крайней мере в той форме, которая нам известна. Таким образом, в этих областях не будет никаких существ, которые могли бы увидеть, что эти области отличаются.
Говоря о космологии, необходимо учитывать принцип отбора, который заключается в том, что мы живем в области Вселенной, пригодной для разумной жизни. Это достаточно простое и очевидное соображение иногда называют антропным принципом. Предположим, с другой стороны, что начальное состояние Вселенной должно выбираться крайне осмотрительно, чтобы достигнуть состояния, похожего на наблюдаемое нами сегодня. Тогда во Вселенной вряд ли найдется область, где может появиться жизнь.
Начальное состояние Вселенной действительно должно было выбираться со всей тщательностью, если модель горячего Большого взрыва верна на отрезке от сегодняшнего дня до момента начала времени.
В описанной ранее модели горячего Большого взрыва в ранней Вселенной было недостаточно времени для передачи тепла от одной области к другой. Это означает, что разные области Вселенной должны были иметь абсолютно одинаковую начальную температуру, чтобы можно было объяснить тот факт, что микроволновое фоновое излучение имеет одинаковую температуру во всех направлениях. Кроме того, начальная скорость расширения должна была выбираться с высокой точностью, чтобы Вселенная не сжалась обратно к настоящему моменту. Это означает, что начальное состояние Вселенной действительно должно было выбираться со всей тщательностью, если модель горячего Большого взрыва верна на отрезке от сегодняшнего дня до момента начала времени.
Очень трудно объяснить, почему Вселенная зародилась именно так, не прибегая к идее Божественного творения, целью которого было создание существ, подобных нам.
Инфляционная модель
Чтобы избежать трудностей, связанных с начальными этапами в модели горячего Большого взрыва, Алан Гут из Массачусетского технологического института предложил новую модель. В ней несколько различных начальных конфигураций могли привести к состоянию, аналогичному современному состоянию Вселенной. Он предложил идею о том, что на начальных этапах развития Вселенной был период очень быстрого (экспоненциального) расширения. Такое расширение называют инфляционным — по аналогии с инфляцией цен, происходящей в большей или меньшей степени в любой стране. Мировой рекорд инфляции был, вероятно, установлен в Германии после Первой мировой войны, когда за несколько месяцев цена буханки хлеба выросла с одной марки до одного миллиона. Но инфляция, которая, как мы думаем, произошла в масштабах Вселенной, была гораздо больше — за мельчайшую долю секунды Вселенная выросла в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз. Разумеется, это случилось до прихода к власти современного правительства.
Гут предположил, что Вселенная после Большого взрыва была очень горячей. Можно ожидать, что при таких высоких температурах сильное и слабое ядерные взаимодействия, а также электромагнитное взаимодействие представляли собой одну силу. По мере расширения Вселенная остывала и энергия частиц уменьшалась. Со временем произошел так называемый фазовый переход, и симметрия между взаимодействиями нарушилась. Сильное взаимодействие отделилось от слабого и электромагнитного. Типичным примером фазового перехода является замерзание воды (превращение ее в лед) при охлаждении. Вода симметрична — в любой точке и в любом направлении она одинакова. А образующиеся при замерзании воды кристаллы льда будут занимать определенные положения в пространстве и выстраиваться в некотором направлении. Это нарушает симметрию воды.
Проявив старание, воду можно «переохладить» — охладить ее до температуры, находящейся на шкале ниже точки замерзания, без образования льда. Гут предположил, что Вселенная может вести себя аналогичным образом: ее температура может опускаться ниже критического значения без нарушения симметрии между взаимодействиями. Если бы это произошло, Вселенная оказалась бы в нестабильном состоянии, энергия которого была бы больше, чем энергия состояния с нарушенной симметрией. Можно показать, что эта особая избыточная энергия имела бы антигравитационный эффект и действовала бы, как космологическая постоянная.
