На сегодняшний день инфляция является единственным правдоподобным объяснением того, что Вселенная однородная и плоская, базирующимся на, по-видимому, фундаментальных и вычисляемых микроскопических теориях элементарных частиц и их взаимодействии. Мало того, теория инфляции позволяет сделать и еще одно, возможно даже более интересное, предсказание. Как я уже писал, из законов квантовой механики следует, что на очень маленьких масштабах и в очень короткие промежутки времени пустое пространство похоже на кипящую пену виртуальных частиц и полей с дикими колебаниями амплитуды. Эти квантовые флуктуации, возможно, определяют природу протонов и атомов, но в целом на более крупных масштабах незаметны – отчасти именно поэтому они кажутся нам такими неестественными.
Однако во время инфляции эти квантовые флуктуации способны определять, когда кончается период экспоненциального расширения у того, что при других обстоятельствах было бы разными маленькими областями пространства. Если разные области прекращают инфляцию в (микроскопически) разные моменты времени, то, когда энергия ложного вакуума высвобождается в виде тепловой энергии, плотность вещества и излучения в каждой области получается своя – чуть-чуть не такая, как в соседних.
Как выяснилось, картина флуктуаций плотности после инфляции, которые возникают – лишний раз подчеркну – из квантовых флуктуаций в пустом в прочих отношениях пространстве, полностью соответствует наблюдаемой картине распределения холодных и горячих пятен на карте микроволнового излучения. Такое соответствие, конечно, само по себе не доказательство, однако космологи все больше склоняются к мысли, что если кто-то ходит, как утка, выглядит, как утка, и крякает, как утка, то, вероятно, это утка и есть. А если во всех мелких флуктуациях плотности вещества и излучения, которые впоследствии привели к гравитационному коллапсу вещества в галактики, звезды, планеты и людей, виновата инфляция, тогда с полным правом можно сказать, что все мы очутились здесь сегодня из-за квантовых флуктуаций, происходивших в полной пустоте.
Это настолько удивительно, что я, пожалуй, повторю: квантовые флуктуации, которые иначе оставались бы совершенно незамеченными, из-за инфляции оказались «заморожены» и впоследствии проявились как неоднородности плотности, а те произвели все, что мы видим! Я уже писал, что все мы – звездная пыль, но если инфляция и вправду была, то все мы еще и порождение квантового «ничего».
Все это настолько неинтуитивно, что похоже на какое-то колдовство. А особенно смущает во всех этих фокусах с инфляцией один вопрос: откуда вообще взялась вся энергия? Каким образом микроскопически крошечная область смогла стать областью размером с сегодняшнюю Вселенную, где хватает и вещества, и излучения для всего, что мы видим?
Можно задать и более общий вопрос: каким образом сохраняется плотность энергии в расширяющейся Вселенной с космологической постоянной, или, что то же самое, с энергией ложного вакуума? Ведь в такой Вселенной пространство расширяется экспоненциально, так что если плотность энергии остается прежней, полная энергия в пределах любой области будет расти с ростом объема этой области. А как же закон сохранения энергии?
Перед нами пример того, что Гут назвал «бесплатным обедом» по высшему разряду. Если при размышлениях о Вселенной учитывать воздействие гравитации, получается, что у объектов, как ни поразительно, есть не только «положительная», но и «отрицательная» энергия. Эта особенность гравитации допускает, что все, что наделено положительной энергией, вроде вещества и излучения, может уравновешиваться конфигурациями с отрицательной энергией. При этом гравитация может начинать и с пустой Вселенной – и привести ко Вселенной, полной всякой всячины.
Все это на первый взгляд как-то неправдоподобно, но именно в этом для многих из нас заключается настоящее чудо плоской Вселенной. Ну и, кроме того, вы все это проходили на уроках физики в школе.
Представьте себе, что вы подбросили мячик. Обычно он после этого падает. Теперь подбросьте его сильнее (предположим, вы на улице). Он улетит выше и останется в воздухе дольше, но потом все равно вернется. Наконец, если вы запустите мячик очень сильно, он вообще не упадет: вырвется из гравитационного поля Земли и улетит в космос.
Как нам узнать, в каком случае мячик улетит? Мы делаем простой бухгалтерский баланс энергии. Движущееся в гравитационном поле Земли тело обладает энергией двух типов. Первая, энергия движения, называется кинетической энергией – от греческого слова, которое означает «движение». Это энергия, которая зависит от скорости тела, и она всегда положительна. Второй компонент – потенциальная энергия (она связана с потенциалом совершать работу) – обычно отрицательна.
Дело обстоит так потому, что общую гравитационную энергию объекта, находящегося в покое на бесконечно далеком расстоянии от любых других тел, мы определяем как нулевую, и это вроде бы логично. Кинетическая энергия, очевидно, равна нулю, а потенциальную мы определяем как равную нулю, вот и получается, что общая гравитационная энергия равна нулю.
А вот если тело расположено не на бесконечном расстоянии от любых других тел, а близко к какому-то объекту, например к Земле, оно начнет падать на него из-за гравитационного притяжения. В падении тело ускоряется, и если по пути оно во что-то врежется, скажем вам в голову, то совершит какую-то работу, скажем раскроит череп. Чем ближе тело находилось к поверхности Земли в момент начала падения, тем меньше работы оно может совершить к тому времени, как ударится о Землю. Таким образом, потенциальная энергия тела при приближении к Земле становится меньше. Однако если потенциальная энергия равна нулю на бесконечном расстоянии от Земли, то чем ближе она к Земле, тем отрицательнее должна становиться, поскольку ее потенциал совершать работу уменьшается по мере приближения.
В классической механике, как я и описываю, определение потенциальной энергии произвольно. Я мог бы принять равной нулю потенциальную энергию тела на поверхности Земли, и тогда на бесконечно далеком расстоянии она бы стремилась к какому-то очень большому числу. Решение приравнять к нулю общую энергию на бесконечности имеет физический смысл, однако это всего лишь вопрос договоренности, по крайней мере на нынешнем этапе нашего повествования.
Вне зависимости от того, где мы назначим точку нуля потенциальной энергии, у всех тел, подверженных только силе гравитации, есть одно чудесное свойство: сумма их потенциальной и кинетической энергии остается постоянной. При падении тела потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию движения, а когда тело отскакивает от Земли, кинетическая энергия переходит в потенциальную, и т. д.
Это дает нам восхитительный бухгалтерский инструмент, позволяющий определять, с какой скоростью нужно запустить тело в воздух, чтобы оно улетело от Земли, поскольку, если оно в конечном итоге должно уйти на бесконечное расстояние от Земли, его общая энергия должна быть больше или равна нулю. Тогда мне остается просто сделать так, чтобы полная гравитационная энергия тела в момент, когда оно оторвется от моей руки, была больше или равна нулю. Поскольку я контролирую только одну составляющую полной энергии – скорость, с которой тело оторвется от моей руки, мне нужно всего-навсего рассчитать ту волшебную скорость, при которой положительная кинетическая энергия мяча равняется отрицательной потенциальной энергии, которую дает ему притяжение на поверхности Земли. И кинетическая, и потенциальная энергия мяча одинаковым образом зависят от массы мяча, которая, таким образом, сокращается при приравнивании этих двух величин, поэтому «скорость убегания» от земной поверхности, она же вторая космическая скорость, для всех тел в природе одинакова и составляет около 11 км/с. Как раз в этом случае полная гравитационная энергия тела в точности равна нулю.
