Стівен Вільям Хокінг - Коротка історія часу

коли намагався побудувати статичну модель Всесвіту. А що Всесвіт вже розширювався, як у гарячій моделі Великого вибуху, відштовхувальний вплив космологічної константи привів би до розширення Всесвіту з усе більшою швидкістю. Навіть в областях з більшою, ніж у середньому, кількістю частинок матерії, гравітаційне притягання матерії буде менше за відштовхування ефективної космологічної константи. Тож такі області також будуть розширюватися з інфляційним пришвидшенням. В міру того як вони розширюватимуться і частинки матерії розходитимуться все далі одна від одної, залишимось з розширним Всесвітом, що майже не містить частинок і все ще перебуває в переохолодженому стані. Будь-які нерівномірності у Всесвіті були б просто згладжені розширенням, як розгладжуються зморшки на повітряній кулі, коли її надувати. Тож нинішній гладкий і однорідний стан Всесвіту міг розвинутися з багатьох різних неоднорідних початкових станів.

В такому Всесвіті, де розширення було пришвидшене космологічною константою, а не сповільнене гравітаційним притяганням матерії, не було б достатньо часу для світла, щоб потрапити від однієї області до іншої в ранньому Всесвіті. Це могло б забезпечити розв’язок проблеми, порушеної раніше, чому різні області раннього Всесвіту мають однакові властивості. Крім того, швидкість розширення Всесвіту автоматично стане дуже близькою до критичної, яка визначається густиною енергії у Всесвіті. Це, своєю чергою, може пояснити, чому швидкість розширення все ж така близька до критичної, без припущення, що початкову швидкість розширення Всесвіту дуже ретельно дібрано.

Ідея інфляції може також пояснити, чому у Всесвіті так багато матерії. Є десь близько десяти мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів (1 з вісімдесятьма нулями) частинок в області Всесвіту, що ми можемо спостерігати. Звідки вони всі взялися? Відповідь у тому, що в квантовій теорії частинки можуть створюватися з енергії у вигляді пар частинка-античастинка. Але це лише порушує питання, де береться ця енергія. Відповідь у тому, що загальна енергія Всесвіту дорівнює точно нулеві. Матерія у Всесвіті створена з позитивної енергії. Однак матерія — це все, що притягує себе гравітацією. Два шматочки матерії, що містяться поруч, мають меншу енергію, ніж ті, що, містяться на великій відстані, бо треба затратити енергію, щоб розвести їх проти гравітаційної сили, що стягує їх разом. Отже, в певному сенсі, гравітаційне поле має негативну енергію. У разі Всесвіту, що приблизно однорідний просторово, можна показати, що ця негативна гравітаційна енергія точно компенсує позитивну енергію, представлену матерією. Тож повна енергія Всесвіту дорівнює нулеві.

Далі, двічі нуль — теж нуль. Тому Всесвіт може подвоїти кількість позитивної енергії матерії і подвоїти негативну гравітаційну енергію, не порушуючи збереження енергії. Це не відбувається при нормальному розширенні Всесвіту, в якому густина енергії матерії знижується в міру збільшення Всесвіту. Однак це відбувається при інфляційному розширенні, бо густина енергії переохолодженого стану залишається сталою, тоді як Всесвіт розширюється: коли розмір Всесвіту подвоюється, позитивна енергія матерії і негативна енергія гравітації теж подвоюються, тож повна енергія залишається нульовою. Протягом інфляційної фази Всесвіт зростає до дуже великих розмірів. Тож загальна кількість енергії, доступної для утворення частинок, стає дуже великою. Як зазначив Ґут: «Кажуть, що безплатного сиру не буває, але Всесвіт — максимально можливий безплатний сир».

Сьогодні Всесвіт не розширюється інфляційно. Тож мусить бути якийсь механізм, що усуне дуже велику ефективну космологічну константу і так змінить швидкість розширення з пришвидшеного до такого, що сповільнюється гравітацією, як ми маємо сьогодні[26]. При інфляційному розширенні можна очікувати, що зрештою симетрія між силами буде порушена, так само як зрештою завжди замерзає переохолоджена вода. Зайва енергія стану з непорушеною симетрією тоді вивільниться і розігріє Всесвіт до температури лише трішки нижчої від критичної температури, потрібної для симетрії між силами. Всесвіт тоді продовжить розширюватися і охолоджуватися, як у моделі гарячого Великого вибуху, але тепер уже буде пояснення, чому Всесвіт розширюється точнісінько з критичною швидкістю і чому різні області мають однакову температуру.

У початковій Ґутовій пропозиції перехід фази мав відбутися раптово, як поява кристалів льоду в дуже холодній воді. Ідея полягала в тому, що «бульбашки» нової фази порушеної симетрії сформувалися б у старій фазі, так само як бульбашки пари в оточенні окропу. Бульбашки мали б розширятися і перетинатися одна з одною, аж поки весь Всесвіт не перейде в нову фазу. Але була тут трудність, яку зазначили я та ще декілька людей, що Всесвіт розширюється так швидко, що навіть якби бульбашки росли зі швидкістю світла, вони б віддалялися одна від одної і тому не могли б об’єднуватися. Всесвіт залишився б у дуже неоднорідному стані, й у деяких областях ще б залишалася симетрія між різними силами. Така модель Всесвіту не відповідала б тому, що ми бачимо.

У жовтні 1981 року я поїхав у Москву на конференцію з квантової гравітації. Після конференції я провів семінар з інфляційної моделі та її проблем в Державному астрономічному інституті ім. П. К. Штернберґа. Раніше мої лекції читав за мене хтось інший, бо більшість людей не могли зрозуміти мого голосу. Але в мене не було достатньо часу підготувати цей семінар, тому провів його сам, а один з моїх аспірантів повторював мої слова. Це непогано спрацювало і забезпечило набагато кращий зв’язок з моєю авдиторією. Серед слухачів був молодий росіянин Андрєй Лінде з Фізичного інституту ім. П. М. Лебедєва в Москві. Він сказав, що трудність з бульбашками, що не об’єднуються, можна обійти, якщо вони такі великі, що вся наша область Всесвіту міститься всередині однієї бульбашки. Щоб це спрацювало, перехід від симетрії до порушеної симетрії всередині бульбашки має відбуватися дуже повільно, але це цілком можливо відповідно до теорій великого об’єднання. Ідея Лінде повільного порушення симетрії була дуже добра, але пізніше я зрозумів, що його бульбашки мали б бути більші, ніж розмір самого Всесвіту в той момент! Натомість я показав, що симетрія була б порушена всюди одночасно, а не лише всередині бульбашок. Це привело б до однорідного Всесвіту, який ми спостерігаємо. Я був дуже схвильований цією ідеєю і обговорив її з одним зі своїх студентів, Іяном Мосом. Як друг Лінде, я був, однак, дещо збентежений, коли пізніше мені прислали його статтю для наукового журналу і запитали чи вона придатна для публікації. Я відповів, що є недолік з бульбашками, більшими за Всесвіт, але базова ідея з повільним порушенням симетрії дуже добра. Я порекомендував надрукувати статтю, як є, тому що в Лінде займе декілька місяців її виправити, бо все, що він відсилав на Захід мало проходити радянську цензуру, що була ані