Що вибухнуло, як вибухнуло і що стало причиною вибуху

З погляду інфляційної космології слід визнати, що Всесвіт дістався нам задарма.

Алан Гут

Цією нотаткою я починаю розміщувати тут уривки з чудової книжки Олександра Віленкіна Світ багатьох світів
Фізики в пошуках паралельних всесвітів.

Раніше я не зустрічався з Ґутом, але знав про те, як несподівано цей досі нікому не відомий учений раптом став знаменитістю. Усього місяцем раніше він належав до кочового племені «постдоків» — молодих дослідників, які перебиваються тимчасовими контрактами в надії колись відзначитися й осісти на постійній роботі в якомусь університеті. Для Ґута все складалося не найкращим чином: у свої 32 роки він був уже трохи застарий для цього молодого племені, а потік контрактних пропозицій уже починав потроху вичерпуватися. Саме тоді його й осяяла вдала думка, що змінила все навколо.

Ґут виявився невисоким рухливим молодим чоловіком, який за довгі роки «постдоківських» поневірянь анітрохи не втратив хлоп’ячого ентузіазму. Він одразу дав зрозуміти, що не намагається спростувати теорію Великого вибуху. У цьому не було потреби. Позиції цієї теорії були дуже міцними, а свідчення на її користь — дуже переконливими.

Найвагоміший аргумент — це розширення Всесвіту, відкрите в 1929 році Едвіном Габблом. Він виявив, що далекі галактики стрімко розлітаються від нас. Якщо простежити рух галактик назад у часі, то в певний момент у минулому всі вони зливаються докупи, що й свідчить про вибухове виникнення Всесвіту.

Іншим важливим підтвердженням Великого вибуху є космічне мікрохвильове випромінювання. Космос заповнений електромагнітними хвилями приблизно тієї самої частоти, що й у звичайних мікрохвильових печах. Інтенсивність цього випромінювання знижується в міру розширення Всесвіту, тож зараз ми спостерігаємо лише слабкий відблиск розжареної первісної вогняної кулі.

Теорія Великого вибуху допомагає космологам вивчати, як ця вогняна куля розширювалася й охолоджувалася, як виникали атомні ядра та як із безформних газових хмар виникали грандіозні спіралі галактик. Результати цих досліджень чудово узгоджувалися з астрономічними спостереженнями, і це практично не залишало сумнівів у тому, що теорія розвивається в правильному напрямку. Проте вона описувала лише наслідки Великого вибуху й нічого не говорила про нього самого — висловлюючись словами самого Ґута, «що «вибухнуло», як «вибухнуло» і що стало причиною «вибуху».

До того ж за ближчого розгляду Великий вибух виглядає вельми дивно. Уявіть собі шпильку, що стоїть на вістрі: найменший поштовх — і вона впаде. Так само і з Великим вибухом. Величезний світ навколо нас, повний галактик, утворюється лише за умови, що енергія первісного вибуху вивірена з неймовірною точністю. Мізерне відхилення призводить до космологічної катастрофи: або вогняна куля колапсує під дією власного тяжіння, або Всесвіт виявляється майже порожнім.

Космологія Великого вибуху просто постулює, що вогняна куля мала потрібні властивості. Серед фізиків переважала думка, згідно з якою наука може описати, як розвивався Всесвіт із заданої початкової конфігурації, але спроби з’ясувати, чому все почалося саме з цього конкретного стану, виходять за межі фізики. Питання, пов’язані з цим початковим станом, вважалися «філософією», що мовою фізиків означає марнування часу. Утім, ця думка не робила Великий вибух менш загадковим.

І ось тепер Ґут розповідав нам про те, що завісу таємниці, яка оточує Великий вибух, можна підняти. Нова теорія могла розкрити його природу й пояснити, чому первісна вогняна куля була так тонко налаштована. Аудиторія затихла. Усі були заінтриговані.

Нова теорія давала Великому вибуху надзвичайно просте пояснення: Всесвіт роздувався під дією гравітаційного відштовхування! Ключову роль у теорії відігравала гіпотетична надщільна матерія з украй незвичайними властивостями. Найбільш незвичайним серед них було те, що вона породжувала потужне відштовхувальне гравітаційне поле. Ґут припустив, що в ранньому Всесвіті була певна кількість такої матерії. Багато йому не потрібно було: достатньо було крихітного шматочка.

Рис. 1.1. Шматочок гравітаційно відштовхувальної матерії.

Внутрішнє гравітаційне відштовхування змусило б цей шматочок дуже швидко розширюватися. Якби він складався зі звичайної речовини, його густина падала б із розширенням, але дивна антигравітаційна матерія поводиться зовсім інакше: її друга ключова властивість полягає в незмінній густині, тож її загальна маса пропорційна об’єму, який вона займає. У міру зростання розмірів шматочка його маса збільшується, тож його відштовхувальна гравітація стає дедалі сильнішою і він дедалі швидше розширюється. Короткий період такого прискореного розширення, яке Ґут назвав інфляцією, може збільшити крихітний початковий шматочок до колосальних розмірів, більших за весь спостережуваний сьогодні Всесвіт.

Разюче зростання маси під час інфляції на перший погляд може здатися порушенням найфундаментальнішого закону природи — принципу збереження енергії. Згідно зі знаменитою формулою Ейнштейна E = mc² енергія пропорційна масі. (Тут E — енергія, m — маса, а c — швидкість світла.) Виходить, енергія шматка матерії, що роздувається, має зрости в колосальну кількість разів, тоді як закон збереження енергії вимагає, щоб вона залишалася сталою. Цей парадокс зникає, якщо врахувати внесок гравітації в енергію. Уже давно відомо, що гравітаційна енергія завжди від’ємна. Раніше це здавалося не таким уже й важливим, але тепер набуло воістину космічного значення. У той час як додатна енергія матерії зростає, це компенсує зростання від’ємної гравітаційної енергії. Повна енергія залишається сталою, як і вимагає закон збереження.

Щоб період інфляції завершився, Ґут увів умову, що гравітаційно відштовхувальна матерія має бути нестабільною. Під час розпаду її енергія породжує гарячу вогняну кулю елементарних частинок. Вона продовжує за інерцією розширюватися, але тепер уже складається зі звичайної матерії, її гравітація стає притягувальною, а розширення поступово сповільнюється. Момент розпаду антигравітаційної матерії позначає кінець інфляції і в цій теорії відіграє роль Великого вибуху.

Краса цієї ідеї полягала в тому, що інфляція одним махом пояснювала, чому Всесвіт такий великий, чому він розширюється і чому спочатку був таким гарячим.

Неосяжний Всесвіт, що розширюється, з’явився практично з нічого. Усе, що було потрібно, — це мікроскопічний шматочок гравітаційно відштовхувальної матерії. Ґут чесно визнавав, що не знає, звідки взявся цей шматочок, але заперечувати його досягнення було важко. «Часто кажуть, що не можна отримати щось із нічого, — казав він, — але зрештою Всесвіт міг дістатися нам задарма».

Усе це передбачає, що гравітаційно відштовхувальна матерія справді існує. У ній не бракувало авторам науково-фантастичних романів, які застосовували її у всіляких літальних апаратах — від бойових машин до антигравітаційних черевиків. Але чи можуть професійні фізики всерйоз розглядати можливість існування відштовхувальної сили гравітації? Можуть, звісно. І першим це зробив не хто інший, як Альберт Ейнштейн.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.