Вот мы и пришли к загадке. Вы бы сильно удивились, если бы узнали, что жители этих удалённых друг от друга мест говорят на одном языке, а их библиотеки заполнены одинаковыми книгами. Как может возникнуть общее наследие, если не было никакого контакта? Вы также должны удивиться, узнав, что без какого-либо явного контакта температура этих разделённых большим расстоянием областей одинакова с точностью, превышающей четыре знака после запятой.
Много лет назад, впервые столкнувшись с этой задачей, я действительно удивился. Однако, немного подумав, я уже удивился самой задаче. Как могли два предмета, когда-то находившиеся рядом друг с другом — а мы верим, что всё в наблюдаемой части Вселенной в момент Большого взрыва находилось рядом друг с другом, — отдалиться настолько быстро, что свету, испущенному одним из них, не хватит времени, чтобы достичь другого? Скорость света предельна для всего в космосе, поэтому как можно разнести предметы на такое расстояние, что даже свет не успевает его преодолеть?
Ответ на это вопрос выдвигает на передний план то, чему часто уделяют незаслуженно мало внимания. Предел скорости, устанавливаемый светом, относится исключительно к движению объектов сквозь пространство. Однако галактики удаляются друг от друга не потому, что они движутся в пространстве — у них нет реактивных двигателей, — а потому, что само пространство расширяется и галактики лишь увлекаются общим потоком.[9] Смысл в том, что теория относительности не накладывает никаких ограничений на скорость расширения пространства, и поэтому нет никаких ограничений на скорость разбегания галактик, увлекаемых общим расширением. Скорость разбегания галактик может быть выше любой скорости, включая скорость света.
Действительно, математический аппарат общей теории относительности показывает, что в самые ранние моменты Вселенной пространство может расширяться так быстро, что области будут удалятся друг от друга быстрее скорости света. В результате возможность оказывать друг на друга какое-либо влияние исчезает. Однако трудность теперь в том, чтобы объяснить, как практически одинаковые температуры возникли в независимых областях космоса: вопрос, который космологи назвали проблемой горизонта.
Расширяя горизонты
В 1979 году Алану Гуту (в ту пору сотруднику Стэнфордского линейного ускорителя) пришла идея, которая, подвергшись критическому осмыслению Андреем Линде (на тот момент сотрудником Физического института им. Лебедева в Москве), Полом Стейнхардом и Андреасом Альбрехтом (профессорско-студенческий дуэт из университета Пенсильвании), решает, по общему признанию, проблему горизонта. Это решение — инфляционная космология — основывается на тонких свойствах общей теории относительности Эйнштейна, которые я скоро объясню подробно, но основные черты можно сформулировать уже сейчас.
Проблема горизонта портит стандартную теорию Большого взрыва, потому что области пространства отдаляются слишком быстро для установления теплового равновесия. Инфляционная теория решает эту проблему, уменьшая скорость разделения областей пространства в начальные моменты времени и обеспечивая таким образом достаточно времени для выравнивания температуры. Затем из теории следует, что после завершения такого «космического рукопожатия» наступает непродолжительный период чрезвычайно быстрого и постоянно ускоряющегося расширения, названного инфляционным расширением, которое более чем достаточно компенсирует вялый старт и быстро разносит разные участки неба на огромные расстояния. Наблюдаемые нами однородные условия больше не являются загадкой, так как общая температура установилась до того, как разные области пространства были быстро разнесены.{16} В общих чертах, в этом и состоит суть идеи инфляционной теории.[10]
Однако следует иметь в виду, что не физики определяют, как расширяется Вселенная. Насколько мы можем судить из наиболее точных наблюдений, это делают уравнения общей теории относительности Эйнштейна. Таким образом, перспективность инфляционного сценария зависит от того, возникает ли предложенная модификация стандартной модели Большого взрыва из уравнений Эйнштейна. На первый взгляд это не так очевидно.
Например, я совершенно уверен, что будь у нас возможность встретиться с Ньютоном и объяснить ему в течение пяти минут основные положения общей теории относительности, не забыв про искривлённость пространства и расширяющуюся Вселенную, то он расценил бы наш последующий рассказ про инфляцию как абсурдный. Ньютон бы твёрдо настаивал, что независимо от вычурной математики и новомодного эйнштейновского языка, гравитация является силой притяжения. Стукнув кулаком по столу, он заявил бы, что гравитация притягивает предметы, снижая скорость любого космического разбегания. Расширение, которое начинается вяло, а затем резко ускоряется на каком-то коротком отрезке времени, могло бы решить проблему горизонта, но это фикция. Ньютон настаивал бы на том, что космическое расширение должно замедлиться со временем, подобно тому как гравитационное притяжение уменьшает скорость подброшенного вверх бейсбольного мяча. Конечно, если расширение полностью прекратится и начнётся космическое сжатие, то скорость схлопывания может постепенно возрастать, ровно так же как скорость мяча может расти по мере того, как он летит обратно вниз. Но скорость пространственного расширения не может увеличиваться.
Ньютон ошибается, но вы не вправе винить его. Ведь у вас было мало времени для подробного обзора общей теории относительности. Не поймите меня неправильно. Понятно, что, имея пять минут (одну из которых вы потратили на объяснение того, что такое бейсбол), вы сосредоточились на искривлённом пространстве-времени как источнике гравитации. Ньютон сам настаивал на том, что механизм распространения гравитации неизвестен, и он всегда считал это зияющей дырой в своей собственной теории. Поэтому естественно, что вы хотели продемонстрировать ему решение этого вопроса Эйнштейном. Однако эйнштейновская теория гравитации — это не просто латание дыр в ньютоновской физике. Гравитация общей теории относительности отличается по самой сути от гравитации ньютоновской физики; и есть одно свойство, которое следует особо отметить для нашего изложения.
В ньютоновской теории гравитация обусловлена лишь массой предмета. Чем больше масса, тем сильнее гравитационное притяжение предмета. В эйнштейновской теории гравитация обусловлена массой предмета (и его энергией), а также его давлением. Взвесьте запечатанный пакет с картофельными чипсами. Теперь сожмите пакет, чтобы воздух, находящийся внутри него, оказался под высоким давлением, и затем снова взвесьте его. Согласно Ньютону, вес не изменится, потому что масса не изменилась. Согласно Эйнштейну, сжатый пакет будет весить немножко больше, потому что, хотя масса осталась прежней, давление увеличилось.{17} При обычных обстоятельствах подобный эффект увеличения веса исчезающе мал, поэтому мы не обращаем на него никакого внимания. Однако из общей теории относительности и подтверждающих её экспериментов со всей очевидностью следует, что давление даёт вклад в гравитацию.
Это отклонение от ньютоновской теории крайне важно. Давление воздуха, будь это воздух в пакете с картофельными чипсами, надутом шаре или в комнате, где вы сейчас читаете эту книгу, положительно, и это означает, что воздух давит наружу. В общей теории относительности положительное давление, как и положительная масса, даёт положительный вклад в гравитацию, что приводит в увеличению веса. Однако, хотя масса всегда положительна, давление в некоторых ситуациях может быть отрицательным. Представьте себе растянутую резинку. Вместо того, чтобы толкать наружу, растянутые молекулы тянут вовнутрь, приводя к тому, что в физике называется отрицательным давлением (или упругостью). И точно так же как из общей теории относительности следует, что положительное давление приводит к гравитационному притяжению, эта теория утверждает, что отрицательное давление приводит к противоположному — гравитационному отталкиванию.
