Тайны пространства и времени

В 1967 году американский физик С. Вайнберг и пакистанский физик, работавший в Англии и Триесте, А. Салам, предложили интересную теорию физического вакуума, весьма напоминающую теорию сверхпроводимости. Из их теории следовало, что в физическом вакууме тоже могут возникать коллективы частиц, находящихся на нижнем энергетическом уровне – так называемый конденсат. При этом обнаружилось поразительное обстоятельство: от того, сколько «скрытых» частиц окажется в таком коллективе, зависят физические характеристики реальных частиц, например, их массы.

Если нагревать сверхпроводник, то из сверхпроводящего коллектива частицы начнут переходить на верхние уровни, «уходить наверх». Коллектив начнет разрушаться, а свойство сверхпроводимости будет ослабевать и в конце концов исчезнет. Нечто подобное происходит и в физическом вакууме. Если его нагревать – а в физическом смысле нагреть можно все, что угодно, – то «конденсат» начнет «испаряться», а массы реальных частиц соответственно уменьшатся, изменится характер взаимодействия между ними. При достижении критической температуры, равной 10¹⁶ градусов, в физическом вакууме произойдет фазовый переход, который должен привести к радикальному изменению его свойств, а следовательно, и свойств реальных частиц. Но, разумеется, сходство между сверхпроводником и вакуумом – только аналогия.

Как говорил академик А.Б. Мигдал, пустота – особый объект, ни на что не похожий и потому заслуживающий самостоятельного изучения.

Таким образом, современная физика располагает убедительными доказательствами того, что «физический вакуум в действительности не «ничто», а все-таки нечто».

И пожалуй, самое важное состоит в том, что та скрытая от наших глаз и непосредственных ощущений загадочная форма материи способна при некоторых условиях рождать вещественные частицы без нарушения законов сохранения. Подобные условия могут складываться как под воздействием внешних сил, скажем, мощных полей тяготения или электромагнитных полей, так и «спонтанно», самопроизвольно.

Теория «инфляции»

Необходимость преодоления упомянутых выше трудностей привела к разработке теории так называемой раздувающейся, распухающей или инфляционной Вселенной.

Согласно этой теории, в результате спонтанного всплеска физического вакуума образовался первоначальный «объем» нашей Вселенной размером около 10^{– 33} сантиметра, содержащий не более 10^{– 5} граммов вещества. Затем произошло примерно следующее. По современным представлениям, физический вакуум обладает гравитационными свойствами. Однако эта гравитация порождает не притяжение, как в обычных условиях, а отталкивание. В современной Вселенной гравитация вакуума либо совершенно отсутствует, либо чрезвычайно мала. Но в начальный период расширения при колоссальной температуре она должна была достигать колоссальной величины. Такое состояние получило название «ложного вакуума».

Сперва гравитация вакуума была ниже, чем гравитация обычного вещества. Однако в процессе расширения наступил момент, когда она ее превзошла. Именно это обстоятельство и должно было вызывать «распухание» Вселенной, которое происходило со скоростью, во много раз превышающей скорость света. Это «распухание» сопровождалось стремительным уменьшением плотности обычного вещества и не менее стремительным понижением температуры.

И хотя, согласно теории, эта стадия продолжалась всего около 10^{– 30} с., за этот малый промежуток времени первоначальный объем Вселенной возрос примерно в 10⁵⁰ раз!

Происходило это «раздувание» по экспоненциальному закону (типа ех), то есть подобно тому, как растут в мире цены в соответствии со скоростью инфляции. Поэтому-то «раздувающуюся» Вселенную и называют «инфляционной» Вселенной.

Во время инфляционного расширения каждые 10^{– 34} с. все области нарождающейся Вселенной сперва удваивали свои размеры, а в дальнейшем этот процесс развертывался в геометрической прогрессии. Все части Вселенной разлетались как при взрыве. Это и был фактически Большой взрыв!

Из вакуума родилось огромное количество реальных частиц вещества с общей массой около 10⁸⁰ г. При этом вся энергия вакуума перешла в тепловую и Вселенная разогрелась до чрезвычайно высокой температуры. Одновременно с этим исчезло и свойственное состоянию «ложного вакуума» гравитационное отталкивание, сменившись обычной гравитацией, замедляющей расширение. С этого момента дальнейшая эволюция происходила в соответствии с теорией горячей расширяющейся Вселенной. Таким образом, пустое пространство самопроизвольно «взорвалось» благодаря отталкиванию, присущему ложному вакууму.

Если бы образование «пространства-времени» происходило в состоянии истинного вакуума, то инфляция не могла бы развиться и Большой взрыв свелся бы к слабому всплеску.

Теория «распухающей» Вселенной способна разрешить многие из загадок, о которых упоминалось выше, например, формирование однородности и изотропии современной Вселенной. До начала раздувания внутри общего «горизонта» в близких точках должна была установиться приблизительно одинаковая температура и другие физические условия. Но в период раздувания со сверхзвуковой скоростью эти точки оказались стремительно разнесенными на огромные расстояния друг от друга.

Но что значит «раздувание со сверхсветовой скоростью»? И не просто со сверхсветовой, а, как показывают расчеты, со скоростью, превышающей скорость света в огромное число раз? Не противоречит ли подобное утверждение одному из фундаментальных положений современной физики, согласно которому передача любых физических взаимодействий в нашей Вселенной не может происходить со скоростями, большими, чем скорость света.

Таким образом, возникает парадоксальная ситуация, требующая специального объяснения. И подобное объяснение существует…

Прежде всего попытаемся разобраться в том, каким способом можно измерить скорость тела, которое проносится мимо неподвижного наблюдателя, скажем, скорость гоночного автомобиля. Для этого выбирается некий «жесткий масштаб», своеобразная «мерная линейка», и отмечаются моменты времени, когда наш автомобиль поравняется с ее началом и концом. Поделив длину нашей «линейки» на разность зарегистрированных моментов времени, мы и определим интересующую нас скорость. Все очень просто… Между прочим, примерно таким способом пользуются при определении скоростей гоночных автомобилей во время рекордных заездов. А теперь рассмотрим более сложную ситуацию, когда наблюдатель находится от движущегося тела – того же автомобиля на очень большом расстоянии. Что может послужить нам «мерной линейкой» в подобных условиях? Ведь без нее не обойтись! Необходимо хотя бы мысленно связать с наблюдателем некую систему отсчета, некий жесткий «каркас». И продолжить этот «каркас» к тому месту, где находится движущееся тело. Измерив по отношению к нему скорость движения автомобиля, мы тем самым определим и его скорость по отношению к наблюдателю. В общем это тоже довольно обычный процесс измерения относительной скорости двух удаленных друг от друга тел.

Но при этом должно выполняться одно непременное условие! Наша система отсчета – «каркас» – обязательно должна быть жесткой и жестко связанной с наблюдателем. Нетрудно сообразить, что любые деформации системы отсчета неизбежно приведут к тому, что скорость движения автомобиля, измеренная по отношению к этой системе в том месте, где автомобиль движется, уже не будет скоростью по отношению к наблюдателю.

Возможно ли ввести такую жесткую систему отсчета, необходимую для измерения относительной скорости, в период начального «раздувания» Вселенной? Принципиально невозможно! Мощные силы гравитационного отталкивания, действующие в состоянии «ложного вакуума», будут неизбежно деформировать любой достаточно протяженный «каркас». А это значит, что в подобном состоянии понятие относительной скорости для удаленных друг от друга точек просто-напросто теряет физический смысл. Поэтому-то «распухающая» Вселенная и может раздуваться как угодно быстро, без нарушения фундаментального принципа предельного характера скорости света.