Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Но поскольку все теоремы основаны на неких допущениях, то, предположительно, при существовании мощной отталкивающей силы сингулярности Большого взрыва можно было бы избежать. Космологическая постоянная, или темная энергия, заставляет галактики быстрее отдаляться друг от друга, обеспечивая как раз ту силу отталкивания, которая нужна, чтобы избежать сингулярности. В таком случае наш главный вопрос будет заключаться в том, насколько велика должна быть космологическая постоянная, чтобы вызвать Большое сжатие, но при этом не быть замеченной при астрономических наблюдениях – и должна ли она в действительности быть постоянной?
Например, предположим, что расширению нашей Вселенной предшествовало тотальное сжатие, или коллапс. Поскольку фаза сжатия должна была сопровождаться повышением температуры CMBR, мы можем говорить о том, что космологическая постоянная должна была быть достаточно велика, чтобы отбросить Вселенную до того, как температура в ней достигнет миллиарда градусов – то есть за три минуты до Большого взрыва. В любом случае после отскока – то есть взрыва – невозможен был бы первичный нуклеосинтез. Следовательно, не могли бы появиться и легкие изотопы, если только они не существовали в своем нынешнем количестве еще до нуклеосинтеза. Кроме того, настолько большая космологическая постоянная заставила бы Вселенную расширяться так быстро, что галактики в ней просто не смогли бы сформироваться. Выходит, что добавление простой космологической постоянной не может избавить модель Фридмана от проблемы сингулярности.
Итак, вся хитрость состоит в том, чтобы найти нечто похожее на космологическую постоянную в момент возникновения Вселенной. Это «нечто» может напоминать потенциальную энергию с диаграммы на рис. 18 – главное, что оно должно исчезнуть прежде, чем вызовет хаос. На этот счет было выдвинуто множество предложений, причем каждое из них имело свои особенности и причины, на которых мы не будем останавливаться подробно. Хочется думать, что Большое сжатие произошло до того, как Вселенная коллапсировала до планковского размера – 10-33см, о чем было сказано в главе 12. Полный коллапс должен был произойти на отрезке времени, также именуемом планковским, то есть за 10-43 доли секунды до Большого взрыва.
Планковская длина и планковское время являют собой ту черту, за которой физика в известном нам виде заканчивается: меньшая длина и меньшее время просто ломают общепринятые представления о пространстве и времени. Кроме того, если мы хотим описать сингулярность и как-то с ней разобраться, нам, видимо, не удастся сделать это без теории квантовой гравитации. Квантовая механика действительно может порождать отталкивающие силы, но, как было сказано, мы еще не успели разработать теорию квантовой гравитации. С другой стороны, если сжатие началось задолго до того, как планковские величины были достигнуты, нам просто незачем обращаться к квантовой механике. В таком случае мы можем целиком положиться на классическую механику, в существовании которой нам точно не приходится сомневаться.
* * *
В последнее десятилетие некоторым авторам теорий коллапсирующей Вселенной удалось это учесть. Так же как инфляционная теория, они обращаются к новому полю, которое напоминает космологическую постоянную и вызывает сжатие и расширение. Отличие состоит в том, что, согласно этим теориям, тот самый благословенный отскок происходит примерно через 10-35 секунды после Большого взрыва. Это довольно долгий промежуток, по представлениям физиков, предшествующий эре Планка; он предваряет и эру ТВО, в противном случае классическая механика была бы вполне адекватным инструментом.
Возможно, вы спросите, могут ли подобные модели справиться с космологическими проблемами, ради решения которых и была разработана инфляционная теория. Некоторые могут, причем делают это одинаково.
Чтобы объяснить, как им это удается, я должен буду признаться, что краткое объяснение того, как инфляционная модель справляется с проблемой плоскостности (что Вселенная просто раздулась на 27 порядков в мгновение ока, чтобы казаться плоской, как я утверждал в главе 11), – неправда (даже несмотря на то, что ее повсеместно повторяют космологи). Когда мы стоим на пляже и смотрим на океан, Земля кажется нам плоской именно потому, что горизонт находится лишь в нескольких километрах от нас – расстояние, сильно уступающее размеру Земли. Но если бы мы стояли на вершине горы, чья высота сравнима с радиусом Земли, мы бы отчетливо обозревали кривизну Вселенной.
Таким образом, плоскостность относительна, и расстояние, отделяющее нас от горизонта, всегда нужно сравнивать с размером Земли. Если горизонт много меньше радиуса Земли, Земля кажется нам плоской. Равным образом в сжимающемся космосе горизонт всегда будет сужаться быстрее, чем Вселенная, из-за чего Вселенная выглядит даже более плоской, чем перед Большим взрывом.
То же самое справедливо и в отношении теорий Большого отскока. Вселенная в момент Большого сжатия будет казаться нам все более и более плоской, ведь обозреваемые нами расстояния также будут становиться все меньше и меньше. Этот маленький, плоский кусочек пространства-времени и станет нашей Вселенной после отскока.
Проблема горизонта решается соответствующим образом. Если представить Вселенную в далеком прошлом, когда она начала сжиматься еще в предыдущем цикле, все ее составляющие должны были быть способны взаимодействовать друг с другом, потому что находились в пределах космологического горизонта. По мере того как Вселенная сжималась перед коллапсом, горизонт сжимался все быстрее, и ограниченный им маленький участок становился новой Вселенной после резкого скачка, как он делал в теории инфляции. А поскольку все частицы внутри этого небольшого клочка пространства-времени взаимодействовали еще до момента отскока, получается, что проблемы горизонта больше не существует.
В современных теориях Большого отскока поражает одна особенность – чтобы вышеописанные проблемы решались, сжатие должно происходить очень медленно, при этом фаза сжатия не обязательно будет отражением фазы расширения. В некоторых моделях Вселенная даже не обязательно должна сжиматься. Более того, как было вскользь упомянуто в предыдущей главе, экспоненциальное расширение не единственный механизм, способный создавать спектр Land O’Lakes у реликтового излучения. С точки зрения математики медленное сжатие некоторых моделей делает абсолютно то же самое.
Также не стоит забывать, что предсказанные инфляционной моделью, но не обнаруженные гравитационные волны, предположительно должны были возникнуть в результате флуктуаций, появившихся в эпоху квантовой гравитации. Но поскольку в теориях Большого отскока эта эпоха не предусматривается, то и первичных гравитационных волн в них тоже нет. Множественность вселенных, этот непослушный отпрыск квантовых флуктуаций, также не находит себе места в теориях Большого отскока.
В настоящее время гипотезы отскакивающих, или циклических, вселенных служат темой активных научных исследований. Тем не менее история учит нас, что активные области исследований могут быть оставлены и забыты в мгновение ока. Впрочем, пока еще рано
