Магнитные монополи
Когда Алан Гут наткнулся на идею инфляции, он не пытался решить проблему
плоскостности . Его интересовала совершенно другая загадка, известная под
названием проблемы магнитных монополей.
Гут, если уж на то пошло, космологией вообще особенно не интересовался .
1979 год был для него девятым годом постдоктората — фазы научной карьеры
между аспирантурой и вхождением в преподавательский состав высшего учеб-
ного заведения, когда ученый может сконцентрироваться на исследованиях, не
беспокоясь о преподавании и прочих академических обязанностях . (И без
каких-либо гарантий обеспечения работой; большинство постдоков так никог-
да и не получают место на факультете и в конце концов уходят с научной арены .)
Девять лет — это больше, чем талантливому постдоку, как правило, требуется,
чтобы получить где-то должность доцента, но и история публикаций Гута на
том этапе его карьеры не отражала дарования, которое в нем видели другие .
Какое-то время он трудился над впавшей в общественную немилость теорией
кварков, а затем переключился на попытки понять невнятное предсказание
недавно ставших популярными теорий великого объединения — о существо-
вании магнитных монополей .
Теории великого объединения (Grand Unified Theories, GUT) представля-
ют собой попытку унифицированного объяснения всех сил природы, за ис-
ключением гравитации . Они завоевали большую популярность в 1970-х годах 
424
Часть IV . Из кухни в Мультиленную
как благодаря присущей им простоте, так и за счет весьма интригующего
предсказания, согласно которому протон, непоколебимая элементарная части-
ца, которая (совместно с электроном и нейтроном) формирует основу для всей
окружающей нас материи, в конце концов распадается на более легкие частицы .
Для поиска доказательств протонного радиоактивного распада были постро-
ены гигантские лаборатории, но пока никаких свидетельств этого явления
обнаружено не было . Это не означает, что теории великого объединения не-
верны; они все еще довольно популярны, но неудача с обнаружением протон-
ного распада заставила физиков погрузиться в сомнения относительно того,
каким же образом эти теории могут быть проверены .
Также теории великого объединения предсказали существование нового
типа частиц — магнитного монополя . Обычные заряженные частицы — это
электрические монополи, то есть они несут либо положительный заряд, либо
отрицательный, и на этом история заканчивается . Никому еще не удалось об-
наружить изолированный «магнитный заряд» в природе . Магниты, как мы их
знаем, всегда остаются диполями: у них есть северный и южный полюсы . Раз-
режьте магнит пополам между полюсами, и в месте разреза появятся два новых
полюса . Насколько можно судить по результатам экспериментов, поиск изо-
лированного магнитного полюса — монополя — это практически то же самое,
что поиск фрагмента струны только с одним концом .
Однако, согласно теориям великого объединения, монополи должны быть
реальными . В конце 1970-х годов люди осознали, что можно просто сесть и под-
считать число монополей, которые должны быть рождены в результате Боль-
шого взрыва . И ответ оказался таков: их слишком много . Общая масса моно-
полей, согласно этим расчетам, должна оказаться намного выше общей массы
обычных протонов, нейтронов и электронов . Магнитные монополи должны
постоянно пролетать сквозь ваше тело .
Конечно же, из этой затруднительной ситуации можно выпутаться доволь-
но простым способом, заявив, что теории великого объединения ошибочны .
И это может быть верным ответом . Но Гут, размышляя над данной проблемой,
наткнулся на куда более интересную идею: инфляцию .
Инфляция
Темная энергия — источник плотности энергии, остающейся практически
(или точно) постоянной на всем протяжении пространства и времени, не
разреживаясь по мере расширения Вселенной, — заставляет Вселенную
ускоряться, постоянно подталкивая расширение . Мы полагаем, что большая
Глава 14 . Инфляция и Мультиленная
425
часть энергии во Вселенной — от 70 до 75 % общей энергии — в настоящее
время пребывает в форме темной энергии . Но в прошлом, когда плотность
материи и излучения была выше, темная энергия, обладавшая, судя по всему,
примерно такой же плотностью, как и сегодня, играла относительно незна-
чительную роль .
Теперь вообразите, что в какой-то другой период жизни очень ранней
Вселенной существовала темная энергия с еще большей плотностью энергии .
Назовем эту необычайно плотную темную энергию «темной суперэнергией» .7
Она доминировала во Вселенной и заставляла пространство ускоряться в ко-
лоссальном темпе . Затем — по причинам, которые будут названы позже, — эта
темная суперэнергия внезапно распалась на материю и излучение, а те в свою
очередь сформировали горячую плазму, из которой, по нашим представлениям,
состояла ранняя Вселенная . Распад оказался почти полным, но все же относи-
тельно небольшая плотность темной энергии сохранилась, и в последнее время
этот остаток начал существенно влиять на динамику Вселенной .
Таков сценарий инфляции . По сути, инфляция начинается в крохотной об-
ласти пространства и раздувает ее до невероятных размеров . Возможно, вы
задаетесь вопросом, почему это так важно: что такого необычного во времен-
ной фазе темной суперэнергии, если она просто-напросто распадается на ма-
терию и излучение? Популярность инфляционной идеи объясняется тем, что
она аналогична исповеди — полностью стирает все прошлые грехи .
Вернемся к проблеме монополей . Если теории великого объединения вер-
ны, то монополи возникают в огромном количестве в самый ранний период
жизни Вселенной . Итак, представим себе, что инфляция происходит довольно
Рис . 14 .3 . Инфляция начинается в крохотном участке пространства и быстро расширяет его
до громадных размеров . На этом рисунке масштаб абсолютно не соблюден; инфляция проис-
ходит за ничтожно малую долю секунды и растягивает пространство более чем в 1026 раз
|
426
Часть IV . Из кухни в Мультиленную
рано, но все же после возникновения монополей . В этом случае, если инфляция
продолжается достаточно долго, пространство увеличивается до такого неве-
роятного размера, что концентрация монополей уменьшается практически до
нуля . При условии, что распад темной суперэнергии на материю и излучение
не порождает дополнительных монополей (а этого не произойдет, если процесс
не слишком энергетически эффективный), вуаля! — никакой проблемы моно-
полей не остается .
То же самое и с кривизной пространства . По сути, проблема состояла в том,
что кривизна падает намного медленнее, чем разреживаются материя и излу-
чение, поэтому если хоть какая-то кривизна существовала в ранний период,
она была бы хорошо заметна сегодня . Но темная энергия разреживается еще
медленнее, чем кривизна, — на самом деле ее плотность вообще почти не
уменьшается . Так что опять мы заключаем, что если инфляция займет доста-
точно много времени, то кривизна успеет уменьшиться почти до нуля, прежде
чем материя и излучение будут заново созданы в процессе распада темной су-
перэнергии . Никакой больше проблемы плоскостности .
Вы понимаете, почему инфляционная идея так взволновала Гута . Он раз-
мышлял о проблеме монополей, но с другой точки зрения — пытаясь не решить
ее, а использовать в качестве аргумента против теорий великого объединения .
В своей исходной работе, посвященной данной проблеме и написанной в со-
авторстве с физиком из Корнелльского университета Генри Таем, он вообще
проигнорировал возможную роль темной энергии и заключил, что решить
проблему монополей чрезвычайно сложно . Однако стоило Гуту как следует
задуматься о возможных эффектах раннего периода доминирования темной
энергии, как решение проблемы монополей упало к нему в руки в готовом
виде, — одно это заслуживает рамочки, по крайней мере одинарной .
Необходимость добавить вторую рамочку стала очевидной, когда Гут понял,
что данная идея также способна решить проблему плоскостности, о которой он
до этого даже не думал . Совершенно случайно чуть раньше Гут посетил лекцию
физика из Принстонского университета Роберта Дике, одного из первых ученых,
занявшихся исследованием космического микроволнового фонового излучения .
В своей лекции, прочитанной в Корнелльском университете в рамках меропри-
ятия под названием «день Эйнштейна», Дике упомянул о нескольких невыяс-
ненных вопросах традиционной космологической модели . Одним из них была
проблема плоскостности, которая врезалась в память Гуту, несмотря на то что
его исследования в то время не были особо связаны с космологией .
В результате, осознав, что инфляция решает не только проблему монополей,
но и проблему плоскостности, Гут ясно увидел перспективы поистине велико-
Глава 14 . Инфляция и Мультиленная
427
го открытия . И действительно, благодаря этому открытию Гут, можно сказать,
проснулся знаменитым, превратившись из едва сводящего концы с концами
постдока в самого желанного кандидата на рынке профессорских вакансий .
В итоге он решил вернуться в MIT, где заканчивал аспирантуру, и по сей день
он преподает в этом учебном заведении .