тепловой энергии постепенно превращается в вещество. Эйнштейновская формула E = mc2 говорит нам, что пока есть достаточное количество энергии (E) для порождения частиц определенной массы (m), путь для превращения высокоэнергетических частиц излучения (фотонов) в массивные частицы вещества открыт. В конце вспышки инфляции огромная выделенная энергия вполне способна разогреть Вселенную до примерно тысячи триллионов триллионов градусов – этого более чем достаточно для создания 1050 тонн вещества, содержащегося в наблюдаемой Вселенной.
Рис. 27. Плотность энергии инфлатонного поля (по вертикальной оси) при различных значениях поля (по горизонтальной оси). Когда Вселенная претерпевает инфляцию, поле на этом энергетическом ландшафте скатывается в «долину».
Итак, инфляция во мгновение ока – нет, гораздо, гораздо быстрее! – создает фантастически огромную однородную Вселенную. А как же замеченная спутником COBE рябь в распределении CMB? Действительно ли инфляция создает почти – и все же не совсем – идеально гладкую Вселенную?
Да, в сущности, это так. Как и все физические поля, инфлатон имеет квантовую природу, а значит, к нему применим принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому он должен быть подвержен неустранимой квантовой размытости. Как и в случае частиц, это значит, что чем точнее мы определим величину поля в некоторой точке, тем менее точно может быть известна скорость изменения этой величины в той же точке. Но если не определена скорость изменения поля, мы не можем сказать, какова будет его точная величина спустя мгновение. Выходит, квантовые поля состоят из странной вибрирующей смеси многих различных скоростей изменения и значений поля – что очень напоминает множество путей, в совокупности составляющих волновую функцию частицы.
В нормальных условиях такая квантовая дрожь исключительно слаба и ограничена микроскопическими масштабами. Но условия, которые создаются при всплеске космической инфляции, менее всего похожи на нормальные. К вящему своему изумлению, теоретики инфляции вскоре поняли, что грандиозный всплеск расширения, который они описали, должен привести к усилению и растягиванию микроскопических квантовых флюктуаций до макроскопических волнообразных изменений. Даже если инфлатон зарождается на минимальном уровне квантовых вибраций, разрешенном принципом неопределенности, всплеск инфляционного расширения трансформирует их в макроскопические дрожания, накладывающиеся на общую гладкость расширяющейся Вселенной и создающие в ней волнообразную структуру изменений поля, напоминающую рябь на поверхности тихого озера.
Здесь критическое значение имеет то, что, когда инфляция заканчивается и инфлатон высвобождает свою энергию в виде теплового взрыва, эти волнообразные изменения преобразуются в вариации параметров горячего первичного газа, заполняющего новорожденную Вселенную. И в итоге любая вселенная, возникающая в результате инфляции, будет содержать малые неоднородности как температуры излучения, так и плотности вещества. При наступающем замедлении космологического расширения все больше и больше этих первичных неоднородностей будет появляться в пределах нашего космологического горизонта и становиться видимыми – будто накатывающиеся на берег волны. Вот тут-то и обнаруживаются флюктуации температуры излучения – мы видим их как более теплые и более холодные пятна в распределении космического фона по разным направлениям на небе. Вариации плотности вещества имеют критически важное значение: это зерна, из которых впоследствии вырастут галактики. Области с более низкой исходной плотностью будут расширяться быстрее и образовывать пустоты; области с большим количеством вещества будут продолжать накапливать его за счет своего окружения. Таким образом, контраст распределения плотности во Вселенной будет расти. Эти процессы и породили в конечном счете крупномасштабную паутину распределения галактик, которую мы наблюдаем сегодня.
ВАРИАЦИИ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА ИМЕЮТ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНОЕ ЗНАЧЕНИЕ: ЭТО ЗЕРНА, ИЗ КОТОРЫХ ВПОСЛЕДСТВИИ ВЫРАСТУТ ГАЛАКТИКИ.
Летом 1982 года Стивен и Гэри Гиббонс собрали главных теоретиков инфляции в Кембридже – много лет спустя Хокинг нежно вспоминал это как настоящую конференцию. Симпозиум, тема которого была заявлена как «Очень ранняя Вселенная», спонсировался Фондом Наффилда, благотворительной организацией, учрежденной в 1940-х годах автомобильным магнатом Уильямом Моррисом, лордом Наффилдом[121]. Стивен и его коллеги целыми днями спорили о том, какими ключевыми характерными свойствами обладали первичные вариации, порожденные инфляцией. К концу симпозиума они сошлись на том, что – внимание, внимание! – всплеск инфляции должен был оставить трудно раcпознаваемый, но все же ясно различимый отпечаток в картине распределения неоднородностей CMB-излучения[122]. Другими словами, на Наффилдовской конференции теоретики определили, какой должна быть «неопровержимая улика», доказывающая факт инфляции, улика, которая должна была найтись при тщательном сканировании неба на микроволновых частотах. Это стало одним из самых эффектных предсказаний теоретической космологии, а может, и во всей истории науки. Реликтовая инфляционная рябь, вмороженная в CMB и сохраненная в его структуре с ошеломляющей математической точностью, – без сомнения, одна из старейших окаменелостей, какие только можно было надеяться обнаружить.
Неудивительно, что Наффилдовский симпозиум 1982 года стал легендарным. Он оказался для космологии тем же, чем был для атомной физики Сольвеевский конгресс 1911 года. Его результаты ознаменовали приход эры зрелости в исследованиях очень ранней Вселенной. Предсказания инфляционной теории ясно показали, что квантовая механика имеет огромное значение не только для микромира, но и для наших наблюдений Вселенной на самых больших масштабах. Как Сольвеевский конгресс 1911 года обозначил момент осознания определяющего значения квантовой механики для мира атома, так Наффилдовский симпозиум 1982 года показал фундаментальную роль квантовой механики в космологии. Инфляционная теория утверждала, что холодные и теплые пятна в распределении CMB есть первичная квантовая рябь, увеличенная и записанная на небесной сфере. Более того, теория предсказала, что усовершенствованная версия спутника COBE, способная получить более четкую картину пятен на карте CMB, поможет нам в этом убедиться. Тем самым будет перекинут грандиозный мост от наших сегодняшних космологических наблюдений к микроскопическим квантовым дрожаниям, происходившим не более чем через 10–32 секунды после Большого взрыва.
Стивен не скрывал своего восхищения результатами конференции. Он писал: «У инфляционной гипотезы есть огромное преимущество: она предсказывает современную плотность Вселенной и спектр ее отклонений от пространственной однородности. Возможность проверить эти предсказания должна представиться в довольно близком будущем: тогда мы сможем либо убедиться в несостоятельности гипотезы, либо подтвердим ее»[123].
Порожденные инфляцией кляксы и пятнышки в распределении первичного CMB-излучения оказались космологическим аналогом излучения Хокинга, которое испускают черные дыры. Еще одна удивительная связь между черными дырами и Большим взрывом! Я уже говорил, что излучение Хокинга образуется вследствие квантовых вибраций материальных полей в окрестности черных дыр. Эти дрожания порождают пары частиц, которые появляются из ниоткуда, живут очень недолго и снова исчезают – словно пара дельфинов, на краткий миг выпрыгивающая из океанских волн, чтобы тут же опять скрыться из виду. Физики называют такие частицы виртуальными – в отличие от настоящих, они живут слишком мало, чтобы их можно было зарегистрировать каким-либо детектором. Однако вблизи горизонта черной дыры виртуальные частицы могут стать реальными. Это случается потому, что один из членов
