Тут вы вправе задать вопрос, какое все это имеет отношение ко Вселенной в целом и к инфляции в частности. Дело в том, что расчеты для мячика, который я бросаю рукой у земной поверхности, применимы к любому телу, любому объекту в нашей расширяющейся Вселенной.
Рассмотрим сферическую область Вселенной с центром там, где находимся мы с вами (в галактике Млечный Путь), такого размера, чтобы в нее входило достаточно много галактик, но не слишком большую, чтобы она вполне укладывалась в пределы расстояний, на которых мы можем сегодня вести наблюдения.
Если эта область достаточно велика, но не слишком огромна, то галактики на ее краю будут равномерно удаляться от нас в соответствии с хаббловским расширением со скоростью, гораздо меньшей скорости света. В этом случае к ним применимы законы Ньютона, а эффектами общей и специальной теории относительности можно пренебречь. Иначе говоря, каждый объект подчиняется точно таким же законам физики, что и мячик, который я пытаюсь зашвырнуть в космос.
Рассмотрим галактику, которая движется от центра выбранной области, как изображено на рисунке. Как и в случае с мячиком, который бросают с Земли, можно задаться вопросом, сумеет ли галактика преодолеть гравитацию всех остальных галактик в сфере. Чтобы получить ответ, нам надо проделать те же самые вычисления, что и для мячика. Мы попросту подсчитываем полную гравитационную энергию галактики, учитывая ее движение наружу (что дает положительную энергию), и гравитационное притяжение ее соседок (что дает отрицательное слагаемое энергии).
Если полная энергия галактики больше нуля, она умчится в бесконечность, а если меньше, остановится и начнет падать внутрь сферы.
И вот что интересно: вполне можно переписать простую формулу Ньютона для полной гравитационной энергии этой галактики таким образом, что она в точности повторит уравнение Эйнштейна из ОТО для расширяющейся Вселенной. Тот член уравнения, который соответствует полной гравитационной энергии галактики, в ОТО становится членом, который описывает кривизну Вселенной.
Так что же мы тогда найдем? В плоской Вселенной, и только в ней, суммарная средняя ньютоновская энергия гравитации каждого объекта, который движется в рамках расширения Вселенной, в точности равна нулю!
Именно поэтому плоская Вселенная – совершенно особый случай. В такой Вселенной положительная энергия движения в точности уравновешена отрицательной энергией гравитационного притяжения.
Если мы начнем все усложнять и допустим, что пустое пространство обладает энергией, то простая ньютоновская аналогия с подбрасыванием мячика в воздух становится некорректной, но вывод остается, в сущности, прежним. В плоской Вселенной, даже если в ней есть небольшая космологическая постоянная, на масштабе, который достаточно мал, чтобы скорости оставались гораздо меньшими скорости света, Ньютонова гравитационная энергия, связанная с каждым телом во Вселенной, равна нулю.
Более того, в присутствии энергии вакуума «бесплатный обед» Алана Гута становится еще вкуснее. По мере того как каждая область Вселенной расширяется и набирает объем, она становится все более и более плоской, поэтому полная Ньютонова гравитационная энергия всего, что получится после того, как энергия вакуума в процессе инфляции преобразуется в вещество и излучение, в точности равна нулю.
Но вы все равно имеете полное право спросить: откуда берется вся энергия, благодаря которой плотность энергии остается постоянной в процессе инфляции, когда Вселенная расширяется экспоненциально? Тут на помощь приходит еще одна интересная особенность ОТО. Отрицательной может быть не только гравитационная энергия объектов, но и их релятивистское «давление».
Вообразить отрицательное давление даже труднее, чем отрицательную энергию. Газ – скажем, в воздушном шаре – давит на стенки шара. Если он расширяет стенки шара, то совершает над ним работу. Эта работа заставляет газ терять энергию и охлаждаться. Однако оказывается, что энергия пустого пространства потому и имеет вид гравитационного отталкивания, что заставляет пустое пространство иметь «отрицательное» давление. В результате отрицательного давления Вселенная при расширении совершает работу над пустым пространством. Эта работа позволяет поддерживать постоянную плотность энергии даже при расширении Вселенной.
Таким образом, если квантовые свойства вещества и излучения в конечном итоге обеспечили энергией даже самые крошечные области пустого пространства на самых ранних этапах существования Вселенной, эти области, расширяясь, могли стать сколь угодно большими и сколь угодно плоскими. Когда инфляция заканчивается, может получиться Вселенная, набитая всякой всячиной (веществом и излучением), причем общая Ньютонова гравитационная энергия этой всячины будет так близка к нулю, что ближе и представить себе невозможно.
Так что в сухом остатке после целого столетия проб и ошибок мы измерили кривизну Вселенной и обнаружили, что она равна нулю. Можно понять, почему так много физиков-теоретиков вроде меня поняли, что это повод не только для радости, но и для серьезных размышлений.
Значит, все-таки Вселенная из Ничего…
Глава 7
Наше печальное будущее
Будущее теперь уже не то, что раньше.
БЕЙСБОЛИСТ ЙОГИ БЕРРА
В каком-то смысле обнаружить, что живешь во Вселенной, где всем правит ничто, интересно и восхитительно. Структуры, которые мы видим, вроде звезд и галактик, возникли из ничего в результате квантовых флуктуаций. В среднем полная ньютоновская гравитационная энергия каждого объекта во Вселенной равна – ничему. Наслаждайтесь этой мыслью, пока есть возможность, поскольку, если все это правда, мы живем чуть ли не в самой худшей из вселенных, по крайней мере с точки зрения будущего всех живых организмов.
Вспомним, что всего 100 лет назад Эйнштейн разработал ОТО. Тогда все считали, что наша Вселенная неизменна и вечна. Более того, Эйнштейн не просто высмеял Леметра за предположение о Большом взрыве, но даже выдумал космологическую постоянную, лишь бы сохранить стационарную модель Вселенной.
Сейчас, по прошествии века, мы, ученые, можем гордиться, что открыли столько фундаментального – и расширение Вселенной, и реликтовое излучение, и темное вещество, и темную энергию.
Но что таит в себе будущее?
А будущее наше очень поэтично. Если можно так выразиться.
Вспомним: вывод о том, что в расширении нашей Вселенной доминирует энергия пустого на первый взгляд пространства, делается на основании того факта, что расширение происходит с ускорением. И, как и ранее обстояло с инфляцией и как описано в предыдущей главе, наша наблюдаемая Вселенная стоит на пороге расширения со скоростью больше скорости света. А со временем из-за расширения с ускорением все станет только хуже.
Это означает, что чем дольше мы будем ждать, тем меньше сможем видеть. Галактики, которые мы видим сейчас, в один прекрасный день начнут удалятся от нас со сверхсветовой скоростью, а это значит, что они станут для нас невидимыми: свет, который они испускают, не сможет преодолеть расширяющееся пространство и никогда до нас не долетит. Эти галактики исчезнут с нашего горизонта.
