Маленькая книга о Большом взрыве

Десятилетиями космологи верили, что Вселенные, которым свойственна меньшая однородность, чем Вселенной Фридмана, могли избежать сингулярности. Не забывайте, что в модели Фридмана материя распределена по Вселенной однородно, и если Вселенная закрыта, то ее пространство является сферическим. В то же время в сжимающейся Вселенной, как в сжимающемся мяче, материя стремится к сингулярности со всех сторон одинаково. В итоге все, что находится в поле зрения, сжимается в одну точку одновременно, образуя бесконечную плотность. Конечно, мы также можем представить Вселенную, которая будет менее симметричной, предположим, в форме сигары. В такой Вселенной материя будет сжиматься в разных направлениях с разной скоростью, и тогда сингулярности, возможно, не возникнет.

К сожалению, это не наш случай, поэтому все попытки рассуждать в подобном ключе оказались неудачными. Проблема сингулярности никуда не уходит. По сути, наша неспособность справиться с ней объясняется тем, что гравитация является силой притяжения, стягивающей материю к единой точке, несмотря на неровности. Убедительные теоремы сингулярности, предложенные Амалем Кумаром Райчаудхури, Роджером Пенроузом и Стивеном Хокингом в период с 1950 по 1970 год, доказывают, что при данных условиях сингулярность Большого взрыва неизбежна.

Но поскольку все теоремы основаны на неких допущениях, то, предположительно, при существовании мощной отталкивающей силы сингулярности Большого взрыва можно было бы избежать. Космологическая постоянная, или темная энергия, заставляет галактики быстрее отдаляться друг от друга, обеспечивая как раз ту силу отталкивания, которая нужна, чтобы избежать сингулярности. В таком случае наш главный вопрос будет заключаться в том, насколько велика должна быть космологическая постоянная, чтобы вызвать Большое сжатие, но при этом не быть замеченной при астрономических наблюдениях – и должна ли она в действительности быть постоянной?

Например, предположим, что расширению нашей Вселенной предшествовало тотальное сжатие, или коллапс. Поскольку фаза сжатия должна была сопровождаться повышением температуры CMBR, мы можем говорить о том, что космологическая постоянная должна была быть достаточно велика, чтобы отбросить Вселенную до того, как температура в ней достигнет миллиарда градусов – то есть за три минуты до Большого взрыва. В любом случае после отскока – то есть взрыва – невозможен был бы первичный нуклеосинтез. Следовательно, не могли бы появиться и легкие изотопы, если только они не существовали в своем нынешнем количестве еще до нуклеосинтеза. Кроме того, настолько большая космологическая постоянная заставила бы Вселенную расширяться так быстро, что галактики в ней просто не смогли бы сформироваться. Выходит, что добавление простой космологической постоянной не может избавить модель Фридмана от проблемы сингулярности.

Итак, вся хитрость состоит в том, чтобы найти нечто похожее на космологическую постоянную в момент возникновения Вселенной. Это «нечто» может напоминать потенциальную энергию с диаграммы на рис. 18 – главное, что оно должно исчезнуть прежде, чем вызовет хаос. На этот счет было выдвинуто множество предложений, причем каждое из них имело свои особенности и причины, на которых мы не будем останавливаться подробно. Хочется думать, что Большое сжатие произошло до того, как Вселенная коллапсировала до планковского размера – 10^-33см, о чем было сказано в главе 12. Полный коллапс должен был произойти на отрезке времени, также именуемом планковским, то есть за 10^-43

доли секунды до Большого взрыва.

Планковская длина и планковское время являют собой ту черту, за которой физика в известном нам виде заканчивается: меньшая длина и меньшее время просто ломают общепринятые представления о пространстве и времени. Кроме того, если мы хотим описать сингулярность и как-то с ней разобраться, нам, видимо, не удастся сделать это без теории квантовой гравитации. Квантовая механика действительно может порождать отталкивающие силы, но, как было сказано, мы еще не успели разработать теорию квантовой гравитации. С другой стороны, если сжатие началось задолго до того, как планковские величины были достигнуты, нам просто незачем обращаться к квантовой механике. В таком случае мы можем целиком положиться на классическую механику, в существовании которой нам точно не приходится сомневаться.

* * *

В последнее десятилетие некоторым авторам теорий коллапсирующей Вселенной удалось это учесть. Так же как инфляционная теория, они обращаются к новому полю, которое напоминает космологическую постоянную и вызывает сжатие и расширение. Отличие состоит в том, что, согласно этим теориям, тот самый благословенный отскок происходит примерно через 10^-35 секунды после Большого взрыва. Это довольно долгий промежуток, по представлениям физиков, предшествующий эре Планка; он предваряет и эру ТВО, в противном случае классическая механика была бы вполне адекватным инструментом.