Как я упоминал в самом начале книги, на заре своей истории мы уже создавали мифы о происхождении Вселенной. Сегодня физика сорвала покров тайны с этого вопроса. Но была ли какая-то причина, вызвавшая Большой взрыв? Существовал ли какой-то фактор, послуживший спусковым крючком для рождения нашей Вселенной?

Самый простой ответ состоит в том, что до Большого взрыва ничего не было, поскольку именно он и отметил рождение пространства и времени. Стивен Хокинг и Джеймс Хартл выдвинули гипотезу об отсутствии границ, согласно которой по мере нашего продвижения назад, в сторону Большого взрыва, время будет терять свой смысл и превращаться во что-то похожее на пространственное измерение. Таким образом, в точке начала Вселенной мы получаем гладкое четырехмерное пространство. Поэтому бессмысленно спрашивать, что произошло до Большого взрыва, точно так же, как бессмысленно спрашивать, какая точка на поверхности Земли лежит южнее Южного полюса.

Одной модели Большого взрыва недостаточно, чтобы объяснить структуру Вселенной, как мы ее видим сегодня. В частности, полвека назад космологи столкнулись с двумя озадачившими их проблемами. Первую назвали проблемой плоского пространства-времени. Это еще один вопрос тонкой настройки, относящийся к плотности материи и энергии во Вселенной, которая, видимо, имеет как раз нужное значение, чтобы сделать пространство почти совершенно плоским.Вторую называют проблемой горизонта. То, что мы можем рассмотреть в космосе, составляет, вероятно, лишь крошечную долю всей Вселенной, поскольку существует горизонт, за который нам не заглянуть. Этот горизонт является границей того, что известно как видимая Вселенная. Он существует потому, что Вселенная не вечна, а свету нужно время, чтобы до нас добраться. Дополнительная трудность в том, что Вселенная расширяется, и на определенном удалении пространство расширяется быстрее, чем проходящий через него свет (это как подниматься наверх по быстро движущемуся вниз эскалатору).

Представьте себе галактику на одном краю видимой Вселенной и другую галактику – на противоположном краю. Из-за расширения Вселенной ни одно мыслящее существо, живущее в любой из этих галактик, не имеет ни малейшего понятия о существовании другой, поскольку свет от одной еще не достиг другой галактики, да и никогда до нее не дойдет. По сути, те области пространства, в которых находятся наши две галактики, никогда не смогут вступить в контакт или обмениваться информацией. Но почему это проблема? Потому, что, куда бы мы ни посмотрели и как бы далеко ни заглянули, Вселенная везде одинакова. Обе галактики кажутся одинаковыми – во всяком случае, нам, находящимся между ними, – с точки зрения их физических характеристик, состава и структуры материи. Как же так может быть, если в прошлом они никогда не контактировали между собой?

Чтобы найти решение этих двух проблем – плоского пространства-времени и горизонта, 40 лет назад была выдвинута концепция космической инфляции. Вот ее суть: когда от момента рождения Вселенной прошли какие-то доли секунды, она испытала короткий период экспоненциального расширения, обусловленного еще одним квантовым полем – инфляционным. В течение этого периода она расширялась с неимоверной скоростью, достигнув размеров в триллионы и триллионы раз больше первоначальных. Это решает проблему тонкой настройки плотности, порождающей плоское пространство-время, которое мы наблюдаем сегодня, поскольку малейшее искривление подверглось растяжению вследствие инфляции.

То, как инфляция помогает решить проблему горизонта, – еще интереснее. Обычное объяснение таково: отдаленные друг от друга участки Вселенной, которые, по-видимому, никогда не имели возможности контактировать друг с другом и, таким образом, синхронизировать свои физические свойства, первоначально были в контакте, однако инфляция привела к такому стремительному расширению пространства, что теперь кажется, что они слишком далеки друг от друга, чтобы между ними когда-либо могли существовать причинно-следственные связи.

Я сказал, что это обычное объяснение, однако, если задуматься, есть два момента, которые кажутся сомнительными, когда мы называем инфляцию стремительным расширением. Во-первых, для того, чтобы удаленные друг от друга части Вселенной могли обмениваться информацией, когда они были ближе, требовалось бы, чтобы они оставались рядом более продолжительное время, а не разлетелись с немыслимой скоростью. Во-вторых, когда в математике что-то характеризуется как экспоненциальное, имеется в виду, что сначала происходят медленные изменения, которые затем ускоряются (и кривая стремится наверх все быстрее). Именно таким образом лучше всего представлять себе первоначальную инфляцию Вселенной. Она началась медленно, а затем ускорилась. Далее в какой-то момент эта экспоненциальная инфляция уступила место тому, что называется степенным законом, когда вместо того, чтобы ускоряться, расширение Вселенной стало опять замедляться – и это до того момента, когда темная энергия ворвалась в формирование Вселенной и снова ускорила ее расширение.

Наверное, вам непонятно, что делает теорию инфляции столь привлекательной и как она должна работать. Поэтому давайте посвятим некоторое время тому, чтобы раскрыть ее содержание.

Чтобы понять, как работает инфляция, надо понимать различие между положительным и отрицательным давлением. Представьте себе, что в руках у вас надутый шарик. Если вы сожмете шарик, вы затратите некоторую энергию на то, чтобы уменьшить объем воздуха в шаре, увеличив тем самым его плотность, причем эта энергия перейдет к молекулам воздуха. Теперь представьте себе противоположный процесс: отпустите шарик так, чтобы он снова расширился до своего первоначального размера, а плотность воздуха внутри шара уменьшилась. Теперь энергия молекул воздуха тоже должна упасть до своего первоначального уровня.Таким образом, когда объем воздуха внутри шара увеличивается, его энергия уменьшается. Так обстоят дела с нормальным, положительным давлением: по мере роста объема энергия падает.

Но что, если наполнить шарик необычным веществом, которое ведет себя противоположным образом? Что, если при увеличении объема его энергия не падала бы, а оставалась прежней и количество энергии на единицу объема оставалось бы прежним, так что общий уровень энергии возрастал бы? Это мы и имеем в виду, когда говорим об отрицательном давлении: уровень энергии шарика повышается не при сжатии, а при увеличении объема. Самый яркий пример тому из обычной жизни – резиновая лента: растягивая ее, вы увеличиваете ее энергию.

Именно это и происходит с инфляционным полем в космическом пространстве: оно похоже на резиновую ленту и обладает тем же свойством – каждый раз, когда объем пространства увеличивается вдвое, его общая энергия тоже удваивается, чтобы сохранить постоянную плотность поля. Так что инфляционное поле обеспечивает Вселенную энергией точно так же, как вы сообщаете энергию резиновой ленте, когда ее растягиваете.

Здесь вы должны задать два вопроса. Во-первых, почему инфляционное поле вызывает расширение космического пространства? Ведь резиновая лента не растягивается сама по себе. И во-вторых, откуда берется энергия, которую генерирует инфляционное поле? На оба вопроса можно найти непростые, но логически обоснованные ответы, и кроются они, как вы понимаете, в уравнениях общей теории относительности.

Полевые уравнения Эйнштейна говорят о том, что, кроме массы и энергии, гравитация может быть связана с давлением. Поэтому молекулы воздуха в шарике, находящиеся под положительным давлением, порождают нормальную силу притяжения, а вещество с отрицательным давлением вызовет противоположный эффект – антигравитацию, которая будет приводить к расширению, а не к сжатию. Инфляционное поле обладает тем свойством, что отталкивающий эффект его отрицательного давления (антигравитации) сильнее, чем нормальное притяжение, вызываемое его энергией, и это вызывает расширение космического пространства нарастающими темпами.

Что касается того, откуда изначально взялась энергия инфляционного поля, то она заимствуется из его собственного гравитационного поля. Вспомните о мячике на макушке холма: он обладает запасом потенциальной энергии, которая при скатывании вниз превращается в кинетическую. Однако мячик, скатившийся с горы, не обладает потенциальной энергией, тогда как мячик, упавший в яму, обладает отрицательной потенциальной энергией (поскольку для того, чтобы поднять его на поверхность, требуется некоторая энергия). Похоже на то, что наша Вселенная началась с отсутствия какого-либо пространства или энергии, а квантовые колебания заставили ее спуститься по гравитационному «склону». Двигаясь вниз, она накапливала положительную энергию, которая по мере спуска на гравитационную равнину компенсировалась увеличением отрицательной потенциальной гравитационной энергии (рис. 5). Космологи называют это «Вселенная как бесплатный обед», то есть нечто, возникшее из ничего. Это очень остроумный ответ на вопрос о том, откуда изначально взялись материя и энергия.

Рис. 5. Инфляция – Вселенная накопила положительную энергию (из которой образовалась материя), «скатываясь» с гравитационного «склона» потенциальной энергии, в то же время расширяя свой объем

Другой способ понять, почему гравитационная энергия является отрицательной, иллюстрируется следующим примером: начните с двух масс, находящихся на бесконечном расстоянии друг от друга, между которыми гравитационная энергия равняется нулю. По мере приближения друг к другу они постепенно наращивают гравитационное притяжение, однако эта гравитационная энергия является отрицательной в том смысле, что для того, чтобы их растащить и вернуть к изначальному нулевому энергетическому уровню, вам пришлось бы затратить положительную энергию.

Когда инфляция закончилась, энергия инфляционного поля преобразовалась в нормальную энергию, которая конденсировалась во всю материю, присутствующую вокруг нас. Все вещество Вселенной было создано из энергии, заимствованной у гравитационного поля – важнейшего фактора в создании Вселенной.

Однако то, что инфляционная теория помогает решить эти космологические проблемы, еще не значит, что она верна. Хотя большинство космологов поддерживают эту теорию, есть и такие, кто с ней не согласен, кроме того, остаются и некоторые непростые вопросы, на которые ответов еще нет. Одним из критиков инфляционной теории является давний соратник Стивена Хокинга Роджер Пенроуз. Вместо инфляции Пенроуз предложил свою собственную модель под названием «конформационная циклическая космология», согласно которой Вселенная проходит через бесконечное количество эпох, причем каждая начинается с фазы, напоминающей Большой взрыв. В конце каждого цикла, после того как испаряются даже черные дыры, остается только тепловое излучение. И это, предполагает Пенроуз, похоже на ровное высокоэнергетическое излучение, которое заполнило бы Вселенную сразу после Большого взрыва, а после установления сложной связи между низкой энтропией первоначальной Вселенной и высокой энтропией в конце (ибо ничто не избежит действия второго закона термодинамики) можно присоединить конец одного эона (эры) к другому и увидеть, как все снова начинается с Большого взрыва. Достаточно сказать, что это предположение еще более противоречиво, чем теория инфляции.

Поскольку мы уже далеко залезли в область предположений, зачем останавливаться? В настоящий момент в космологии пользуется популярностью идея вечной инфляции. Согласно этому сценарию, наша Вселенная – просто маленький пузырь в бесконечном пространстве более высокоуровневых измерений, известном как Мультивселенная, которая вечно подвергается инфляции. Тогда Большой взрыв, который создал нашу Вселенную, являлся лишь квантовым колебанием, произошедшим 13,82 миллиарда лет назад. Благодаря этому в вечно расширяющемся пространстве образовался наш пузырь. Пространство внутри него – наша Вселенная – перестало подвергаться инфляции, и расширение его замедлилось до более спокойных темпов, тогда как Мультивселенная снаружи продолжает подвергаться стремительной инфляции. Таким образом, вместо очень короткого периода инфляции, имевшего место после Большого взрыва, теперь наша ситуация изменилась на противоположную: Большой взрыв отмечает конец инфляции в нашей части Мультивселенной.

Более того, вечная инфляция говорит о том, что внутри Мультивселенной могут возникнуть и другие вселенные-пузыри – возможно, бесконечное их количество, – которые будут вечно существовать отдельно друг от друга и стремительно разбегаться из-за постоянно расширяющегося гравитационного поля.

У этой идеи есть еще одна положительная сторона, которую многие физики находят очень привлекательной. Я уже говорил, что физики не любят тонкой настройки, то есть отсутствия каких-либо основополагающих причин для того, чтобы некие физические величины имели именно те значения, которые они имеют. Это хорошо видно при взгляде на наши важнейшие константы: они имеют ровно те значения, которые позволяют существовать такой Вселенной, как наша. Если бы сила притяжения была чуть слабее, галактики и звезды никогда бы не сформировались, а если бы заряд электрона оказался чуть больше, атомы «обвалились» бы и сложная материя не могла бы существовать. Так вот, теория вечной инфляции Мультивселенной отвечает на вопрос: почему наша Вселенная так тонко настроена, что она подходит для существования звезд, планет и самой жизни? Ответ заключается в том, что возможно существование различных вселенных-пузырей, причем все будут подчиняться одним и тем же законам физики, но каждая будет иметь свой собственный набор фундаментальных физических констант. Просто так уж случилось, что мы находимся во Вселенной, абсолютно соответствующей требованиям возникновения жизни, и можем размышлять о том, как нам все-таки повезло.

Чтобы избежать путаницы, здесь я должен добавить, что эти вселенные-пузыри – совсем не то же самое, что параллельные реальности Мультивселенной в одной из интерпретаций квантовой механики, которые обязаны своим существованием различным результатам измерений квантового мира. Вселенные-пузыри в теории вечной инфляции – не параллельные, перекрывающие друг друга реальности; они совершенно не зависят друг от друга.

Рис. 6. Как бесконечное пространство может поместиться в конечном объеме? Два взгляда на нашу Вселенную: «снаружи» у нее всегда конечный объем. А для нас, в нашем пространстве-времени, ось пространства искривлена и направлена по оси времени в бесконечность. Нам же кажется, что все времена совпадают, что и дает нам ощущение бесконечного пространства

И, прежде чем пойти дальше, я хочу еще сказать вот что. Можно озадачиться вопросом, является ли наша Вселенная бесконечной по протяженности (хотя мы и не можем заглянуть за ее горизонт) – это ведь возможно. Тогда как же бесконечное пространство помещается внутри конечного пузыря, плавающего в Мультивселенной наряду с другими вселенными-пузырями? Ответ будет неожиданным: для нас, находящихся внутри, Вселенная может быть бесконечной по протяженности, но конечной во времени. Однако это только потому, что внутри нашего пузыря искаженное представление о пространстве и времени. «Снаружи» наша Вселенная оказалась бы конечной по размеру, но бесконечной во времени (рис. 6). Это очень точный (хотя, уж простите, концептуально непростой) способ понять, как бесконечное пространство может поместиться в конечном объеме.