Маленькая книга о Большом взрыве

Даже для тех из космологов, кто склонен считать эти цифры случайными, представляется абсолютно невозможным, чтобы Большой взрыв был настолько плоским. Как и в случае космологической постоянной и соотношения фотонов к барионам, здесь мы имеем дело скорее с вопросом почему. Как и прежде, космологи изо всех сил стремятся превратить почему в как. Для них важно избежать тонкой настройки и найти механизм, заставивший Вселенную стать плоской, а вопрос, как это произошло, уже не так важен.

Но что значит «возможно» и «невозможно», когда в нашем распоряжении всего лишь одна Вселенная? Здесь мы в полной мере сталкиваемся с проблемой уникальности космоса. Но об этом мы поговорим в следующей главе.

* * *

Вторая проблема, на которую указывал Дикке и которую, как утверждалось, решает инфляция, известна как проблема горизонта. Результаты наблюдений свидетельствуют о том, что температура CMBR удивительным образом однородна во всех направлениях. Даже «божественные отпечатки» из предыдущих глав влияют на однородность в степени столь незначительной, как если бы мы сравнивали толщину мрамора, которым облицован Бурдж-Халифа, сверхвысотный небоскреб Дубая, с его высотой. Как же возникла эта удивительная однородность? Еще одно совпадение?

Может, и совпадение. Попробуем сделать ситуацию еще более наглядной и вспомним, что в обозримой Вселенной существует просто гигантское количество фотонов – 10⁸⁷. Поскольку они находятся внутри обозримой Вселенной, они также находятся в границах расстояния, проходимого светом с момента Большого взрыва. Это расстояние принято называть космологическим горизонтом. Никакой сигнал не может совершать движение быстрее света, из-за чего космологический горизонт становится главным барьером для взаимодействия объектов: два объекта не могут влиять друг на друга, если находятся по разные стороны горизонта. Как показано на рис. 17, горизонт A пролегает там, куда свет успел дойти за время, прошедшее с момента Большого взрыва, то есть прошел расстояние c × t, равное скорости света, помноженной на возраст Вселенной. Таким образом, тела А и В, находящиеся на расстоянии меньшем, чем расстояние до горизонта, могут влиять друг на друга. С другой стороны, A и C не могут взаимодействовать, пока разделяющее их расстояние не сократится до границ горизонта. Можно сказать, что A и B находятся в причинной связи, в то время как A и C – нет.

Рис. 17

По определению, все, что есть в обозримой Вселенной, существует в пределах космологического горизонта. Также по определению, космологический горизонт разрастается со скоростью света и, соответственно, сужается с той же скоростью. С другой стороны, скорость расширения Вселенной, то есть скорость, с которой галактики отдаляются друг от друга, уступает скорости света. Таким образом, двигаясь обратно в прошлое, Вселенная сужается медленнее, чем горизонт. Следовательно, по мере того как мы возвращаемся к Большому взрыву, Вселенная в пределах горизонта занимает все меньшую часть того, что мы называем обозримой Вселенной. В момент формирования CMBR космологический горизонт ограничивал лишь стотысячную часть сегодняшней видимой Вселенной, то есть 10⁸² фотонов.

Это значит, что два облака фотонов во время формирования реликтового излучения были разделены внушительным расстоянием и не могли вступать во взаимодействие. Как и точки A и C на рис. 17, эти участки не находились в причинной связи. Но почему в таком случае температура обоих участков находилась на одном уровне? Это и есть проблема горизонта.

* * *

Следующая проблема, которую должна была решить теория инфляции, известна как проблема реликтовых магнитных монопо́лей. В соответствии с теорией Великого объединения, или ТВО (Grand unified theories, GUT), примерно на 10^-37 доле секунды после Большого взрыва сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия слились в единое поле при разогреве до температуры 10²⁹ градусов. Когда Вселенная расширилась, а объединенное поле распалось на самостоятельные поля, как раз и могли появиться реликтовые магнитные монопо́ли. Магнитный монопо́ль должен был бы представлять собой северный или южный полюс магнита и выступать магнитным аналогом позитивного или негативного электрического заряда. Но в отличие от изолированных позитивных или негативных зарядов вроде протонов и электронов, которые можно встретить повсюду, изолированных северных или южных магнитных полюсов еще никто не видел: каждый магнит имеет и северный, и южный полюс, а если разрезать его надвое, мы просто получим два магнита с северным и южным полюсом в каждом.

Так или иначе, ряд теорий ТВО предполагает, что магнитные монопо́ли в огромных количествах возникли еще в ранней Вселенной и были так тяжелы (на 16 порядков тяжелее протона), что целиком определяли собой плотность Вселенной. Это явление получило название проблемы реликтовых магнитных монопо́лей.

* * *