Хотя Вселенная возникла в состоянии совершенного единства, до сегодняшнего дня она прошла много фазовых переходов, или изменений состояния, при которых вселенские силы одна за другой освобождались от взаимодействия с остальными по мере остывания Вселенной. Физикам предстоит заглянуть в прошлое, воссоздать этапы изначального формирования Вселенной (в состоянии совершенного единства), которые привели к тому повреждению Вселенной, которое мы видим на сегодняшний день.
Таким образом, чтобы получить ключ к разгадке, необходимо точно понять, как произошли эти фазовые переходы с момента создания Вселенной, которые ученые называют спонтанными нарушениями. Будь то таяние льда, кипение воды, образование дождевых облаков или охлаждение после Большого взрыва, фазовые переходы могут соединять два совершенно разных состояния вещества. (Чтобы показать, насколько мощными могут быть эти фазовые переходы, художник Боб Миллер загадал загадку: «Как можно подвесить 200 000 кг воды в воздухе без всякой опоры?»
{51} Ответ: «Образовать облако».)
Ложный вакуум
Процесс, когда одна сила отделяется от остальных, можно сравнить с прорывом плотины. Реки текут по склонам, потому что вода течет в направлении уменьшения энергии, то есть в сторону уровня моря. Наименьшим энергетическим состоянием является вакуум. Однако существует и необычный, ложный вакуум. Например, если мы соорудим плотину на реке, то будет казаться, что она находится в стабильном состоянии, в то время как в действительности она находится под огромным давлением. Если в плотине появится малейшая трещина, давление может разнести плотину, освободить поток энергии из ложного вакуума (перегороженная плотиной река) и вызвать катастрофический разлив ее в направлении истинного вакуума (уровень моря). Могут быть затоплены целые населенные пункты, если вдруг произойдет спонтанное разрушение плотины и внезапный переход от ложного вакуума к истинному.
Подобным образом, по теории великого объединения, Вселенная изначально возникла в состоянии ложного вакуума, где три силы были объединены в единое целое. Однако целостность эта была нестабильной, она спонтанно разрушилась, и произошел переход из ложного вакуума, где были объединены три силы, к истинному вакууму, где эти силы распались.
Все это было известно еще до того, как Гут начал анализировать теорию великого объединения. Но Гут заметил еще кое-что, что просмотрели другие: в состоянии ложного вакуума Вселенная расширяется экспоненциально, в точности так, как предсказывал де Ситтер в 1917 году. Энергия ложного вакуума является космологической константой, которая заставляет Вселенную расширяться с невероятной скоростью. Гут задался судьбоносным вопросом: может ли это экспоненциальное расширение де Ситтера разрешить некоторые космологические проблемы?
Проблема монополя
Одним из прогнозов теорий великого объединения было образование в начале времен множества монополей. Монополь – единичный магнитный полюс, северный или южный. В природе монополей не бывает: полюса встречаются только в паре. Если взять молоток и разбить им магнит пополам, то не получится двух монополей; вместо этого у вас окажется два меньших магнита с парой полюсов – северным и южным соответственно.
Проблемой, однако, стало то, что ученые, веками экспериментируя, не обнаружили убедительных доказательств существования монополя. Алан Гут был озадачен тем фактом, что теории великого объединения предсказывали существование большого количества монополей, хотя никто никогда их не видел. «Подобно единорогу, монополь и до сих пор продолжает пленять человеческий разум, несмотря на отсутствие убедительных доказательств его существования»
{52}, – заметил Гут.
И тут внезапно ему в голову пришла идея. В мгновение ока все кусочки головоломного пазла встали на свои места. Он понял, что если Вселенная зародилась в состоянии ложного вакуума, то она могла расширяться экспоненциально, как и предполагал де Ситтер несколько десятков лет тому назад. В этом состоянии ложного вакуума Вселенная могла внезапно инфляционно расшириться до невероятной степени. Если ученые до сих пор и не встречали монополя, то дело обстоит так лишь потому, что монополи были разбросаны по всей Вселенной, которая имела гораздо большие размеры, чем можно было предположить.
Для Гута это осознание стало источником радости и удивления. Такое простое решение могло бы в момент объяснить проблему монополя. Но Гут понимал, что последствия этого решения для космологии будут гораздо более существенными, чем он сам усматривал в своей идее.
Проблема плоскостности Вселенной
Алан Гут увидел, что его теория разрешает еще одну проблему – проблему плоскостности Вселенной, которую мы упоминали ранее. Стандартная картина Большого взрыва не могла объяснить, почему Вселенная такая плоская. В 1970-е годы считалось, что плотность вещества во Вселенной, называемая Ω, равнялась приблизительно 0,1. Тот факт, что значение было относительно близко к критической плотности 1,0 через столько миллиардов лет после Большого взрыва, очень беспокоил ученых. По мере того как Вселенная расширялась, Ω должна была бы измениться. Ее же значение было неуютно близко к значению 1,0, которое описывает полностью плоский космос.
Уравнения Эйнштейна для любого разумного значения Ω в начале времен показывают, что в наши дни Ω должна равняться почти нулю. Потребовалось бы чудо, чтобы Ω находилась так близко к значению 1 через столько миллиардов лет, прошедших после Большого взрыва. Это то, что в космологии называют проблемой точной настройки. Бог, или Творец, должен был «выбрать» значение Ω с фантастической точностью, чтобы в наши дни она равнялась 0,1. Если в наши дни значение Ω находится в диапазоне от 0,1 до 10, то это подразумевает, что через секунду после Большого взрыва ее значение равнялось 1,00000000000000. Иными словами, в начале времен значение Ω должно было быть «выбрано» равным единице с точностью до одной стотриллионной, что с трудом укладывается в голове.
Представьте, что вы стараетесь поставить карандаш на острие. Сколько бы вы ни искали баланс, карандаш все равно падает. По сути, необходима потрясающая точность настройки – сбалансировать карандаш таким образом, чтобы он не упал. А теперь попробуйте сбалансировать карандаш так, чтобы он простоял на острие грифеля не несколько секунд, а несколько лет! Вот также невероятна и точная настройка, необходимая для того, чтобы сегодня Ω равнялась 0,1. Малейшая ошибка в настройке стала бы причиной нынешнего значения Ω, намного отличного от единицы. Так почему же плотность столь близка к первому дню творения, если, по справедливости, ее значение должно бы уйти астрономически далеко?
Для Гута ответ был очевиден. Вселенная просто-напросто расширилась до такой степени, что стала казаться плоской. Подобно человеку, считающему, что Земля плоская, потому что он не видит горизонта, астрономы заключили, что значение Ω находится в области 1, потому что инфляция сделала Вселенную плоской.
