Прорыв за край мира

Могли ли на этом логарифмически длиннейшем отрезке истории случиться «искусства, знанья, войны, троны и память сорока веков»? Для этого прежде всего нужны частицы с массой, на много порядков превосходящей температуру Вселенной. Сейчас температура 3·10^-4 эВ — масса электрона на 9 порядков больше. В принципе, такие частицы могли остаться от эпохи окончания инфляции — с массой чуть меньшей, чем масштаб великого объединения, скажем, 10^-5 ГэВ. Допустим, есть какой-то закон сохранения, заставляющий эти частицы жить долго, например 1 не — до конца эпохи энергетической пустыни. Вполне возможно, что они могли бы образовывать что-то вроде атомов и молекул.

Однако, первая проблема заключается в том, что этих частиц оказалось бы маловато внутри горизонта Вселенной того времени. К концу эпохи энергетической пустыни таких частиц внутри горизонта оказалось бы где-то 10⁵⁰ — на 30 порядков меньше, чем барионов внутри нынешнего горизонта. Это число примерно того же порядка, что число барионов в Земле. Явно мало, учитывая, что пространство внутри горизонта быстро расширяется.

Следующая проблема заключается в том, что эти частицы не успели бы сконденсироваться в космические тела. И, наконец, достаточно ли 1 не для эволюции структур в их естественном масштабе времени? Вопрос о том, что такое естественный масштаб времени, не так прост, но, вероятно, для очень грубой оценки можно использовать единицы атомного времени, определяемого с помощью принципа неопределенности как t ~ ћ/E, где Е — энергия связи электрона в атоме. Для внешних оболочек в атоме примем Е = 10 эВ, тогда характерное атомное время будет 10¹⁶ с. За последние 3 млрд лет (10^-7 с) прошло 10³³ атомных времен. Этого хватило на всё.

Энергия связи электрона в атоме по меньшей мере на пять порядков меньше массы электрона. Наши гипотетические частицы эпохи конца Великой энергетической пустыни имеют массу не более 10¹⁵ ГэВ, и если следовать аналогии, то энергия связи в гипотетических атомах должна быть не больше 10¹⁰ ГэВ. Соответствующее атомное время — 10^-34 с. В таком случае за интересующую нас эпоху в 1 не прошло 10²⁵ атомных времен, что соответствовало бы 30 годам в пересчете на наши атомы. Явно мало.

Таким образом, за длинную, богатую метаморфозами логарифмическую историю Вселенной только наш короткий интервал в пол-порядка богат на сложные эволюционирующие структуры. А гораздо больший интервал в 14 порядков и впрямь остается пустынным.

28. Судьба сгустка X

Итак, инфляция приготовила затравочные возмущения плотности энергии. Они растягивались в пространстве, покрывая огромный диапазон размеров и имели примерно одинаковые амплитуды на всех масштабах. Это изложено в общих чертах в главе 24, а сейчас попробуем проследить более подробно судьбу одной положительной флуктуации плотности, которая при окончании инфляции имела размер около микрона. Назовем эту флуктуацию «сгусток X», хотя слово «сгусток» на тот момент является некоторым преувеличением — его контраст, т.е. относительное превышение плотности всего около 510^-5 (взяли среднеквадратичное отклонение).

При тех параметрах инфляции, которые мы приняли в главе 24, сгусток X родился размером 10^-27 см и раздулся на 24 порядка за 70 удвоений масштаба. По времени это заняло чуть меньше 10^-35 с, отделяющих конец инфляции от момента рождения сгустка X. Если следовать нашим допущениям, то при рождении сгусток X имел массу примерно 10 г, а по выходу из инфляции — 10⁷¹ г при почти микроскопическом размере, что на много порядков больше массы наблюдаемой части современной Вселенной. Избыток его массы над окружением тоже превосходил все мыслимые величины. Но этот микронный сгусток не мог сколлапсировать в черную дыру: он расширялся со скоростью, на много порядков большей скорости света, что не противоречит специальной теории относительности, поскольку сгусток X был растянут на огромное число причинно не связанных областей. По этой же причине его контраст оказался «замороженным»: одни части сгустка X ничего не знали о других частях, не чувствовали их тяготения — он как будто оказался разбит на огромное множество независимых вселенных.

Но со временем ситуация изменилась. Размер сгустка X, как и масштабный фактор Вселенной, увеличивался как корень квадратный из времени. А размер горизонта рос пропорционально времени. Когда-нибудь пропорциональная зависимость обязательно перешибет корневую. Для сгустка X это произошло в возрасте Вселенной около трех месяцев. Он оказался внутри горизонта и приобрел причинную связность: разные части сгустка почувствовали тяготение друг друга. В этот момент сгусток сильно потерял в массе (энергии), которая составляла уже 10⁴⁹ г, или 10¹⁶ масс Солнца. Потеря массы связана с работой по расширению Вселенной, совершаемой давлением вещества. Энергия сгустка X (а его масса m = Е/с² складывалась из энергии ультрарелятивистских частиц) пошла на уменьшение его отрицательной гравитационной энергии связи.

С этого момента контраст сгустка благодаря его самотяготению начал расти.