Книга Вечность. В поисках окончательной теории времени - Шон Кэрролл

Теории великого объединения (Grand Unifed Teories, GUT) представляют собой попытку унифицированного объяснения всех сил природы, за исключением гравитации. Они завоевали большую популярность в 1970-х годах как благодаря присущей им простоте, так и за счет весьма интригующего предсказания, согласно которому протон, непоколебимая элементарная частица, которая (совместно с электроном и нейтроном) формирует основу для всей окружающей нас материи, в конце концов распадается на более легкие частицы. Для поиска доказательств протонного радиоактивного распада были построены гигантские лаборатории, но пока никаких свидетельств этого явления обнаружено не было. Это не означает, что теории великого объединения неверны; они все еще довольно популярны, но неудача с обнаружением протонного распада заставила физиков погрузиться в сомнения относительно того, каким же образом эти теории могут быть проверены.

Также теории великого объединения предсказали существование нового типа частиц — магнитного монополя. Обычные заряженные частицы — это электрические монополи, то есть они несут либо положительный заряд, либо отрицательный, и на этом история заканчивается. Никому еще не удалось обнаружить изолированный «магнитный заряд» в природе. Магниты, как мы их знаем, всегда остаются диполями: у них есть северный и южный полюсы. Разрежьте магнит пополам между полюсами, и в месте разреза появятся два новых полюса. Насколько можно судить по результатам экспериментов, поиск изолированного магнитного полюса — монополя — это практически то же самое, что поиск фрагмента струны только с одним концом.

Однако, согласно теориям великого объединения, монополи должны быть реальными. В конце 1970-х годов люди осознали, что можно просто сесть и подсчитать число монополей, которые должны быть рождены в результате Большого взрыва. И ответ оказался таков: их слишком много. Общая масса монополей, согласно этим расчетам, должна оказаться намного выше общей массы обычных протонов, нейтронов и электронов. Магнитные монополи должны постоянно пролетать сквозь ваше тело.

Конечно же, из этой затруднительной ситуации можно выпутаться довольно простым способом, заявив, что теории великого объединения ошибочны. И это может быть верным ответом. Но Гут, размышляя над данной проблемой, наткнулся на куда более интересную идею: инфляцию.

Инфляция

Темная энергия — источник плотности энергии, остающейся практически (или точно) постоянной на всем протяжении пространства и времени, не разреживаясь по мере расширения Вселенной, — заставляет Вселенную ускоряться, постоянно подталкивая расширение. Мы полагаем, что большая часть энергии во Вселенной — от 70 до 75 % общей энергии — в настоящее время пребывает в форме темной энергии. Но в прошлом, когда плотность материи и излучения была выше, темная энергия, обладавшая, судя по всему, примерно такой же плотностью, как и сегодня, играла относительно незначительную роль.

Теперь вообразите, что в какой-то другой период жизни очень ранней Вселенной существовала темная энергия с еще большей плотностью энергии. Назовем эту необычайно плотную темную энергию «темной суперэнергией».[266] Она доминировала во Вселенной и заставляла пространство ускоряться в колоссальном темпе. Затем — по причинам, которые будут названы позже, — эта темная суперэнергия внезапно распалась на материю и излучение, а те в свою очередь сформировали горячую плазму, из которой, по нашим представлениям, состояла ранняя Вселенная. Распад оказался почти полным, но все же относительно небольшая плотность темной энергии сохранилась, и в последнее время этот остаток начал существенно влиять на динамику Вселенной.

Таков сценарий инфляции. По сути, инфляция начинается в крохотной области пространства и раздувает ее до невероятных размеров. Возможно, вы задаетесь вопросом, почему это так важно: что такого необычного во временной фазе темной суперэнергии, если она просто-напросто распадается на материю и излучение? Популярность инфляционной идеи объясняется тем, что она аналогична исповеди — полностью стирает все прошлые грехи.

Рис. 14.3. Инфляция начинается в крохотном участке пространства и быстро расширяет его до громадных размеров. На этом рисунке масштаб абсолютно не соблюден; инфляция происходит за ничтожно малую долю секунды и растягивает пространство более чем в 1026 раз.

Вернемся к проблеме монополей. Если теории великого объединения верны, то монополи возникают в огромном количестве в самый ранний период жизни Вселенной. Итак, представим себе, что инфляция происходит довольно рано, но все же после возникновения монополей. В этом случае, если инфляция продолжается достаточно долго, пространство увеличивается до такого невероятного размера, что концентрация монополей уменьшается практически до нуля. При условии, что распад темной суперэнергии на материю и излучение не порождает дополнительных монополей (а этого не произойдет, если процесс не слишком энергетически эффективный), вуаля! — никакой проблемы монополей не остается.

То же самое и с кривизной пространства. По сути, проблема состояла в том, что кривизна падает намного медленнее, чем разреживаются материя и излучение, поэтому если хоть какая-то кривизна существовала в ранний период, она была бы хорошо заметна сегодня. Но темная энергия разреживается еще медленнее, чем кривизна, — на самом деле ее плотность вообще почти не уменьшается. Так что опять мы заключаем, что если инфляция займет достаточно много времени, то кривизна успеет уменьшиться почти до нуля, прежде чем материя и излучение будут заново созданы в процессе распада темной суперэнергии. Никакой больше проблемы плоскостности.

Вы понимаете, почему инфляционная идея так взволновала Гута. Он размышлял о проблеме монополей, но с другой точки зрения — пытаясь не решить ее, а использовать в качестве аргумента против теорий великого объединения. В своей исходной работе, посвященной данной проблеме и написанной в соавторстве с физиком из Корнелльского университета Генри Таем, он вообще проигнорировал возможную роль темной энергии и заключил, что решить проблему монополей чрезвычайно сложно. Однако стоило Гуту как следует задуматься о возможных эффектах раннего периода доминирования темной энергии, как решение проблемы монополей упало к нему в руки в готовом виде, — одно это заслуживает рамочки, по крайней мере одинарной.

Необходимость добавить вторую рамочку стала очевидной, когда Гут понял, что данная идея также способна решить проблему плоскостности, о которой он до этого даже не думал. Совершенно случайно чуть раньше Гут посетил лекцию физика из Принстонского университета Роберта Дике, одного из первых ученых, занявшихся исследованием космического микроволнового фонового излучения. В своей лекции, прочитанной в Корнелльском университете в рамках мероприятия под названием «день Эйнштейна», Дике упомянул о нескольких невыясненных вопросах традиционной космологической модели. Одним из них была проблема плоскостности, которая врезалась в память Гуту, несмотря на то что его исследования в то время не были особо связаны с космологией.