Если Вселенная расширяется сейчас, то в прошлом она должна была быть более компактной, все расстояния между объектами должны были быть меньше, и, соответственно, плотность должна быть выше. Если мы все это будем экстраполировать в далекое прошлое, то вообще должны придти к моменту, когда все физические величины, как говорится, уходят в бесконечность. Должны были существовать нулевой размер, бесконечная плотность. Мы не имеем права в физике работать с бесконечными величинами, и уж если говорить серьезно, то давайте будем работать до тех масштабов, до которых еще применимы известные законы физики. Эти малые масштабы получили название планковских. Их ввел в физику Макс Планк в начале XX века. Можно взять мировые постоянные: скорость света, постоянную Планка и постоянную гравитации, – и из них составить три величины с размерностями массы, длины и времени. Эти величины и носят название планковских единиц, и можно сказать (очень грубо, но правильно), что мы не можем идти в своем анализе на масштабы меньше планковских. Потому что тогда гравитация становится столь сильной, что нужно учитывать ее квантовые свойства. А все попытки проквантовать гравитацию до последнего времени не увенчались успехом. Сейчас есть некоторые идеи, но это уже отдельный разговор. Так вот эти масштабы очень маленькие, 10-33 см. То есть, зная современную физику, подтвержденную огромной совокупностью лабораторных, астрономических и других экспериментов, мы имеем право идти на пространственные масштабы лишь до 10-33 см.
Это, конечно, очень маленькая величина. Размер атома водорода – 10-9 см, атомного ядра – 10-13 см. А дальше мы ничего не знаем. Почему? Потому что если мы зондируем микромир с помощью ускорителей, с помощью экспериментов ядерной физики, то чем меньше масштаб, который мы хотим изучить, тем большую энергию мы должны придать частицам, и таким образом мы ограничены в своих возможностях просто мощностью современных ускорителей. С их помощью мы можем зондировать масштабы до 10-16 см. От современных ускорителей – 10-16 см, до планковских величин 10-33 см, т. е. еще 17 порядков. Ясно, что таких ускорителей никто никогда не создаст, потому что просто не видно путей, как можно их сделать, тем более что каждый порядок по энергии дается колоссальным трудом, требует колоссальных денег, которые ни Конгресс США, ни наше правительство, просто никто не хочет выделять. А там может быть интересная физика.
Итак, астрономические наблюдения доказали, что пространство во Вселенной является нестационарным, а из физических соображений следует, что его можно анализировать вплоть до масштабов 10-33 см. Если отвлечься от физики и говорить только о пространстве, долгое время, когда делали этот анализ, наталкивались на так называемый парадокс фридмановской космологии. Решения, которые получил Фридман, вошли в науку под названием «фридмановская космология». Если вы откроете какую-нибудь энциклопедию, изданную лет 10–15 назад, то там будет написано, что Вселенная может быть открытая или замкнутая. Открытая Вселенная бесконечно расширяется, замкнутая Вселенная расширяется до какого-то момента, а потом сжимается, плоская Вселенная тоже будет расширяться бесконечно, но по другому закону. Причем слова «открытая», «замкнутая» и «плоская» отождествлялись с геометрией Вселенной. У открытой Вселенной была геометрия пространства постоянной отрицательной кривизны, в ней сумма углов треугольника меньше 180°, у плоской – 180° и у замкнутой Вселенной сумма углов треугольника больше 180°.
Любопытно, что еще в конце 20-х годов XIX века Гаусс в Тюрингии пытался измерить кривизну пространства. На трех горах методом триангуляции он измерял углы треугольников и получал 180°. И хотя, согласно общей теории относительности, кривизна пространства у поверхности Земли все-таки есть, потому что Земля – это тяготеющее тело, но кривизна эта очень мала, а точность измерения была такая, что не позволяла ее заметить. Поэтому из его результатов автоматически не следовало, что пространство плоское.
Но вот к 80-м годам XX века появилось слишком много указаний на то, что ранняя Вселенная ведет себя совсем не так, как Вселенная, которую мы сейчас видим. Стало ясно: чтобы разрешить парадоксы, которые возникали при анализе очень ранней Вселенной, нужно так изменять пространство Вселенной, чтобы оно вело себя не так, как оно вело себя даже в соответствии с обычными классическими уравнениями Эйнштейна. В это время была предложена гипотеза, которая получила название «инфляционная Вселенная». Основная ее идея состоит в том, что для того, чтобы согласовать все наблюдения в нашей Вселенной, в очень ранние времена на планковских масштабах, при возрасте 10-40–10-43 секунды, надо вводить некую субстанцию, которую физики называют «скалярным полем». На самом деле эта субстанция не похожа на обычную материю, она не состоит из атомов – в те времена и атомов, конечно, никаких не было, ни молекул, ни электронов, ни фотонов, то есть ничего похожего на обычную материю, которая наблюдается сейчас во Вселенной и из которой состоит видимый мир. А было скалярное поле, которое обладало совершенно удивительными свойствами. Математически и физически правильная аналогия скалярного поля состоит в том, что рассматривается горка и шарик, который начинает медленно скатываться по горке, – и это скалярное поле тоже начало «скатываться» по этой «горке». Это наглядная аналогия уравнениям инфляционной модели. Причем оно скатывалось не просто так. В обычной жизни если вы станете на лыжи, то поедете с горки с ускорением. Здесь же введена еще некоторая сила трения, так что это скалярное поле начинает скатываться очень медленно, оно «ползет» по этой самой стеночке и в это время эффективно создает в той маленькой Вселенной колоссальную антигравитацию. Если гравитация действует как притяжение, то антигравитация действует как отталкивание. В результате Вселенная от этого маленького размера за очень короткое время, буквально за 10-30 сек., увеличила свой размер в е70 раз (е=2.71828… – это основание натурального логарифма). Маленький (планковский) размер первоначальной Вселенной на этой стадии превратился в колоссально большую область пространства. Причем нельзя думать, что эта Вселенная была погружена, как шарик, в некое объемлющее его еще большее пространство, и этот шарик увеличивал свои размеры относительно каких-то координат, – это неверная аналогия. Правильнее рассматривать равномерное увеличение всего пространства (хорошо известная двумерная аналогия – увеличивающаяся поверхность надуваемого воздушного шара; если бы мы были некими двумерными существами, живущими на этой – хочется сказать «в этой» – поверхности и не знающими о существовании «объемлющего» поверхность пространства, вопрос о том, куда расширяется эта поверхность, для нас не имел бы никакого смысла!).