Мичио Каку
Паралелни светове (6)

4
Инфлация и паралелни вселени

„Нищо не може да възникне от нищото.“

Лукреций

„Приемам, че вселената наистина се е появила от нищото преди около 10¹⁰ години… По мое скромно мнение, нашата вселена е просто едно от нещата, които се случват от време на време.“

Едуард Трайън

„Вселената е най-големият безплатен обяд.“

Алан Гът

В класическия научнофантастичен роман на Пол Андерсън „Тау нула“ хората изстрелват космически кораб на име „Леонора Кристийн“ с мисия да достигне най-близките звезди. Корабът може да побере екипаж от петдесет души и да развива скорости, близки до скоростта на светлината. По-важното е, че в случая се използват принципите на специалната теория на относителността, според която времето в кораба забавя хода си с увеличаването на скоростта на движение. Така полетът до близките звезди, отнемащ десетилетия на Земята, за астронавтите трае само няколко години. За наблюдателя на Земята корабът изглежда замръзнал във времето, сякаш е във филм със забавени кадри. За астронавтите обаче времето тече напълно нормално. Когато корабът намали скоростта си и хората се спуснат на новия свят, ще открият, че са изминали тридесет светлинни години за далеч по-кратко време.

Самият кораб е инженерно чудо, задвижвано с постояннотокови термоядрени двигатели, които черпят водород от околното пространство и го изгарят, за да получат неизчерпаема енергия. Скоростта му е толкова висока, че екипажът дори може да наблюдава доплеровото отместване на светлината — звездите пред тях са синкави, а оставащите назад изглеждат червеникави.

Изведнъж настъпва катастрофата. На десетина светлинни години от Земята корабът попада в турбулентност при преминаването си през облак междузвезден прах и механизмът за намаляване на скоростта се поврежда непоправимо. Ужасеният екипаж се оказва пленник на кораба беглец, ускоряващ се все повече и повече и приближаващ скоростта на светлината. Всички безпомощно гледат как цели звездни системи профучават покрай тях за някакви си минути. За една година корабът пропътува половината галактика. Накрая скоростта му става толкова огромна, че достига другите галактики за месеци, докато на Земята са изминали милиони години. Накрая астронавтите се носят с толкова близка до светлинната скорост (тау нула), че самата вселена започва да остарява пред очите им.

В един момент виждат как разширяването на вселената спира и тя започва да се свива. Температурите рязко се повишават и хората с ужас разбират, че приближава Големият срив. Всички казват молитвите си, докато температурата продължава устремно да се покачва, галактиките се събират в една и пред тях започва да се оформя космическият първичен атом. Огнената смърт изглежда неминуема.

Единствената им надежда е материята да се свие в ограничен обем с ограничена плътност и те със своята огромна скорост да успеят бързо да минат през нея. По някакво чудо щитовете им успяват да ги предпазят, докато прелитат през първичния атом и стават свидетели на раждането на нова вселена. Светът около тях отново започва да се разширява. Хората гледат със страхопочитание как пред очите им се образуват звезди и галактики. Успяват да поправят кораба си и избират галактика, която е достатъчно стара, за да съдържа по-тежки елементи. Накрая успяват да открият способна да поддържа живот планета и основават колония, за да продължат човешката раса.

Романът е писан през 1967 г., когато между астрономите се водеха ожесточени спорове за съдбата на вселената — дали тя ще загине от голям срив или от дълбоко замразяване, дали безкрайно ще пулсира или ще продължи да съществува вечно в едно и също състояние. Оттогава дебатът като че ли поутихна и се появи една нова теория, наречена теория за инфлационната вселена.

Раждането на инфлацията

„ЗАБЕЛЕЖИТЕЛНА ДОГАДКА“, написал Алан Гът в дневника си през 1979 г. Причина за въодушевлението му било разбирането, че може би му е хрумнала една от най-големите идеи в космологията. Гът бе направил първата по-основна ревизия на теорията за Големия взрив за последните петдесет години чрез едно плодотворно наблюдение — открил, че може да реши някои от великите загадки на космологията, ако приеме, че в момента на раждането си вселената се е разширила изключително бързо — невъобразимо по-бързо, отколкото предполагат повечето физици. Гът открил, че ако това хиперразширяване действително се е случило, ще може без усилия да реши някои от най-сложните въпроси на космологията, които до момента си оставаха без обяснение. Това била идея, която щяла да революционизира космологията. (Последните данни, включително и дошлите от сателита WMAP, са в съгласие с това предположение.) Тя не е единствената космологична теория, но засега е най-простата и най-убедителната.

Забележително е, че такава проста идея е в състояние да реши толкова много трънливи въпроси. Един от проблемите, които инфлацията решава така елегантно, е проблемът за плоската вселена. Астрономическите данни показват, че заоблеността на вселената е много близка до нулата — всъщност много по-близка, отколкото би трябвало да бъде според стандартната теория за Големия взрив. Това би могло да се обясни с предположението, че вселената се е разширила изключително бързо при възникването си, подобно на бързо надуван детски балон. Ние приличаме на мравки върху повърхността на балона и сме прекалено малки, за да можем да видим заоблеността му. Рязкото разширяване е разгънало континуума пространство-време толкова много, че той ни изглежда плосък.

Историческото значение на откритието на Гът е и в това, че то представлява приложение на различни раздели — от физиката на елементарните частици, занимаваща се с най-малките тела във вселената, до космологията, изучаваща вселената като цяло, в това число и възникването й. Днес разбираме, че най-дълбоките загадки на вселената не могат да намерят отговор без физиката на изключително малкото — света на квантовата теория и физиката на елементарните частици.

В търсене на единство

Гът е роден през 1947 г. в Ню Брънзуик, Ню Джързи. За разлика от Айнщайн, Гамов или Хойл, при него нямало уред или някакво знаменателно събитие, което да го накара да се устреми към света на физиката. Никой от родителите му не е завършил колеж и не проявявал особени интереси към науката. Самият Гът обаче признава, че винаги се е интересувал от отношението между математиката и законите на природата.

Като студент в Масачузетския технологичен институт през 60-те, Гът сериозно обмислял да специализира физика на елементарните частици. Особено силно се впечатлил от новата революционна вълна във физиката — търсенето на единство на всички фундаментални сили. От векове Светият граал на физиците било откриването на обединяваща теория, която да е в състояние да обясни всички явления във вселената по възможно най-простия и последователен начин. Още от времето на древните гърци учените смятали, че вселената такава, каквато я виждаме в момента, е всъщност куп отломки от някаква по-висша простота и нашата цел е да разкрием нейното единство.

След две хиляди години проучвания върху естеството на материята и енергията физиците открили, че цялата вселена се задвижва само от четири фундаментални сили. (Опитали се да намерят и евентуална пета сила, но засега всички резултати в тази посока са отрицателни или съмнителни.)

Първата сила е гравитацията, която поддържа Слънцето цяло и движи планетите по небесните им пътища. Ако гравитацията внезапно се „изключи“, звездите в небето ще експлодират, Земята ще се разпадне и всички ние ще бъдем запратени в космоса със скорост около 1500 км/ч.

Втората фундаментална сила е електромагнитната — същата, която осветява градовете ни и благодарение на която съществуват телевизията, клетъчните телефони, радиото, лазерните лъчи и интернетът. Ако електромагнитната сила внезапно спре, нашата цивилизация моментално ще се озове един-два века назад, потопена в мрак и тишина. Това бе много добре илюстрирано от голямото спиране на тока през 2003 г. в Америка, което парализира целия Североизток. Ако изследваме микроскопски електромагнитната сила, ще видим, че тя всъщност е съставена от миниатюрни частици (или кванти), наречени фотони.

Третата сила е слабата ядрена сила, която е причина за радиоактивността. Слабата сила не е достатъчно силна, за да задържи ядрото на атома цяло и поради това му позволява да се разпада. Ядрената медицина в болниците зависи изключително от слабата ядрена сила. Благодарение на нея ядрото на Земята се нагорещява от радиоактивните материали и отделя огромна енергия под формата на изригващи вулкани. На свой ред слабата ядрена сила се основава на взаимодействието между електроните и неутриното (призрачни частици, които нямат почти никаква маса и могат да преминат през трилиони километри олово, без да си взаимодействат с него). Тези електрони и неутрино си обменят други частици, наречени W– и Z-бозони.

Ядрата на атомите се държат в едно цяло благодарение на силната ядрена сила. Без нея ядрата щяха да се дезинтегрират, атомите щяха да се разпаднат и познатият ни свят би преминал в еднородна маса. Силната ядрена сила е причина за съществуването на стотината елементи, изпълващи вселената. Заедно двете ядрени сили са причина от звездите да се излъчва светлина според уравнението на Айнщайн E = mc². Без тях вселената щеше да е тъмна, температурата на Земята щеше да е изключително ниска и океаните щяха да замръзнат до дъно.

Изумителното при тези четири сили е, че те нямат нищо общо помежду си и се характеризират с различни стойности и свойства. Например гравитацията е най-слабата от тях — цели 10³⁶ пъти по-слаба от електромагнитната сила. Земята тежи 6 трилиона трилиона килограма и въпреки това огромната й маса и гравитация лесно могат да се анулират от електромагнитната сила. Например гребенът ви може да повдигне малки парченца хартия чрез статичното електричество и така да преодолее гравитацията на цялата планета. Освен това гравитацията е само привличане. Електромагнитната сила може да бъде привличане и отблъскване, в зависимост от заряда на частицата.

Единство в Големия взрив

Един от фундаменталните въпроси, пред които са изправени физиците, е защо вселената трябва да се управлява от четири точно определени сили? И защо те трябва да изглеждат толкова различни, с различни стойности, различни начини на взаимодействие и различна физика?

Айнщайн пръв се залавя със задачата да обедини четирите сили в една обща и последователна теория, като отначало обединява гравитацията с електромагнетизма. Той не успял, тъй като далеч изпреварил времето си. Тогава се знаело прекалено малко за силната ядрена сила, за да може да се изведе реалистична обща теория на полето. Но пионерското дело на Айнщайн отворило очите на физиката за една възможна „теория на всичкото“.

Целта на общата теория на полето изглеждала абсолютно безнадеждна през 50-те, особено като се има предвид, че физиката на елементарните частици се намирала в пълен хаос — учените разцепвали атоми, за да открият „елементарните градивни единици“ на материята, но вместо това се натъквали на стотици и стотици други частици. „Физика на елементарните частици“ се превърнала в противоречие на термини, в същинска космическа шега. Гърците смятали, че ако разделяме материята на все по-малки и малки части, нещата стават все по-прости. Случило се тъкмо обратното — на физиците не им достигнали буквите в гръцката азбука, за да означат новите частици. Опенхаймер дори се пошегувал, че Нобеловата награда за физика трябва да се присъди на учен, който не е открил нито една нова частица за годината. Нобеловият лауреат Стивън Уайнбърг започнал да се пита дали човешкият ум е в състояние да разкрие тайната на ядрената сила.

Тази бъркотия и объркване донякъде поутихнали през 60-те, когато Мъри Гелман и Джордж Цвайг от „Кал Тек“ предложиха идеята за кварките — частиците, от които са съставени протоните и неутроните. Според тяхната теория три кварка правят протон или неутрон, а един кварк и един антикварк правят мезон (частицата, която държи ядрото в едно цяло). Това е само частично решение (тъй като днес сме затрупани с различни видове кварки), но въпреки това успя да внесе раздвижване в изпадналата в полулетаргия област.

През 1967 г. Стивън Уайнбърг и Абдъс Салам направиха зашеметяващ пробив, като доказаха, че е възможно обединяването на слабата ядрена сила с електромагнетизма. Според новата им теория електроните и неутриното (наречени лептони) си взаимодействат помежду си, като си разменят W– и Z-бозони, както и фотони. Като третират W– и Z-бозоните наравно с фотоните, двамата създадоха теория, която обединява двете ядрени сили. През 1979 г. Стивън Уайнбърг, Шелдън Глашоу и Абдъс Салам получиха Нобелова награда за колективната им работа върху обединяването на две от четирите сили — слабата ядрена и електромагнитната — и за постиженията им в разбирането на силната ядрена сила.

През 70-те години физиците анализираха данните от линейния ускорител на елементарни частици в Станфорд (SLAC — Stanford Linear Accelerator Center), който изстрелваше интензивни лъчи от електрони, за да проникнат във вътрешността на протона. Учените откриха, че силната ядрена сила, която задържа кварките в протона, може да се обясни чрез въвеждането на нови частици, наречени глуони, които са кванти на силното ядрено взаимодействие. Така свързващата протона сила може да се обясни като обмен на глуони между кварките. Това доведе до създаването на нова теория за силната ядрена сила, наречена квантова хромодинамика.

И така, към средата на 70-те стана възможно да се обединят три от силите (с изключение на гравитацията) и да се получи т.нар. Стандартен модел — теория за кварки, електрони и неутрино, които си взаимодействат чрез обмен на глуони, W– и Z-бозони и фотони. Това бе кулминацията на продължилия десетилетия усилен труд в областта на физиката на елементарните частици. Понастоящем теорията е в съответствие с всички експериментални данни без изключение.

Макар Стандартният модел да е една от най-успешните физични теории на всички времена, той е изключително нескопосан. Трудно е да се повярва, че на фундаментално ниво вселената може да работи според теория, която изглежда съшита с бели конци. Така например в нея има деветнадесет условни параметъра, които просто са включени без никаква причина (т.е., различните маси и сили на взаимодействие не се определят от теорията, а са получени чрез експерименти; в идеалния случай, при една истинска обща теория, тези константи би трябвало да се определят от самата теория, без за целта да се разчита на външни опити).

 

Това са субатомните частици, съдържащи се в Стандартния модел — най-успешната теория на елементарните частици. Състои се от кварки, които изграждат протоните и неутроните, лептони като електрона и неутриното и много други частици. Обърнете внимание, че има три идентични копия на субатомни частици, което си остава загадка. Тъй като не включва гравитацията (и изглежда толкова тромаво), Стандартният модел не може да се смята за окончателната теория.

 

Освен това има три точни копия на елементарни частици, наречени поколения. Трудно е да се приеме, че на природата й е нужно да използва три еднакви копия на субатомни частици. Като се изключат масите им, тези поколения са пълни дубликати. (Например копията на електрона включват частиците мюон, който тежи 200 пъти, и тау, която тежи 3500 пъти повече от електрона.) И освен всичко това, в Стандартния модел изобщо не се споменава за гравитацията, макар че тя е може би най-изразената сила във вселената.

Тъй като Стандартният модел изглежда толкова скалъпен независимо от поразителните си експериментални успехи, физиците се опитаха да развият друга теория, наречена Велика обща теория (GUT — Grand Unified Theory), която разглежда наравно кварки и лептони. Освен това теорията поставя на едно и също ниво глуоните, W– и Z-бозоните. (Тя обаче също не може да бъде наречена „окончателна теория“, защото гравитацията продължава да се изключва. Както ще видим, явно е прекалено трудно тя да бъде обединена с останалите три сили.)

От своя страна програмата за обединяване въведе нова парадигма в космологията. Идеята бе проста и елегантна — в момента на Големия взрив четирите фундаментални сили са били обединени в една обща и загадъчна „свръхсила“. И четирите величини са имали еднаква сила и са били част от едно по-голямо цяло. Вселената е започнала съществуването си в състояние на съвършенство. При разширяването и бързото й охлаждане обаче тази първоначална свръхсила започнала да се „пропуква“ и отделните сили успели да се обособят като самостоятелни.

Според тази теория охлаждането на вселената след Големия взрив е аналогично на замръзването на водата. Когато е в течно състояние, водата е еднородна. При замръзването й обаче в нея се образуват милиони миниатюрни кристали. Когато водата замръзне окончателно, от първоначалната й еднородност не остава нищо и ледът се състои от множество пукнатини, мехури и кристали.

С други думи, съвременната вселена е ужасно разнебитена. Тя далеч не е еднородна и симетрична, а се състои от назъбени планински ридове, вулкани, урагани, скалисти астероиди и избухващи звезди, които не представляват едно последователно цяло. Нещо повече — ние виждаме четирите фундаментални сили без никаква връзка помежду им. А причината вселената да е в такова плачевно състояние е в това, че тя е прекалено стара и студена.

Въпреки че е започнала съществуването си в състояние на съвършено единство, вселената е претърпяла множество фазови преходи или промени на състоянието си, при които в хода на охлаждането четирите фундаментални сили се освобождавали една след друга. Целта на физиците е да се върнат назад и да реконструират стъпките, през които е минала вселената и които са я довели от състоянието на съвършенство до онова разнебитено положение, в което я виждаме днес.

Ето защо ключът е да се разбере как точно са възникнали и са протекли фазовите преходи, наричани от физиците „спонтанно разчупване“. Независимо дали става дума за топене на лед, кипене на вода, образуване на дъждовни облаци или охлаждане след Големия взрив, фазовите преходи могат да свържат две напълно различни състояния на материята. (За да илюстрира колко мощни могат да бъдат тези преходи, артистът Боб Милър бе задал гатанката: „Как ще окачите във въздуха четвърт милион килограма вода, без да ги поддържате по никакъв начин?“ Отговор: „Направете си облак.“^[1])

Фалшивият вакуум

Когато една от силите се отдели от останалите, процесът може да се сравни с разбиването на язовирна стена. Реките текат надолу, защото водата се движи в посока към най-ниското количество енергия, което е на морското равнище. Най-ниското енергийно състояние се нарича вакуум. Съществува обаче и едно друго необичайно състояние, наречено фалшив вакуум. Ако например преградим реката, язовирната стена ще изглежда стабилна, но всъщност ще се намира под огромно напрежение. Ако в нея се появи и най-малката пукнатина, напрежението може внезапно да я разбие и от фалшивия вакуум (преградената река) да се освободи огромно количество енергия, която да предизвика катастрофални наводнения в посока към истинския вакуум (морското равнище). Ако спонтанно разрушим язовирната стена и направим рязък преход към истински вакуум, под водата могат да се окажат цели селища.

По същия начин според Великата обща теория вселената е започнала съществуването си в състояние на фалшив вакуум, при което трите сили са били обединени в една обща. Това състояние обаче е било нестабилно и вселената спонтанно се е разчупила и е извършила преход от фалшивия вакуум, при който силите са били обединени, към истински, при който силите съществуват отделно една от друга.

Това е било известно, преди Гът да се заеме да анализира Великата обща теория. Той обаче забелязал нещо, което останалите пропускали. В състояние на фалшив вакуум вселената се разширява експоненциално, точно както предсказал Де Ситер още през 1917 г. Именно космологичната константа — енергията на фалшивия вакуум — кара вселената да се разширява с такава огромна скорост. Гът си задал съдбовния въпрос — може ли това експоненциално разширяване на Де Ситер да реши някои от проблемите на космологията?

Проблемът с монополюсите

Едно от предположенията на редица обединяващи теории е появата на множество монополюси в началото на вселената. Монополюсът представлява самостоятелен магнитен север или юг. В природата полюсите винаги се срещат заедно. Ако вземете един магнит, неизменно ще откриете, че той притежава неразривно свързани северен и южен полюс. Ако вземете чук и разбиете магнита на две, няма да получите два монополюса — вместо това ще разполагате с два по-малки магнита, като всеки от тях ще има своя двойка полюси.

Проблемът обаче е в това, че през вековете на експерименти учените така и не са открили доказателства за съществуването на монополюси. Тъй като никой не е попадал на подобно нещо, Гът бил озадачен защо обединяващите теории предричали съществуването им. „Подобно на митичния еднорог, монополюсът продължава да омайва човешкия ум, независимо от липсата на достоверни наблюдения“^[2], отбелязва той.

И точно тогава получил прозрение. За миг всички части от мозайката се наредили. Гът разбрал, че ако вселената е започнала съществуването си в състояние на фалшив вакуум, тя би трябвало да се разширява експоненциално, точно както предположил навремето Де Ситер. Учените не са успели да открият монополюс само защото те се намират във вселена, която е много по-голяма от онова, което се предполага.

Това откровение било източник на възхищение и радост за Гът. Такова просто наблюдение би могло съвсем лесно да обясни проблема с монополюсите. Но Гът си давал сметка, че предположението му ще има последици, далеч надхвърлящи първоначалната му идея.

Проблемът с плоската вселена

Теорията на Гът дава отговор на проблема за плоската вселена, който вече разгледахме. Стандартната представа за Големия взрив не е в състояние да обясни защо вселената е толкова плоска. През 70-те години се смяташе, че плътността на материята във вселената, означена като Омега, е около 0,1. Фактът, че стойността й е сравнително близка до критичната плътност 1,0 толкова милиарди години след Големия взрив, създаваше сериозни затруднения на физиците. При една разширяваща се вселена Омега би трябвало да се променя с времето. Стойността й обаче е неудобно близка до единица, което описва идеално плоско пространство.

Уравненията на Айнщайн показват, че каквато и приемлива стойност да е имала в зората на времето, днес Омега би трябвало да е почти нула. За да бъде съвременната й стойност толкова близка до единица милиарди години след Големия взрив, е нужно чудо. Това в космологията се нарича проблем на фината настройка. Бог или някакъв създател е трябвало да „избере“ стойността на Омега с фантастична точност, за да бъде тя днес около 0,1. За да може стойността й да е между 0,1 и 10, една секунда след Големия взрив Омега трябва да е била 100 000 000 000 000. С други думи, при раждането на вселената стойността трябва да е избрана с точност едно на сто трилиона, което е трудно за възприемане от човешкия ум.

Представете си, че се опитвате да поставите молив в изправено положение на върха му. Обикновено моливът пада, каквито и усилия да правите. Всъщност за целта е необходима фина настройка и огромна точност. А сега си представете, че трябва да нагласите молива така, че той да се задържи не една секунда, а цели години! Това горе-долу може да ви даде представа що за настройка е необходима, за да може днес стойността на Омега да е такава, каквато я измерваме. И най-малката грешка ще доведе до коренно различни от единица стойности. Защо тогава Омега е толкова близка до единица при положение, че стойността би трябвало да е съвсем друга?

За Гът отговорът бил очевиден. Вселената просто се е разширила толкова много, че е станала плоска. Поради това астрономите решили, че стойността на Омега е около единица — подобно на човек, който не вижда хоризонта и затова решава, че Земята е плоска.

Проблемът с хоризонта

Рязкото разширяване на вселената не само обяснява данните за плоската вселена, но и решава проблема с хоризонта. Въпросният проблем се основава на простото разбиране, че нощното небе изглежда сравнително еднородно, независимо в коя посока гледаме. Ако завъртите глава на 180 градуса, ще видите същата картина, въпреки че току-що сте наблюдавали части от вселената, отдалечени помежду си на десетки милиарди светлинни години. Мощните телескопи, взиращи се в небето, също не могат да регистрират особени отклонения. Спътниците ни показват, че фоновото излъчване е също изключително еднородно. Накъдето и да обърнем поглед, температурата на фоновото лъчение се отклонява с не повече от една десетохилядна от градуса.

Това обаче представлява проблем, тъй като скоростта на светлината е най-високата възможна скорост във вселената. Не е възможно в рамките на съществуването на вселената светлината или каквато и да било информация да премине от единия край на небето до другия. Например, ако гледаме към микровълновото лъчение в една посока, то е пътувало повече от 13 милиарда години от времето на Големия взрив. Ако обърнем глави в обратната посока, ще видим идентично фоново лъчение, което също е пътувало над 13 милиарда години. Тъй като температурата им е една и съща, двете лъчения би трябвало да се намират в термичен контакт по време на раждането на вселената. Не съществува обаче начин, по който някаква информация да може да измине разстоянието между две противоположни точки в нощното небе (разделени от повече от 26 милиарда светлинни години).

Ситуацията се влошава още повече, ако погледнем към небето 379 000 години след Големия взрив, когато фоновото лъчение току-що е възникнало. Ако погледнем противоположната част на небето, ще видим, че лъчението е почти същото. Но според изчисленията на теорията за Големия взрив, между тези противоположни точки има 90 милиона светлинни години (поради разширяването на пространството след взрива). Няма обаче начин светлината да е изминала 90 милиона светлинни години само за 379 000 години. Информацията би трябвало да се движи много по-бързо от скоростта на светлината, а това е невъзможно.

Според всички правила вселената би трябвало да изглежда доста тромаво и противоположните й части да са прекалено раздалечени, че помежду им да може да има някакъв контакт. Как тогава е възможно тя да изглежда толкова еднородна, щом светлината просто няма достатъчно време, за да смеси и разпространи информация от една далечна част до друга? (Робърт Дике от Принстън нарече това проблем с хоризонта, тъй като хоризонтът е най-далечната видима точка — най-далечното място, до което може да стигне светлината.)

Но според Гът рязкото разширяване е в състояние да разреши и този проблем. Той предполага, че нашата видима вселена е просто нищожно малък участък от първоначалното огнено кълбо. Самият участък е еднороден по плътност и температура. Инфлацията обаче внезапно е разширила участъка еднородна материя с фактор 10⁵⁰, много по-бързо от скоростта на светлината, поради което днес сме свидетели на една забележително еднородна вселена. Така че причината небето и фоновото лъчение да са толкова еднообразни е в това, че видимата вселена е била в миналото малък еднороден участък от първоначалното кълбо, който внезапно се е разширил.

Реакции спрямо инфлационната теория

Макар Гът да бил сигурен, че инфлационната теория е вярна, при първите си публични изявления той бе малко нервен. Когато излага теорията си през 1980 г., Гът признава: „Все още се тревожех, че някаква част от теорията може да се окаже ужасно погрешна. Страхувах се също да не се окажа пълен глупак в космологията.“ Теорията му обаче е толкова елегантна и силна, че всички физици незабавно разбраха колко важна е тя. „Вие решихте най-важния проблем на космологията!“^[3], възкликнал нобеловият лауреат Мъри Гелман. Шелдън Глашоу признал на Гът, че Стивън Уайнбърг бил „бесен“, когато чул за инфлацията. „Нима Стив има някакви възражения?“, с тревога запитал Гът. „Не — отвърнал Глашоу. — Яд го е, че сам не се е сетил.“^[4] Учените не можеха да проумеят как са могли да пропуснат едно толкова просто решение. Физиците теоретици, изумени от широтата на теорията на Гът, я приеха с небивал ентусиазъм.

Това имало последици и върху предложенията за работа. Поради слабото търсене на специалисти Гът бил изправен пред заплахата да остане безработен. „Намирах се на самия ръб“^[5], признава той. Изведнъж започнал да получава предложения за работа от водещи университети, но не и от онзи, който стоял на първо място в списъка му — Масачузетския технологичен институт. Точно тогава му попаднала курабийка с късметче, в което прочел: „Очаква ви вълнуваща възможност, стига да не проявите прекалена нерешителност.“ Това му дало кураж да се обади в МТИ и да се поинтересува дали нямат свободни места. Бил направо поразен, когато няколко дни по-късно от института му се обадили и му предложили преподавателско място. В следващата курабийка късметчето гласяло: „Не действайте под въздействие на моментния си импулс.“ Гът не обърнал внимание на съвета и решил да приеме предложението. „Пък и какво толкова може да има в някаква си курабийка?“, казал си той.

Въпреки това все още имало сериозни проблеми. Астрономите далеч не били чак толкова впечатлени от теорията на Гът, тъй като тя имала един сериозен недостатък — давала невярно предположение за стойността на Омега. Фактът, че Омега може да е приблизително равна на единица, може да се обясни с рязкото разширяване. Инфлационната теория обаче отива много по-далеч и предвижда Омега (или Омега плюс Ламбда) да е точно 1,0, което означава плоска вселена. През следващите години с натрупването на нови данни за огромното количество тъмна материя, стойността на Омега леко се повиши и достигна 0,3. Това обаче е потенциален убиец на инфлационната теория. Макар че теорията станала повод за написването на над три хиляди статии по физика за едно десетилетие, за астрономите инфлацията продължавала да изглежда странно. Според тях наличните данни би трябвало да направят инфлацията невъзможна.

Някои астрономи се оплакаха, че занимаващите се с физика на елементарните частици учени дотолкова са обсебени от красотата на инфлационната теория, че са склонни да игнорират експерименталните факти. („Тази «инфлационна» теория звучи налудничаво. Фактът, че се приема насериозно от хора, които седят удобно на столовете си, не я прави автоматично вярна“^[6], пише астрономът Робърт Киршнер от Харвард. Роджър Пенроуз от Оксфорд я нарече „мода, наложена от специалисти по физика на елементарните частици, заели се да се занимават с космология… Дори мравоядите смятат децата си за прекрасни“^[7].)

Гът смятал, че рано или късно данните ще покажат, че вселената е плоска. Онова, което наистина го притеснявало, е, че първоначалната картина страда от един малък, но жизненоважен недостатък, който не може да се разбере напълно и до наши дни. Инфлацията е идеална за решаването на редица сериозни въпроси на космологията. Проблемът е там, че Гът не знаел как да спре инфлацията.

Да си представим, че загряваме тенджера с вода до точката на кипене. Малко преди да кипне, тя се намира в най-високо енергийно състояние. Водата иска да кипне, но не може, тъй като са й необходими някакви примеси, за да започне да образува мехури. Щом обаче мехурите се появят, водата бързо преминава в по-ниското енергийно състояние на истинския вакуум и тенджерата се изпълва с мехури. Накрая те стават толкова големи, че започват да се сливат, докато тенджерата не се напълни равномерно с пара. Когато всички мехури се слеят, фазовият преход от вода към пара приключва.

В първоначалната картина на Гът всеки мехур е част от нашата вселена, който се разширява във вакуума. Но когато направил изчисленията, Гът открил, че мехурите не се сливат правилно и вселената се получава невероятно тромава. С други думи, теорията му оставя пълна с мехури тенджера, които никога не се сливат, за да образуват еднородна пара. Като че ли тенджерата на Гът не е в състояние да образува вселената, каквато я виждаме днес.

През 1981 г. Андрей Линде от института „Лебедев“ в Москва, Пол Дж. Стейнхард и Андреас Албрехт от Пенсилванския университет намериха изход от главоблъсканицата, като предположиха, че ако един-единствен мехур фалшив вакуум се разширява достатъчно дълго, той в крайна сметка ще изпълни цялата тенджера и ще създаде еднородна вселена. С други думи, всичко около нас би могло да бъде продукт на един-единствен мехур, който е толкова голям, че е изпълнил вселената. Не е нужно да имаме голям брой сливащи се мехури, за да получим еднородна пара. Достатъчен е и един-единствен, стига да се разширява достатъчно дълго.

Да се върнем на аналогията с язовирната стена и фалшивия вакуум. Колкото по-дебела е стената, толкова повече време е нужно на водата, за да премине през нея. Ако стената е достатъчно дебела, тогава преминаването на водата ще бъде достатъчно забавено. Ако вселената бъде оставена да се разширява с фактор 10⁵⁰, то един-единствен мехур би имал достатъчно време, за да реши проблемите с хоризонта, плоскостта и монополюсите. С други думи, ако пробивът се забави достатъчно, вселената се разширява толкова дълго, че да стане плоска и да разреди монополюсите. Но въпреки това остава въпросът какъв механизъм може да удължи такова огромно разширяване?

В крайна сметка, този завързан проблем стана известен като „проблемът за елегантния изход“ — т.е., как да разширяваме вселената достатъчно дълго, за да може един-единствен мехур да създаде цялата вселена. През годините бяха предложени над петдесет механизма за разрешаването му. (Проблемът е измамно труден. Аз самият опитах няколко решения. Сравнително лесно е да се предизвика скромно разширение в ранната вселена. Изключително трудно обаче се оказва да накараш вселената да се разширява с фактор 10⁵⁰. Разбира се, въпросният фактор би могъл просто да се въведе ръчно, но подходът е некоректен.) С други думи процесът на рязко разширяване се смяташе за решение на проблемите за монополюсите, хоризонта и плоската вселена, но никой не можеше да каже какво точно предизвиква инфлацията и какво я е накарало да спре.

Хаотична инфлация и паралелни вселени

Андрей Линде не се развълнувал особено от факта, че никой не приел решението на проблема за елегантния изход. „Просто имах чувството, че не е възможно Бог да не е използвал такава чудесна възможност да опрости работата си“^[8], признава той.

Накрая Линде предложи нова версия на инфлационната теория, която като че ли елиминираше някои недостатъци на предишните версии. Неговият модел предвижда вселена, в която на произволни места в пространството и времето се случват спонтанни пробиви. Всеки път при подобен пробив се създава вселена, която рязко се разширява до известни граници. Тъй като процесът е хаотичен, в крайна сметка ще се получи мехур, в който инфлацията продължава достатъчно дълго, за да създаде нашата вселена. Логичното заключение от тази идея е, че инфлацията е непрекъсната и вечна и непрекъснато има големи взривове, при които от едни вселени се появяват нови. Според тази картина вселените могат да се „пъпкуват“ една от друга и да създадат „мултивселена“.

Според теорията на Линде спонтанните пробиви могат да се случват навсякъде в нашата вселена и да позволят от нея да се появи нова вселена. Това означава също, че нашата собствена вселена може да е възникнала от някоя друга. В хаотичния инфлационен модел мултивселената е вечна, дори това да не се отнася за съставящите я вселени. Някои от тях могат да имат много високи стойности на Омега, поради което моментално ще загинат от Голям срив, настъпващ непосредствено след Големия взрив. При други Омега може да е много малка и те ще се разширяват вечно. Накрая мултивселената ще бъде доминирана от онези вселени, които се разширяват рязко в огромни размери.

Като погледнем назад се оказва, че идеята за паралелните вселени ни е наложена принудително. Инфлационната теория представлява сливане на традиционната космология с постиженията на физиката на елементарните частици. Бидейки квантова теория, според физиката на елементарните частици съществува крайна вероятност да се случат малко вероятни събития, като например създаването на паралелни вселени. Така щом приемаме, че е възможно създаването на една вселена, ние автоматично отваряме врата за възможността да се създадат безкраен брой паралелни вселени. Замислете се например как квантовата теория описва електрона. Поради принципа на неопределеността той не съществува в една определена точка около ядрото, а във всички едновременно. Електронният „облак“ около ядрото представлява електрон, намиращ се едновременно на много места. Този принцип е залегнал в основата на химията и позволява на електроните да свързват молекулите в едно цяло. Причината нашите молекули да не се разпадат е в това, че паралелният танц на електроните около ядрата ги държи заедно. По същия начин някога вселената е била по-малка и от електрон. Когато приложим квантовата теория към вселената, ние сме принудени да допуснем възможността тя да съществува в много състояния едновременно. С други думи, щом започнем да прилагаме квантовите флуктуации към вселената, ние сме почти принудени да допуснем съществуването на паралелни вселени. Като че ли нямаме особени възможности за избор.

Вселената от нищо

На пръв поглед може да се възрази срещу идеята за мултивселената, тъй като тя като че ли е в разрез с познатите природни закони, като този за запазване на материята и енергията. Общото количество материя/енергия в една вселена може да е много малко. Материалното съдържание на вселената, в това число звездите, планетите и галактиките, е огромно и положително число. Съдържащата се в гравитацията енергия обаче може да е отрицателна. Ако прибавим положителната енергия на материята към отрицателната енергия на гравитацията ще получим резултат, близък до нула! В известен смисъл такива вселени са свободни. Те могат да се появят направо от вакуума почти без усилие. (Ако вселената е затворена, тогава общото й енергийно съдържание може да бъде равно на нула.)

(За да стане по-ясно, представете си магаре, което пада в голяма яма. За да го измъкнем, трябва да добавим енергия към магарето. Щом то се озове горе и застане на земята, това означава, че енергията му е нулева. Следователно, докато е било в ямата, магарето трябва да е имало отрицателна енергия — наложило ни се е да добавяме енергия, за да го поставим в нулево състояние. По същия начин — е необходимо да приложим енергия, за да изведем някоя планета от Слънчевата система. Щом се озове в дълбокия космос, енергията на планетата ще е нула. Тъй като ни се налага да влагаме енергия, за да я измъкнем и да я поставим в нулево енергийно състояние, планетата е имала отрицателна гравитационна енергия, докато се е намирала вътре в системата.)

Всъщност, за да се създаде вселена като нашата, е необходимо нищожно малко общо количество материя — може би по-малко от една унция (28,3 г). Както обича да казва Гът, „вселената може да се окаже безплатен обяд“. Идеята за създаването на вселена от нищото бе предложена за първи път през 1973 г. от физика Едуард Трайън от Хънтър Колидж към Нюйоркския университет в една статия в „Нейчър“. Трайън предположи, че вселената е „просто едно от нещата, които се случват от време на време“ поради квантовите флуктуации във вакуума. (Въпреки че нужното за създаване на вселена общо количество материя може да е близко до нула, тази материя трябва да е свита и невероятно плътна, както ще видим в 12 глава.)

Подобно на мита за Пан Ку, тук също имаме пример за основаваща се на creatio ех nihilo космология. Макар че теорията за възникналата от нищото вселена не може да се докаже по конвенционален начин, идеята ни дава отговор на съвсем практични въпроси за вселената. Например защо тя не се върти? Всичко около нас се върти — като започнем от пумпалите и стигнем до ураганите, планетите, галактиките и квазарите. Въртенето е като че ли универсална характеристика на материята. Но самата вселена не се върти. Ако погледнем галактиките в небето, общото им въртене се анулира. (Това е абсолютно случайно, защото, както ще видим в 5 глава, ако вселената се въртеше, то пътуването във времето щеше да бъде нещо съвсем обичайно и писането на история щеше да е невъзможно.) Причината вселената да не се върти може да се дължи на факта, че се е появила от нищото. Тъй като вакуумът не се върти, не би трябвало да очакваме общо въртене във вселената. Всъщност, възможно е всички мехури-вселени в мултивселената да имат нулево общо въртене.

Защо положителните и отрицателните електрически заряди се уравновесяват абсолютно точно? Обикновено когато говорим за управляващите вселената космически сили, ние мислим повече за гравитацията, отколкото за електромагнетизма. Причината за това е идеалното равновесие между положителните и отрицателните заряди. В резултат общият заряд на вселената е нула и затова именно гравитацията доминира във вселената, а не електромагнитната сила.

Макар че го възприемаме като нещо разбиращо се само по себе си, анулирането на положителните и отрицателните заряди е забележително и е проверено експериментално.^[9] (Разбира се, между зарядите има локален дисбаланс и именно затова можем да виждаме мълнии. Но общият сбор на зарядите дори при гръмотевичните бури е нула.) Ако в тялото ни имаше дори 0,00001 процент разлика между броя на положителните и отрицателните заряди, щяхме мигновено да бъдем разкъсани на парчета, които щяха да бъдат изхвърлени в космоса от електромагнитната сила.

Може би отговорът на тези главоблъсканици е в това, че вселената е произлязла от нищото. Тъй като вакуумът има нулево въртене и заряд, всяка новородена от нищото вселена също трябва да има нулево въртене и заряд.

(В това правило има едно очевидно изключение — защо вселената е съставена от материя, а не от антиматерия? Тъй като материята и антиматерията са противоположности (антиматерията има заряд, който е точно противоположен на заряда на материята), бихме могли да приемем, че Големият взрив е създал еднакви количества и от двете. Проблемът обаче е в това, че материята и антиматерията ще се анихилират взаимно при контакт и ще се сведат до гама-лъчи. А това означава, че не би трябвало да ни има. Вселената би трябвало да бъде хаос от гама-лъчи вместо купища обикновена материя. Ако Големият взрив е бил идеално симетричен (или ако се е появил от нищото), тогава би трябвало да очакваме образуването на равни количества материя и антиматерия. Тогава защо ни има? Решението, предложено от руския физик Андрей Сахаров, е, че Големият взрив изобщо не е бил симетричен. В момента на сътворението е съществувало малко отклонение в симетрията между материя и антиматерия, при което материята е била повече и благодарение на това вселената е такава, каквато я виждаме. (Нарушената по време на Големия взрив симетрия се нарича CP-симетрия, която обръща зарядите и двойките частици материя-антиматерия.) Ако вселената се е появила от „нищото“, то може би въпросното нищо не е било идеално празно, а в него е имало малко нарушаване на симетрията, което днес позволява слабо доминиране на материята над антиматерията. Произходът на това нарушаване на симетрията все още не може да се обясни.)^[10]

Как биха могли да изглеждат другите вселени

Идеята за мултивселената е привлекателна, защото единственото, което трябва да приемем, са хаотичните спонтанни пробиви. Всеки път когато една вселена поражда друга, физическите константи на новата вселена се различават от оригиналите си и така се създават нови природни закони. Това обаче поражда интересния въпрос как изглеждат тези други вселени. Ключът за разбирането на физиката на паралелните вселени е да разберем начина на възникването им — т.е., да разберем точно как се получават спонтанните пробиви.

Когато се случва спонтанен пробив и се ражда нова вселена, това нарушава симетрията във вселената родител. За физика красота означава симетрия и простота. Ако една теория е красива, това означава, че в нея има мощна симетрия, способна да обясни множество данни по най-компактния и икономичен начин. По-точно, едно уравнение се смята за красиво, ако остава едно и също, когато разменим компонентите му. Едно голямо предимство в намирането на скритите симетрии в природата е в това, че можем да докажем, че феномените, които на пръв поглед са съвсем различни, са всъщност свързани симетрично проявления на едно и също нещо. Например можем да покажем, че електричеството и магнетизмът са два аспекта на един и същ обект, защото в уравненията на Максуел съществува симетрия, която позволява смяната на единия с другия. По същия начин Айнщайн показа, че относителността може да превърне пространството във време и обратно, защото двете са част от един и същ обект — тъканта на континуума пространство-време.

Помислете си за снежинката и нейната прекрасна шесторна симетрия, която е източник на безкрайно възхищение. Красотата й си остава същата, когато завъртим снежинката на 60°. Това също означава, че всяко уравнение, с което се опитаме да опишем снежинката, трябва да отразява този факт — че снежинката остава една и съща при завъртане на 60°. Математически можем да кажем, че симетрията й е C₍₆₎.

В такъв случаи симетриите кодират скритата красота на природата. Но в реалността те са ужасно нарушени. Четирите фундаментални сили с нищо не приличат една на друга. Всъщност вселената е пълна с отклонения и дефекти. Ние сме заобиколени от фрагменти и късове от първоначалната симетрия, разбита на пух и прах от Големия взрив. Както казва физикът Дейвид Грос, „тайната на природата е симетрията, но голяма част от текстурата на света се дължи на механизми за нейното разрушаване“^[11].

Представете си как едно прекрасно огледало се разбива на хиляди парчета. Първоначалното огледало има идеална симетрия. Можете да го завъртите под всякакъв ъгъл и то ще продължи да отразява светлината по един и същ начин. След счупването му обаче тази симетрия се нарушава. Определянето как точно е нарушена симетрията определя и как е счупено огледалото.

Нарушаване на симетрията

Да вземем развитието на ембрион. В ранните си стадии, само няколко дни след зачеването, той представлява идеална сфера от клетки, които по нищо не се различават помежду си. Ембрионът изглежда по един и същ начин, независимо как го завъртаме. Физиците ще кажат, че на този етап той има симетрия 0₍₃₎ — т.е., че остава един и същ, независимо как и по коя ос го въртим.

Макар че е прекрасен и елегантен, такъв ембрион е и доста безполезен. Като идеална сфера той не може да изпълнява никакви полезни функции или да взаимодейства с околната среда. След време обаче тази симетрия се нарушава, ембрионът развива малка глава и тяло и започва да прилича на кегла за боулинг. Макар че първоначалната симетрия е нарушена, ембрионът продължава да има остатъчна симетрия — той остава един и същ, ако го завъртим по едната му ос. Ембрионът има цилиндрична симетрия. Математически можем да кажем, че първоначалната 0₍₃₎ симетрия на сферата е била сведена (или нарушена) до 0₍₂₎ — симетрията на цилиндъра.

Разбиването на сферичната 0₍₃₎ симетрия обаче би могло да премине по различен начин. Морската звезда например няма цилиндрична или билатерална симетрия. Вместо тях при нарушаването на сферичната симетрия се е получила C₍₅₎ симетрия (която си остава една и съща при завъртане на 72°), която й придава формата на петолъчка. Така начинът на нарушаване на симетрията 0₍₃₎ определя формата на организма при раждането му.

По същия начин учените смятат, че вселената е започнала съществуването си в състояние на идеална симетрия, при която всички сили са били обединени в една-единствена. Вселената е била красива и симетрична, но доста безполезна. Животът във вида, в който го познаваме, не би могъл да съществува в това идеално състояние. За да възникне той, симетрията на вселената трябва да се наруши при охлаждането й.

Симетрията и Стандартният модел

И така, ако искаме да разберем как биха могли да изглеждат паралелните вселени, ние трябва първо да разберем симетриите на силното, слабото и електромагнитното взаимодействие. Например силната ядрена сила се основава на три кварка, които учените означават с фиктивен „цвят“ (например червен, бял или син). Трябват ни уравнения, които да останат едни и същи при замяната на цветните кварки един с друг. Казваме, че уравненията имат симетрия SU₍₃₎ — т.е., че когато разместим трите кварка, уравненията ще си останат същите. Учените смятат, че теория със симетрия SU₍₃₎ ни дава най-точното описание на силните взаимодействия (наречени квантова хромодинамика). Ако разполагахме с някакъв гигантски суперкомпютър, на теория бихме могли да изчислим всички свойства на протона и неутрона и всички характеристики на ядрената физика, започвайки само от масата на кварките и силата на взаимодействието помежду им.

По същия начин нека кажем, че имаме два лептона — един електрон и едно неутрино. Ако можем да ги разменяме в уравнение, ще имаме симетрия SU₍₂₎. Можем също да прибавим и светлината, чиято симетрия е U₍₁₎. (Тази симетрична група размества различните компоненти или поляризации на светлината.) Така симетричната група на слабото и електромагнитното взаимодействие ще бъде SU₍₂₎ x U₍₁₎.

Ако просто съшием трите теории в едно цяло, естествено ще получим SU₍₃₎ x SU₍₂₎x U₍₁₎, или симетрия, която смесва поотделно трите кварка и двата лептона (но не и кварки с лептони). Получената теория е Стандартният модел, който, както видяхме по-горе, е може би една от най-успешните теории на всички времена. Както отбелязва Гордън Кейн от Мичиганския университет, „всичко, което се случва в нашия свят (с изключение на ефектите на гравитацията), е резултат от взаимодействията между частиците в Стандартния модел…“^[12]. Някои от предсказанията му бяха проверени в лабораторни условия и се оказа, че достоверността им е сто милиона към едно. (Двадесет физици получиха Нобелови награди за разработването и съгласуването на отделните части от Стандартния модел в едно цяло).

Най-сетне е възможно да се състави теория, която съчетава силното, слабото и електромагнитното взаимодействие в една цяла симетрия. Най-простата Велика обща теория, която прави това, сменя местата на всичките пет частици (три кварка и два лептона) едновременно. За разлика от симетрията на Стандартния модел, симетрията на Великата обща теория може да смесва кварки и лептони (което означава, че протоните могат да се разпадат в електрони). С други думи, Великите общи теории съдържат симетрия SU₍₅₎ (разместване на всичките пет частици. През годините бяха анализирани много други симетрични групи, но SU₍₅₎ е може би минималната, която съответства на наличните данни).

При спонтанното разчупване първоначалната SU₍₅₎ симетрия може да се разпадне по няколко начина. Единият е тя да се сведе до SU₍₃₎ x SU₍₂₎x U₍₁₎ с точно 19 свободни параметъра, които са ни необходими за описание на нашата вселена. Така получаваме познатата ни вселена. На практика обаче съществуват много начини за нарушаване на симетрията на Великата обща теория. Най-вероятно е паралелните вселени да имат напълно различни остатъчни симетрии, или най-малко стойностите на 19-те параметъра в тях да са различни. С други думи, стойностите на фундаменталните сили могат да са различни в различните вселени, което води до огромни промени в структурата им. Ако например намалим стойността на ядрената сила, може да се попречи на образуването на звезди и вселената да остане в пълен мрак, при което възникването на живот е невъзможно. Ако стойността на ядрената сила се увеличи, звездите ще изгорят горивото си толкова бързо, че за появата на живот просто няма да има време.

Възможно е да се промени и симетричната група, което ще създаде напълно различни вселени от частици. В някои от тях протонът може да не е стабилен и да се разпада бързо на антиелектрони. В такива вселени не може да има живот във вида, в който го познаваме, тъй като всичко бързо ще се дезинтегрира в мъртва мъгла от електрони и неутрино. Други вселени пък могат да нарушат симетрията по различен начин, така че да се появят по-стабилни частици като протоните. В такава вселена би могло да има огромно разнообразие от странни и непознати ни химични елементи. Животът в нея би могъл да бъде далеч по-сложен от живота в нашата вселена, с много повече елементи, от които да се образуват подобни на ДНК съединения.

Можем също да нарушим първоначалната симетрия така, че да получим повече от една U₍₁₎ симетрия — т.е., да съществува повече от един вид светлина. Това би била една наистина странна вселена, чиито обитатели ще могат да „виждат“, използвайки не само един, а няколко вида сили. Очите на живите същества биха могли да имат най-разнообразни рецептори, предназначени за улавянето на различните форми на „светлинно“ лъчение.

Не е учудващо, че има стотици, а може би и безброй начини за нарушаване на симетриите. На свой ред всяко от решенията може да съответства на напълно различна вселена.

Подлежащи на проверка предположения

За съжаление възможността да се провери теорията за мултивселената, в която съществуват много вселени с различен набор от физични закони, понастоящем е невъзможно. За да достигнем до тези други вселени, би трябвало да можем да пътуваме със скорост, превишаваща скоростта на светлината. Едно от предимствата на инфлационната теория обаче е в това, че тя прави предположения за нашата вселена, които могат да се проверят.

Тъй като инфлационната теория по същество е квантова, тя се основава на принципа на неопределеността на Хайзенберг, който е крайъгълен камък на квантовата механика. (Принципът на неопределеността гласи, че не можем да измерим нещо като скоростта и положението на електрон с безкрайна точност. Колкото и прецизни да са инструментите ни, в измерванията ни винаги ще има елемент на несигурност. Ако знаем скоростта на електрона, не можем да кажем какво е точното му местоположение; ако знаем положението му, не можем да знаем скоростта му.) Приложен към първоначалното огнено кълбо, появило се при Големия взрив, този принцип означава, че космическата експлозия не е била безкрайно „гладка“. (Ако е била идеално еднородна, тогава щяхме да знаем точно траекториите на субатомните частици от Големия взрив насетне, което е в противоречие с принципа на неопределеността.) Квантовата теория ни позволява да изчислим големината на тези вълнички или флуктуации в първоначалното огнено кълбо. Ако след това разширим тези квантови вълни, ще можем да изчислим минималния им брой, който би трябвало да виждаме в микровълновото фоново лъчение 379 000 години след Големия взрив. (А ако продължим с разширяването им до днес, би трябвало да открием сегашното разпределение на галактичните купове. Нашата галактика би трябвало да се съдържа в една от онези малки флуктуации.)

Първоначалният повърхностен преглед на данните от COBE не показа отклонения или флуктуации в микровълновия фон. Това предизвика известно безпокойство сред физиците, тъй като идеално равномерният фон би бил в разрез не само с инфлационната теория, но и с цялата квантова механика, тъй като нарушава принципа на неопределеността. А това би разтърсило цялата съвременна физика и би сринало до основи квантовата физика на XX век.

За огромно облекчение на учените се оказа, че при подробен анализ на компютърно увеличените данни от COBE се открива мъглив набор от вълни, представляващи вариации в температурата от порядъка на едно на 100 000 — минималното отклонение, допускано от квантовата теория. Тези безкрайно малки вълни са в съответствие с инфлационната теория. „Напълно съм пленен от фоновото лъчение — признава Гът. — Сигналът беше толкова слаб, че дори не можеше да се улови до 1965 г., а сега измерваме флуктуации от порядъка на една стохилядна.“^[13]

Въпреки че получените днес експериментални доказателства постепенно започват да подкрепят инфлационната теория, на учените им е все още трудно да разрешат натрапчивия проблем със стойността на Омега — факта, че тя е 0,3 вместо 1,0.

Свръхновите — връщане към Ламбда

Въпреки че инфлационната теория се подкрепя с данните от COBE, през 90-те астрономите продължаваха да мърморят, че тя е в крещящо противоречие с експерименталните данни за Омега. Вълната започна да се обръща през 1998 г., когато се получиха данни от напълно неочаквана страна. Астрономите се опитаха да изчислят скоростта на разширяване на вселената в далечното минало. Вместо да анализират променливите звезди, както бе правил Хъбъл през 20-те, те започнаха да изучават свръхновите в галактики, отдалечени на милиарди светлинни години от нас (и съответно съществували преди милиарди години). Особено внимание отделиха на свръхновите от тип Ia, които са идеално пригодени за стандартни свещи.

Астрономите знаят, че свръхновите от този тип имат приблизително една и съща яркост. (Яркостта на свръхнови тип Ia е известна толкова добре, че могат да се калибрират и най-малките отклонения в нея — колкото по-ярка е звездата, толкова по-бавно отслабва тя.) Такива свръхнови се получават, когато бяло джудже в двойна система постепенно изсмуква вещество от звездата спътник. Така бялото джудже постепенно увеличава масата си, докато тя не стане 1,4 от слънчевата — максимално възможната за този клас звезди. Когато превиши тази граница, бялото джудже колапсира и експлодира като свръхнова. Тъкмо затова яркостта на свръхновите тип Ia е толкова еднородна — това е естествен резултат, когато бялото джудже достигне точно определена маса и след това се свива под силата на гравитацията. (Както показа Субрахманян Чандрасекар през 1935 г., при бялото джудже силата на гравитацията се уравновесява от силата на отблъскване между електроните, наречена „електронно дегенеративно налягане“. Ако масата на бялото джудже надхвърли 1,4 слънчеви маси, гравитацията преодолява силата на отблъскване и звездата изпада в колапс, при който се получава свръхнова.)^[14] Някои силно отдалечени свръхнови са избухнали далеч в миналото и чрез изследването им може да се изчисли скоростта на разширяване на вселената преди милиарди години.

При неутронните звезди имаме гравитация, свиваща кълбо от чисти неутрони. Границата на Чандрасекар в случая е около 3 слънчеви маси, тъй като неутроните също се отблъскват помежду си. Ако неутронната звезда стане по-масивна от границата на Чандрасекар, тя ще колапсира в черна дупка.

Два независими екипа (водени от Сол Пърлмутър и Брайън П. Шмит) очакваха да открият, че макар и все още да продължава, разширяването на вселената се е забавило. Това бе твърдото убеждение на няколко поколения астрономи, преподавано във всеки курс по космология — че първоначалното разширяване на вселената постепенно се забавя.

След като анализираха по около дузина свръхнови, екипите откриха, че ранната вселена не се е разширявала толкова бързо, колкото се бе предполагало (т.е., червените отмествания на свръхновите, а следователно и скоростта им, са по-малки от очакваното). Когато сравниха скоростта на разширяване на ранната вселена със съвременното състояние, астрономите откриха, че днес вселената е значително по-голяма, отколкото би трябвало. За свой най-голям ужас двата екипа достигнаха до поразителното заключение, че скоростта на разширяване на вселената нараства, при това експоненциално.

Учените с изумление установиха, че не са в състояние да напаснат тези данни с каквато и да било стойност на Омега. Единственият начин да стане това е отново да се въведе Ламбда — енергията на вакуума, въведена за първи път от Айнщайн. Нещо повече — оказа се, че Омега е смазана от необичайно висока стойност на Ламбда, което кара вселената да се разширява по начина, предположен от Де Ситер. Двата екипа стигнаха до това обезпокояващо заключение независимо един от друг, но се страхуваха да публикуват резултатите си поради исторически силното предубеждение, че стойността на Ламбда е нула. Както каза Джордж Джейкъби от обсерваторията на Кит Пийк, „Ламбда винаги е крайна концепция и всеки, проявил достатъчно безразсъдство да твърди, че стойността й не е 0, се третира като побъркан“^[15].

„Все още клатех невярващо глава, но бяхме проверили всичко… — спомня си Шмит. — Изобщо не ми се искаше да разгласявам резултата, защото бях абсолютно сигурен, че ще бъдем унищожени.“^[16] Но след като двата екипа публикуваха едновременно резултатите си през 1998 г., огромният порой данни не можеше да се пренебрегне с лека ръка. Ламбда, „най-голямата грешка“ на Айнщайн, която бе почти напълно забравена от съвременната космология, се върна с гръм и трясък на сцената след забрава, продължила цели деветдесет години!

Физиците бяха смаяни. Едуард Уитън от Института за модерни проучвания в Принстън го нарече „най-странното експериментално откритие, откакто се занимавам с физика“^[17]. Когато стойността на Омега 0,3 се прибави към стойността на Ламбда 0,7, сумата (в рамките на експерименталната грешка) е равна на 1,0, точно както предполагаше инфлационната теория. Сякаш пъзелът се нареди пред очите на космолозите и те видяха липсващото звено в инфлационната теория. То идваше от самия вакуум.

Резултатът бе потвърден по един блестящ начин от WMAP, който показа, че свързаната с Ламбда енергия, или тъмната енергия, представлява 73 процента от цялата материя и енергия във вселената, което я прави основното парче от гигантския пъзел.

Фазите на вселената

Може би най-големият принос на сателита WMAP е в това, че дава на учените увереността, че са на прав път към „Стандартен модел“ в космологията. Въпреки че все още съществуват огромни празнини, астрофизиците започват да виждат от данните общите черти на една стандартна теория. Според картината, която можем да съставим днес, еволюцията на вселената е преминала през различни фази, докато се е охлаждала. Преходът от една фаза към друга представлява нарушаване на симетрия и отделяне на една от фундаменталните сили. Ето и самите фази и крайъгълни камъни, както ги познаваме днес:

 

1. Преди 10^–43 секунди — ерата на Планк

Не се знае почти нищо сигурно за ерата на Планк. При енергията на Планк (10¹⁹ милиарда електронволта) гравитацията е толкова силна, колкото и останалите квантови сили. Вследствие на това четирите сили на вселената вероятно са били обединени в една „свръхсила“. Може би вселената е съществувала в идеална фаза на „нищо“, или празно многомерно пространство. Симетрията, която смесва четирите сили и оставя уравненията едни и същи, най-вероятно е „свръхсиметрия“ (в 7 глава ще се спрем по-подробно върху нея). Поради неизвестни причини, тази загадъчна симетрия била нарушена и се е образувал малък мехур — нашата вселена-ембрион, може би в резултат на произволна квантова флуктуация. Този мехур е бил с размерите на „дължината на Планк“, която е 10^–33 сантиметра.

 

2. 10^–43 секунди — ерата на Великата обща теория

Налице е нарушаване на симетрията, което създава бързо разширяващ се мехур. В хода на разширяването четирите фундаментални сили рязко се разделят една от друга. Първо се е отделила гравитацията, освобождавайки ударна вълна през цялата вселена. Първоначалната симетрия на свръхсилата се свежда до по-малка симетрия, вероятно съдържаща симетрията на Великата обща теория SU₍₅₎. Останалите силно, слабо и електромагнитно взаимодействие все още са обединени. Поради неясни причини през тази фаза вселената се разширява неимоверно бързо, вероятно с фактор 10⁵⁰, което принуждава пространството да се разшири много по-бързо от скоростта на светлината. Температурата е била около 10³² градуса.

 

3. 10^–34 секунди — край на инфлацията

При отделянето на силната ядрена сила от останалите две температурата пада до 10²⁷ градуса. (Симетрията на Великата обща теория се разпада на SU₍₃₎ x SU₍₂₎ x U₍₁₎.) Инфлационният период завършва и вселената продължава да се разширява според стандартния модел на Фридман. Състои се от нагорещена плазмена „супа“ от свободни кварки, глуони и лептони. Свободните кварки се обединяват в съвременните протони и неутрони. Вселената е все още изключително малка, едва колкото нашата Слънчева система. Материята и антиматерията се анихилират, но малко по-голямото количество материя (от порядъка на една милиардна) остава и представлява материята, която виждаме днес. (Това е енергийният обхват, който се надяваме да достигнем през следващите няколко години с помощта на ускорителя на частици, наричан LHC — Large Hadron Collider.)

 

4. 3 минути — образуване на ядра

Температурата пада достатъчно, за да могат да се образуват ядра, които да не бъдат разкъсани от огромната жега. Водородът се слива в хелий (създавайки съвременното отношение 75 процента водород/25 процента хелий). Образуват се минимални количества литий, но синтезът на по-тежки елементи спира, тъй като ядрата с 5 частици са прекалено нестабилни. Вселената е матова, тъй като светлината се поглъща веднага щом се излъчи. Този период бележи края на първоначалното огнено кълбо.

 

5. 379 000 години — раждане на атомите

Температурата пада до 3000 градуса. Електроните се установяват около ядрата, без да бъдат откъсвани, и така се образуват атомите. Фотоните могат да пътуват свободно, без да бъдат погълнати. Точно това лъчение е уловено от COBE и WMAP. Някога матовата и изпълнена с плазма вселена вече е прозрачна. Вместо да е бяло, небето става черно.

 

6. 1 милиард години — образуване на звезди

Температурата пада до 18 градуса. Започват да се оформят квазари, галактики и галактични купове като страничен продукт на малките квантови флуктуации в първоначалното огнено кълбо. Звездите джуджета започват да „готвят“ леките елементи въглерод, кислород и азот. Експлодиращите звезди изхвърлят в пространството по-тежки от желязото елементи. Това е най-далечната ера, достъпна за телескопа „Хъбъл“.

 

7. 6,5 милиарда години — разширяване на Де Ситер

Постепенно разширяването на Фридман приключва и вселената започва да се ускорява и навлиза във фаза, наречена ускоряване на Де Ситер, причинено от загадъчна антигравитационна сила, за която все още не се знае нищо.

 

8. 13,7 милиарда години — днес

Настоящето. Температурата е паднала до 2,7 градуса. Заобиколени сме от сегашната вселена с нейните галактики, звезди и планети. Вселената продължава да се разширява с нарастваща скорост.

Бъдещето

Въпреки че инфлационната теория е в състояние да обясни такъв широк кръг от загадки на вселената, това не доказва, че тя е вярна. (Освен това, както ще видим в 7 глава, напоследък се появиха и алтернативни теории.) Резултатът от анализа на свръхновите трябва да се провери отново и отново, като се вземат предвид и фактори като междузвездния прах и аномалиите при образуването на свръхнови. „Димящото дуло“, което окончателно ще докаже или опровергае инфлационната теория, са „гравитационните вълни“, образувани в момента на Големия взрив. Подобно на микровълновото фоново лъчение, тези вълни би трябвало да продължават да отекват във вселената и всъщност могат да се открият от гравитационни детектори, както ще видим в 9 глава. Инфлационната теория прави определени предсказания за естеството на гравитационните вълни и тези детектори би трябвало да могат да ги открият.

Но едно от най-интригуващите предсказания на инфлационната теория не може да бъде проверено пряко — съществуването на „вселени-бебета“ в рамките на мултивселената, всяка от които се подчинява на малко по-различен набор природни закони. За да разберем пълните последствия от теорията за мултивселената, първо трябва да разберем, че инфлационната теория изцяло се възползва от странните последици както от уравненията на Айнщайн, така и от квантовата теория. Според теорията на Айнщайн е възможно да съществуват много вселени, а според квантовата механика имаме средства да преминаваме от една вселена в друга. А в рамките на едно ново виждане, известно като М-теория, може би ще разполагаме с окончателна теория, способна да разреши веднъж завинаги всички въпроси относно паралелните вселени и пътуването във времето.