Есть много разных взглядов на «цифровую физику». См., например, книгу С. Вольфрама: Stephen Wolfram, «A New Kind of Science». Champaign, Ill.: Wolfram Media, 2002; и книгу С. Ллойда: Seth Lloyd, «Programming the Universe». New York: Alfred A. Knopf, 2006. Математик Роджер Пенроуз считает, что человеческий разум основывается на невычислимых процессах и, следовательно, Вселенная, в которой мы обитаем, обязана содержать невычислимые математические функции. С этой точки зрения наша Вселенная не соответствует цифровой парадигме. См., например: Penrose Roger, «The Emperor’s New Mind». New York: Oxford University Press, 1989; Penrose Roger, «Shadows of the Mind». New York: Oxford University Press, 1994.
Steven Weinberg, «The First Three Minutes». New York: Basic Books, 1973, p. 131.
Изобразить искривлённое пространство легче, чем искривлённое время, поэтому во многих популярных изложениях теории гравитации Эйнштейна внимание уделяют только первому. Однако в действительности основной вклад в притяжение хорошо известных нам объектов, таких как Земля и Солнце, вносит кривизна времени, а не пространства. В качестве иллюстрации представьте себе двое часов: одни у земной поверхности, а вторые — на верхнем этаже Эмпайр-стейт-билдинг. Поскольку те часы, которые находятся внизу, расположены ближе к центру Земли, на них действует более мощная сила притяжения, чем на часы, которые размещены высоко над Манхэттеном. Общая теория относительности указывает, что из-за этого скорость течения времени для тех и других часов будет слегка различной: нижние часы будут идти чуть медленнее (на несколько миллиардных долей секунды в год), чем часы на высоте. Эта нестыковка во времени является примером того, что мы имеем в виду, когда говорим об искривлённом времени. Общая теория относительности утверждает, что объекты двигаются в те области пространства, где время течёт медленнее, — в каком-то смысле все объекты «хотят» стареть как можно медленнее. С точки зрения Эйнштейна, это объясняет, почему любой объект падает, когда вы его отпускаете.
Вскоре мы увидим, что Эйнштейн отказался от статичной вселенной, столкнувшись с астрономическими данными, согласно которым вселенная расширяется. Однако, следует отметить, что его опасения насчёт статичной вселенной предшествовали получению этих данных. Физик Виллем де Ситтер указал Эйнштейну, что его статичная вселенная нестабильна: стоит её слегка толкнуть, и она начнёт расти или сжиматься. Физики избегают решений, которые могут существовать лишь в идеальных, неискажённых условиях.
В модели Большого взрыва расширение пространства вовне во многом подобно движению вверх подброшенного мяча: сила притяжения гравитации тянет обратно движущийся вверх мяч, и тем самым замедляет его движение; аналогичным образом сила притяжения гравитации действует на разлетающиеся галактики и тем самым тормозит их движение. Ни в одном из случаев движение вперёд не требует отталкивающей силы. Однако вы всё равно можете спросить: мяч был запущен вверх рукой, а что «запустило» пространство и его расширение вовне? Мы вернёмся к этому вопросу в главе 3, где увидим, что современная теория постулирует непродолжительную вспышку гравитационного отталкивания, действующего в самые ранние моменты космической истории. Мы также увидим, что более точные данные свидетельствуют о том, что расширение пространства не замедляется со временем, что приводит к удивительному — и это станет ясно в последующих главах — воскрешению потенциально глубокого смысла космологической постоянной.
С учётом предыдущего обсуждения того, что материя искривляет область пространства, в которую она погружена, читателя может удивить, что кривизны нет, хотя материя присутствует. Это объясняется тем, что равномерное распределение материи, как правило, искривляет пространство-время; в данном частном случае пространственная кривизна равна нулю, а пространственно-временная кривизна не нулевая.
Приведённое количество справедливо для текущей эры. В более ранней Вселенной критическая плотность была выше.
Если бы Вселенная была статична, то свет, путешествующий в течение последних 13,7 миллиардов лет и только сейчас достигший нас, действительно был бы излучён с расстояния в 13,7 миллиардов световых лет. В расширяющейся вселенной, в то время, пока свет находится в пути, испустивший его объект продолжает отдаляться миллиарды лет. Таким образом, на момент, когда мы принимаем этот свет, объект находится ещё дальше — значительно дальше, — чем 13,7 миллиардов световых лет. Вычисления с помощью общей теории относительности показывают, что этот объект (допустим, что он всё ещё существует и постоянно движется вместе с расширяющимся пространством) будет теперь находиться на расстоянии примерно 41 миллиарда световых лет. В этом смысле, наблюдаемая Вселенная имеет диаметр примерно 82 миллиарда световых лет. Свет от объектов, находящихся дальше, ещё не успел до нас дойти, и поэтому они находятся за пределами нашего космического горизонта.
Более по́лно чёрные дыры я буду обсуждать в последующих главах. Здесь же будем придерживаться укоренившегося в популярной литературе представления о чёрной дыре как о некоторой пространственной области — можно представить себе шар в пространстве, — гравитационное притяжение которой настолько велико, что ничего из пересекающего её границу не может вырваться обратно. Чем больше масса чёрной дыры, тем больше её размер. Поэтому когда что-нибудь падает в чёрную дыру, то увеличивается не только масса, но и размер чёрной дыры.
В отечественной литературе принят введённый И. С. Шкловским термин «реликтовое излучение», которым мы будем пользоваться в оставшейся части книги. (Прим. перев.)
Следует отметить, что хотя у галактик нет реактивных двигателей, в общем случае они движутся чуть быстрее, чем ожидается из расширения пространства — как правило, это результат крупномасштабных межгалактических гравитационных сил, а также внутреннего движения вращающегося газового облака, из которого образуются звёзды в галактиках. Скорость такого движения называется пекулярной и, как правило, она достаточно мала, поэтому в космологическом анализе ею можно смело пренебречь.
Аналогично, сверхбыстрое расширение пространства означает, что регионы, достаточно отдалённые друг от друга в настоящий момент, находились в ранней Вселенной гораздо ближе, чем предсказывает стандартная теория Большого взрыва, обеспечивая таким образом выравнивание температуры до того, как инфляция разметала эти регионы друг от друга.
Вы можете подумать, что отрицательное давление втягивает вовнутрь и поэтому противоречит гравитационному отталкиванию, то есть выдавливанию наружу. На самом деле, однородное давление, независимо от знака, вообще не давит и не выталкивает. Барабанные перепонки лопаются, только если оказываемое на них давление неравномерно — с одной стороны меньше, чем с другой. Описываемое здесь отталкивание является гравитационной силой, порождённой однородным отрицательным давлением. Трудный, но ключевой момент для понимания. Я повторюсь: положительная масса или положительное давление приводят к гравитационному притяжению, а отрицательное давление приводит к менее привычному гравитационному отталкиванию.
Так как быстрое расширение пространства называется инфляцией, то следуя исторической традиции придумывания названий, поле, обеспечивающее инфляцию, стали называть инфлатоном (по аналогии с фотоном, электроном, нейтроном, мюоном и так далее).
Алан Гут осознал бесконечную природу инфляции; Пол Стейнхард предложил её математическую реализацию в определённом контексте; Александр Виленкин описал её в самых общих терминах.
Термин «ячейка-вселенная» не менее наглядно изображает процесс возникновения Вселенной в объемлющей среде, заполненной инфлатоном (был предложен Аланом Гутом).
Ведущую роль в этих исследованиях сыграли Вячеслав Муханов, Геннадий Чибисов, Стивен Хокинг, Алексей Старобинский, Алан Гут, Co-Янг Пи, Джеймс Бардин, Пол Стейнхард и Майкл Тернер.
Аббревиатура от Cosmic Background Explorer. (Прим. ред.)
Подчеркнём, что речь идёт о фундаментальных частицах, таких как электроны и кварки, потому что у составных частиц, таких как протоны и нейтроны (состоящих из 3 кварков), значительная часть массы возникает из-за взаимодействия между конституэнтами (энергия глюонов, связывающих кварки внутри протонов и нейтронов, даёт основной вклад в массу этих составных частиц).
