Одна из самых трагичных человеческих черт – склонность откладывать жизнь. Мы все мечтаем о волшебном розовом саде за горизонтом, вместо того, чтобы наслаждаться розами, цветущими за нашим окном.
Дейл Карнеги.
Читатель спрашивает:
Я не очень разобрался в космической инфляции и проблеме горизонта. Мне кажется, ты уже рассказывал об этом, но я хотел бы услышать побольше деталей.
Вернёмся к началу.
Это – ваша Вселенная. Она простирается настолько далеко, насколько самые мощные телескопы могут заглянуть во всех направлениях. Они видят десятки тысяч галактик, разбросанных на расстояниях в десятки миллиардов световых лет во все стороны, куда бы мы не посмотрели. На крупном масштабе всё примерно такое же – плотности, температуры, типы стар и галактик, металличность звёзд (относительная концентрация элементов тяжелее гелия), и т.д. Всё, что мы видим – это чем дальше мы смотрим, тем более молодые вещи мы видим, и тем быстрее они удаляются от нас.
Всё это связано с расширением и эволюцией Вселенной. Три главных наших доказательства в контексте Общей теории относительности:
хаббловское расширение Вселенной – красное смещение связано с расстоянием до галактики
существование и свойства космического микроволнового фонового излучения (КМФИ) – почти безупречно однородное море излучения абсолютно чёрного тела во всех направлениях, с температурой чуть выше абсолютного нуля
изобилие лёгких элементов – водорода, дейтерия, гелия (гелия 3 и 4) и лития в молодой вселенной, до образования звёзд
говорят нам о том, что Вселенная эволюционировала и расширялась из более горячего и плотного состояния, и что в текущем состоянии она находится уже примерно 13.8 миллиардов лет. Долго, но не бесконечно. Эта парадигма известна как «Большой взрыв».
Но есть одна проблемка. 13.8 миллиардо�� лет Вселенная расширялась согласно законам ОТО, то есть скорость расширения пространства определялась набором изначальных условий и энергетическим содержанием вселенной (обычная материя, тёмная материя, излучение, нейтрино, тёмная энергия, пространственная кривизна, и т.д.). С этим всё хорошо – проблема состоит в том, что Вселенная однородна и имеет примерно одни и те же свойства во всех направлениях, куда бы мы не посмотрели.
Плотности и свойства кластеров галактик с одной стороны Вселенной идентичны тем, что с другой – как бы вы не делили Вселенную на части. Это должно быть странно, разве нет?
Ведь с момента Большого взрыва информация не могла передаваться быстрее скорости света. Мы можем видеть кусок Вселенной размером в 46 миллиардов световых лет потому, что на это расстояние смог пропутешествовать свет в расширяющейся Вселенной за последние 13,8 млрд. лет. Поэтому, если мы посмотрим в одну сторону на 23 миллиарда световых лет, а потом в другую сторону – мы можем ожидать, что эти два участка не будут связаны друг с другом.
Всё ещё непонятно? Приведу аналогию.
Представьте кипячение воды в кастрюле. Вы греете её снизу, и вода вскипает во всех местах одновременно. Между верхней и нижней частями воды нет разницы температур. Почему так?
Вы греете кастрюлю снизу, но вода нагревается везде. Это оттого, что её молекулы передвигаются, сталкиваются друг с другом и делятся своей энергией. Вода снизу обменивается энергией и информацией с водой сверху, и время, необходимое на этот обмен, гораздо меньше времени, необходимого для закипания.
Но это не всегда так.
На этой фотке лава стекает из действующего вулкана в океан. Когда лава, нагретая выше 1000 °C, соприкасается с водой, та сразу кипит. Но океан велик, а скорость распространения тепла конечна. Не слишком далеко от этого места температура воды уже практически не будет меняться из-за лавы. С практической точки зрения эти регионы разделены друг с другом, они не обмениваются информацией или свойствами.
Было бы странно, если бы разъединённые друг с другом регионы, которые не вступают в контакт друг с другом и не обмениваются информацией, имели одинаковую температуру. Но во Вселенной именно так всё и происходит.
Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ) излучалось, когда Вселенной было всего 380000 лет, и в то время свет мог переместиться не более, чем на миллион световых лет в любом направлении. Если бы вы заполнили микроволновое небо кругами радиусом в миллион световых лет, вам бы потребовалось более десяти миллиардов независимых регионов, чтобы заполнить всё, что мы видим. И тем не менее, у этих регионов, не связанных друг с другом, температура, спектр и плотность одинаковые с точностью в 99,99%.
Эта проблема, когда регионы, не контактировавшие друг с другом, почему-то имеют идентичные свойства, называется проблемой горизонта.
Её можно решить следующим образом: может, у этих регионов и не было времени для обмена информацией друг с другом, но что, если после Большого взрыва они уже имели одинаковые свойства?
В общем, это и есть расширение: то, что случилось до Большого взрыва, что не только его подготовило, но и подготовило начальные условия, которые есть у нашей Вселенной. Взяли крохотный регион (возможно, бесконечно малый), расширили его экспоненциально, и он растянулся до размеров, больших, чем наблюдаемая Вселенная, при этом установив следующие правила:
любая ��атерия, частицы, энергия или топологические дефекты, существовавшие в этом регионе до расширения, настолько уменьшаются в плотности, что останется не более одной такой частицы во всей Вселенной (решается проблема монополей)
какая бы кривизна у пространства ни была до расширения, расширение так её растягивает, что её становится не отличить от плоского пространства (решается проблема плоской вселенной)
какие бы вариации температуры и плотности в разных регионах космоса не существовали до расширения, наша обозреваемая Вселенная произошла от одного небольшого региона. Поэтому у Вселенной температура и плотность повсюду одинаковы (решается проблема горизонта)
квантовые флуктуации, происходившие во время расширения, привели к чёткому набору предсказаний флуктуации температуры и плотности в обозримой части Вселенной
Если же отбросить инфляционную теорию, то придётся замести три остальные проблемы (монополи, плоскую вселенную и горизонт) и одно предсказание (о спектре флуктуаций температуры и плотности Вселенной) под ковёр, и сказать: «Это просто начальные условия Большого взрыва», чтобы заставить вашу модель работать.
Или можно признать инфляционную модель – как простой, элегантный и непосредственный способ решения всех этих проблем.
Вот почему наша Вселенная, насколько мы знаем, одинаковая везде и во всех направлениях.
