В обычных условиях жидкая вода, если ее охладить ниже обычной точки замерзания, равной 0 °C, превращается в твердый лед. Однако в природных законах иногда встречаются интересные исключения. В процессе, называемом переохлаждением, если вода не содержит примесей и охлаждается очень медленно и постепенно, она может сохранять жидкое состояние при отрицательных температурах.

Чтобы растопить глыбу льда, необходимо затратить определенное количество энергии, называемое скрытой теплотой плавления. И наоборот, при замораживании жидкой воды это скрытая теплота высвобождается. Однако в случае с переохлаждением существует еще одна возможность. Скрытая теплота сохраняется до тех пор, пока вода остается изолированной и находится в переохлажденном состоянии. В конце концов, скрытое тепло все же выделяется в окружающую среду, и вода замерзает, обычно превращаясь в ледяную массу.

Гут знал об аналогичном процессе при спонтанном нарушении симметрии в моделях ТВО. Спонтанное нарушение симметрии описывает, как система с идеально симметричными законами может случайным образом перейти в состояние, где одна или несколько симметрий нарушаются. Представьте себе, например, вращающийся волчок с четырьмя гранями. Пока он крутится, все его грани держатся на одной высоте и служат прекрасным примером вращательной симметрии. Причина в том, что, пока волчок вращается, точка на его периферии с одинаковой вероятностью может оказаться повернутой в любом направлении. Мы говорим, что он обладает вращательной степенью свободы. Внезапно, в результате случайного толчка – или, в квантовой механике, спонтанного перехода, который может произойти при понижении температуры окружающей среды, – волчок падает на одну из своих граней. Хотя волчок сохраняет ту же симметричную форму, прежней вращательной симметрии больше нет. Лежа на боку, он утрачивает вращательную степень свободы. Другими словами, при падении на одну из граней соответствующее направление становится выделенным, что нарушает симметрию[106].

Утрата какой-либо степени свободы – это один из способов описания фазового перехода. Например, жидкая вода теряет свободу течения, когда превращается в лед. Как и при замораживании, при спонтанном нарушении симметрии в ТВО выделяется определенное количество скрытой теплоты. Более того, как и при медленном охлаждении чистой воды, в ТВО возможно переохлажденное состояние ложного вакуума, в котором сохраняется скрытая теплота, пока она не высвободится при переходе в состояние истинного вакуума. Ложный вакуум – это метастабильное (временно стабильное, но в конечном итоге распадающееся) состояние с более высоким уровнем энергии (чем у истинного вакуума), в котором некоторое время может пребывать та или иная составляющая физики частиц – например, скалярное поле.

Если подвергнуть переохлажденную воду воздействию холодной среды, в ней могут остаться участки жидкой воды, в то время как другие участки теряют свое скрытое тепло и превращаются в лед, что приводит к образованию ледяной массы. Точно так же в ТВО среди истинного вакуума могут сохраняться участки ложного вакуума. Поскольку энергия ложного вакуума выше, чем у истинного, в нем будет скалярное поле, проявляющее себя как космологическая постоянная, которая вызывает экспоненциальное расширение в соответствии с моделью де Ситтера. Это расширение прекратится, как только ложный вакуум перейдет в истинный благодаря квантовому туннелированию: случайным квантовым скачкам, позволяющим проходить через непреодолимые иным способом барьеры. Это туннелирование высвобождает энергию подобно тому, как шарики на вечеринке, даже если не лопнут, в конце концов сдуваются из-за неизбежных мелких утечек[107]. Без этой движущей энергии инфляция прекращается. Затем в процессе, который называется разогревом, запасенная скрытая теплота высвобождается и превращается в поток частиц.

Теперь представьте, что Вселенная началась в хаотическом, постепенно расширяющемся состоянии, наполненном энергетическими полями с симметриями ТВО. Через 10^–35 секунды после ее возникновения температура падает, и участки пространства переохлаждаются, превращаясь в пузыри ложного вакуума. Те пузыри, где имеется подходящее скалярное поле, переходят в результате в экспоненциальный режим, раздуваясь в 10²⁵ раз, прежде чем случится распад в истинный вакуум. Участок размером меньше протона внезапно расширяется до размеров бейсбольного мяча. (А после инфляции эта область размером с бейсбольный мяч за миллиарды лет гораздо более медленного роста расширится до размеров наблюдаемой Вселенной.)

Короткая инфляционная эпоха – доли секунды после рождения Вселенной – разносит близкие, то есть выровнявшие свои температуры области, на огромное расстояние друг от друга. Тем самым источники космического микроволнового фона, приходящего сегодня с противоположных сторон неба, были настолько близки до короткой инфляционной эпохи, что наверняка находились в тепловом контакте. Представьте, что равномерно нагретый котел с бульоном вдруг за долю секунды раздулся бы до размеров Млечного Пути. Температура в нем по-прежнему осталась бы однородной. Сходным образом и инфляционное расширение обеспечивает почти однородную температуру в пространстве, даже когда его точки разлетаются далеко друг от друга. Тем самым инфляционная эпоха решает проблему горизонта.

Кратковременный экспоненциальный разлет также решает и проблему плоскостности. Невероятно сильное расширение разглаживает эту область пространства, подобно тому, как расправляется простыня, если быстро натянуть ее со всех сторон. Это разглаживает все складки в той области, которая в итоге стала наблюдаемой Вселенной.

Наконец, решалась и проблема избыточного производства монополей в моделях ТВО. Если инфляция имела место во время или после рождения однополюсных магнитов, их плотность значительно упала бы, сделав их более редкими, чем однотонная золотая монета «Австралийский кенгуру»[108]. Нынешнее отсутствие монополей становится вполне объяснимым.

Гут надеялся, что на конечном этапе развития его модели все неоднородные, неупорядоченные области в пространстве будут далеко оттеснены раздувающимися пузырями ложного вакуума. Теоретически эти пузыри должны были перейти из ложного в истинный вакуум посредством квантового туннелирования и исчезнуть. С этого момента Вселенная стала бы постепенно расти, как в модели Фридмана, в соответствии с наблюдаемым хаббловским расширением.

Однако его модель работала не так. Оказалось, что квантовое туннелирование недостаточно эффективно и надежно, чтобы обеспечить прекращение инфляции, что было названо проблемой изящного выхода. В результате разрушение пузырьков ложного вакуума происходит несогласованно, порождая пенистое неоднородное состояние, во многом похожее на ледяную корку, образующуюся из переохлажденной воды, а вовсе не на то почти изотропное состояние, которое мы видим сегодня на картах распределения реликтового фона по небу. Гут признал, что его модель неполна и требует дополнительной работы, чтобы выяснить, как выключить инфляцию.

К счастью, исследователи из СССР и США справились с этой задачей. В Москве Андрей Линде разработал другой метод запуска и завершения инфляции, задействующий скалярное поле с плоской кривой потенциальной энергии. Кривые потенциальной энергии чем-то напоминают трассы американских горок. Как вагончик может долго ехать по ровной трассе, по сравнению с крутым спуском, так и скалярное поле может долгое время существовать на плоской кривой потенциальной энергии. Некоторое время поле будет оставаться в высокоэнергетическом состоянии, вызывая экспоненциальное расширение, пока не свалится в состояние истинного вакуума с (относительно) нулевой энергией. Произойдет разогрев, и в вакуум хлынет поток частиц. С этого момента Вселенная станет расширяться, по Хабблу, с гораздо меньшей скоростью. Эта концепция, названная новой инфляцией, позволила обойти проблему изящного выхода, поскольку в ней не использовалось квантовое туннелирование. Независимо и примерно в то же время американский физик Пол Стейнхардт и его студент Андреас Альбрехт, работавшие в Пенсильванском университете, пришли к аналогичной концепции. Поэтому заслуга открытия новой инфляции признается за всеми тремя исследователями.

Самой большой проблемой новой инфляции была тонкая настройка. Трудно было объяснить, почему кривая потенциальной энергии должна иметь именно такую форму, чтобы скалярное поле сохранялось на определенном уровне энергии, выполняло свою работу, вызывая ровно необходимое раздувание, а затем переходило в обычный вакуум. Исследователи, в том числе Линде и Стейнхардт, продолжали искать альтернативные варианты, которые выглядели бы естественнее.