Что такое инфляция в астрономии
Инфляция космических масштабов
Как появилась и к чему пришла космологическая инфляционная модель
Один из ведущих мировых космологов, Андрей Линде, недавно опубликовал обзор, в котором кратко описывает возникновение и развитие теории инфляционной вселенной, дающей новое объяснение Большому взрыву и предсказывающейт существование наряду с нашей множества других вселенных.
Космология в некотором роде сродни философии. Во-первых, по обширности своего предмета исследования — им является вся Вселенная в целом. Во-вторых, по тому, что некоторые посылки в ней принимаются учеными в качестве допустимых без возможности провести какой-либо проверочный эксперимент. В-третьих, предсказательная сила многих космологических теорий заработает только если мы сможем попасть в другие вселенные — чего ожидать не приходится.
Однако из этого всего вовсе не следует, что современная космология — это такая рукомахательная и не совсем научная область, где можно, подобно древним грекам, лежать в тени дерев и гипотетизировать о количестве измерений пространства-времени — десять их или одиннадцать? Космологические модели базируются на наблюдательных данных астрономии, и чем больше этих данных, тем больше материала для космологических моделей — которые должны эти данные связывать и согласовывать между собой. Сложность в том, что в космологии затрагиваются фундаментальные вопросы требующие некоторых изначальных предположений, которые выбираются авторами моделей исходя из их личных представлений о гармонии мироздания. В этом, вообще-то, нет ничего исключительного: при построении всякой теории нужно брать какие-то опорные точки. Просто для космологии, которая оперирует самыми большими масштабами пространства и времени, их выбрать особенно трудно.
Для начала несколько важных определений.
Космология — наука, изучающая свойства нашей Вселенной как единого целого. Однако в ней пока нет какой-то единой теории, которая бы описывала все происходящее и когда-либо произошедшее. Сейчас существуют четыре основных космологических модели, которые пытаются описать происхождение и эволюцию вселенной и каждая из них имеет свои плюсы и минусы, своих адептов и противников. Модель Лямбда-CDM считается наиболее авторитетной, хотя и не бесспорной. Важно понимать, что космологические модели не обязательно соперничают друг с другом. Просто они могут описывать принципиально разные этапы эволюции. Например, Лябмда-CDM вообще не рассматривает вопрос Большого взрыва, хотя прекрасно объясняет все, что произошло после него.
Антропный принцип — это подход, который позволяет решить проблему «тонкой» настройки фундаментальных физических констант в нашей вселенной наличием в ней наблюдателя. Дело в том, что любое, казалось бы, незначительное изменение физических законов делает невозможным появление мира, каким мы его видим. Увеличение массы протона на 0,2 процента, например, приведет к его нестабильности и во вселенной не будет элементов сложнее нейтрона. Если же увеличить массу нейтрона на те же 0,2 процента, то он становится нестабильным в составе ядер и будет превращаться в протон. В этом случае ядра, состоящие только из протонов, будут распадаться из-за электрического отталкивания — мы снова получаем скучный и однообразный мир, где нет элементов тяжелее водорода. Примерно такая же «точная настройка» есть и у четырех фундаментальных взаимодействий (сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного). То есть создается впечатление, что все параметры подобраны таким образом, чтобы мы как наблюдатели могли существовать.
Антропный принцип существует в двух формах: сильной и слабой. Слабый антропный принцип заключается в том, что значения всех физических и космологических величин не равновероятны, но должны быть совместимы с существованием наблюдателя. Именно в этом значении антропный принцип употребляют в космологии (да и в биологиитоже). Сильный антропный принцип налагает на вселенную условие долженствования (вселенная должна быть такой, чтобы появился наблюдатель) и, таким образом, уже выходит за пределы науки. Различие довольно тонкое, так что неудивительно, что космологи довольно долго избегали в антропной аргументации.
Квантовая гравитация — еще не законченная физическая модель, которая должна одновременно описывать поведение частиц на квантовом (микро) уровне и в обычных (макро) условиях, где основную роль играет гравитация. Одним из подходов, чтобы «поженить» гравитацию и квантовую механику является теория струн.
Зачем вообще понадобилась новая, инфляционная модель Вселенной? Результаты космологических исследований и анализа уже существующих моделей, а также компьютерное моделирование образования скоплений и галактик отлично совпадало с результатами астрономических наблюдений. Казалось бы, в чем же проблема?
До конца 1970-х годов почти никто из ученых не брался за объяснение причин образования Большого взрыва и таких необычных его свойств. Первый серьезный интерес к этой области связан с именем американского астрофизика Алана Гута, который предпринял попытку решить эту задачу, введя отталкивающее тяготение (не путать с антигравитацией) приводящее к раздуванию пространства. Оно объясняло резкое увеличение размеров вселенной в первые моменты ее существования. Этот процесс был назван инфляцией.
Суть Модели инфляционной космологии (в упрощенном и лаконичном варианте тут) в том, что изначально вселенная не была бесконечно малой. Это очень важно, потому что убирает сингулярность, где не работают законы физики. Кроме того, она постулирует существование несколько типов вакуума. Тот, который заполняет космос (его называют истинным вакуумом) — самый низкоэнергетичный. Кроме него существуют как минимум электрослабый вакуум и вакуум Великого объединения. В рамках модели Гута считается, что это их энергия привела к началу инфляции и к появлению вселенной (фактически считается, что вместо Большого взрыва был период инфляции). Наконец, последним важным пунктом модели является введение в расчеты некоего скалярного поля, инфлатона, который и является источником энергии вакуума (пример скалярного поля — это значение температуры в каждой точке комнаты).
Любая новая физическая модель сначала рассматривает самую простую версию какого-нибудь явления. Не учитываются частные случаи, взаимодействия высоких порядков, исключения — если их сразу принять во внимание, недоработанная теория может не выдержать большого количества противоречий и рассыпаться. Дальше, если теория прошла первоначальную проверку, она обрастает «мясом», ее физические модели усложняются, она становится более гибкой и устойчивой к объяснению различных наблюдений. Поэтому в предложенной Гутом модели важная и существенная идея первоначально не могла похвастать проработанным физическим аппаратом и на многие вопросы (которые Гуту задали прямо на его первом выступлении с этой моделью в Стенфорде зимой 1980-го года) еще не было ответов.
Инфляционная модель не стала ни популярной, ни известной сразу после публикации, однако ряд физиков, среди которых были Алексей Старобинский, Андрей Линде и Вячеслав Муханов, поверили в нее и продолжили творчески развивать изначальные идеи Гута.
По мере развития инфляционной модели ее положения привели к отрицанию одного из основных принципов, незыблемых со времен Ньютона — принципа однородности и изотропности Вселенной. Все остальные модели принимают, что точка, с которой мы смотрим по сторонам, ничем не лучше и не хуже любой другой, а также то, что на больших масштабах вселенная заполнена веществом равномерно (что уже противоречит современным данным). Основная идея инфляционной космологии состоит в том, что наша часть вселенной более-менее однородна потому, что изначальные неоднородности — квантовые флуктуации — сильно растянулись и увеличились со временем и явные «дефекты», такие как монополи или границы вселенной, находятся от нас за горизонтом событий и мы не имеем возможности узнать про них. При этом менее значимые неоднородности со временем привели к образованию галактик.
Работы Линде, начатые через два года после первого доклада Гута, привели к появлению следующего утверждения: возможно существование других частей вселенной, каждая из которых инфляции стала локально однородной и настолько большой, что ее обитатели (гипотетические) также не увидят другие части общей вселенной. В такой вселенной (которой придумали название Мультивселенная или multiverse) каждая обособленная область может иметь совершенно особые свойства, физические законы и даже размерность пространства. Более продвинутая версия инфляционной модели, разработанная к 1987 году, описывает наш мир как вечно расширяющийся самовоспроизводящийся фрактал, который состоит из множества отдельных частей (в статье Линде называет их мини-вселенными). Таким образом, это не вселенная создана для нас, а это мы появились в той ее части, что пригодна для (нашей) жизни.
В обзоре Андрей Линде иронично отмечает «первые десять лет моего путешествия сквозь мультивселенную были крайне интересными, но уж слишком одинокими». Очень мало людей интересовались этой теорией и почти все статьи ему приходилось писать без соавторов. По словам Линде, ситуация изменилась в 1990-х благодаря нескольким факторам.
Во-первых, после запуска ресурса arxiv.org ученые смогли выкладывать препринты своих статей в открытый доступ, даже если журналы не были готовы их печатать. Это ускорило распространение информации среди астрофизиков и позволило им знакомиться даже со спорными идеями, которые отказывались публиковать журналы вроде Astrophysical Journal.
Во-вторых, работы Артура Межлумяна, Хуана Гарсия-Беллидо, Дмитрия Линде и вернувшегося к идее инфляционной модели Александра Виленкина помогли разрешить часть противоречий, существующих в модели вечно-расширяющейся инфляционной вселенной.
Поворотным моментом в истории инфляционной модели стало открытие темной энергии в 1998 году группами Адама Риса, Сола Перлмуттера и Брайана Шмидта. Оно заставило многих ученых изменить свое отношение к проблеме космологической константы. Эта константа была введена Эйнштейном в Общей Теории Относительности еще в 1915 году из математических соображений и долгое время никакого физического смысла не несла. Более того, около полувека ученые предпринимали попытки доказать, что она равна нулю, и, хотя строго математически и должна стоять в уравнении, но вообще ни на что не влияет. Результаты Риса, Перлмуттера и Шмидта показали, что эта постоянная не просто не ноль, но она еще и совпадает по значению с плотностью обычной материи. Здесь невозможно не вспомнить прекрасную цитату из повести Стругацких «За миллиард лет до конца света»: «А интегральчик-то не ноль! То есть он до такой степени не ноль, мой интегральчик, что величина вовсе существенно положительная…»
Структура мультивселенной с пузырями мини-вселенных внутри нее.
Рисунок: Andrei Linde
Единственным известным способом объяснить такое невероятное совпадение, не привлекая какие-то ненаучные гипотезы, можно только с помощью антропного принципа и инфляционной модели — то есть из множества существующих вселенных жизнь зародилась в той, где космологическая постоянная в данный момент времени оказалась равна плотности материи (это в свою очередь определяет время, прошедшее с начала инфляции, и дает как раз достаточно времени для формирования галактик, образования тяжелых элементов и развития жизни).
Еще одним поворотным моментом в развитии инфляционной модели был выход в 2000 году статьи Буссо и Полчински, в которой они предложили использовать теорию струн для объяснения большого набора разных типов вакуума, в каждом из которых космологическая постоянная могла принимать свои значения. А когда в работу над объединением теории струн и инфляционной модели включился один из создателей самой теории струн, Леонард Сасскинд, это не только помогло составить более законченную картину, которую сейчас называют «антропным ландшафтом теории струн», но и в некотором роде добавило вес всей модели в научном мире. Число статей по инфляции увеличилось за год с четырех до тридцати двух.
Инфляционная модель претендует на то, чтобы не просто объяснить тонкую настройку фундаментальных констант, но и помочь обнаружить некоторые фундаментальные параметры, которые определяют величину этих констант. Дело в том, что в Стандартной модели сегодня 26 параметров (космологическая постоянная стала последним из открытых), которые определяют величину всех констант, с которыми вы когда-либо сталкивались в курсе физики. Это достаточно много и уже Эйнштейн считал, что их количество можно уменьшить. Он предложил теорему, которая, по его словам, не может в настоящее время быть более чем верой, о том, что в мире нет произвольных констант: он так мудро устроен, что должны быть какие-то логические связи между казалось бы совсем разными величинами. В инфляционной модели эти константы могут быть всего лишь параметром окружающей среды, который кажется нам локально неизменным из-за эффекта инфляции, хотя будет совершенно иным в другой части вселенной и определяется еще не выявленными, но наверняка существующими истинно фундаментальными параметрами.
В заключении статьи Линде пишет, что критика инфляционной модели часто основана на том, что мы не сможем в обозримом будущем проникнуть в другие вселенные. Поэтому проверить теорию невозможно и у нас до сих пор нет ответов на самые базовые вопросы: Почему вселенная такая большая? Почему она однородна? Почему она изотропна и не вращается как наша галактика? Однако, если взглянуть на эти вопросы под другим углом, то оказывается, что и без путешествия в другие мини-вселенные у нас есть множество экспериментальных данных. Таких как размер, плоскость, изотропность, однородность, значение космологической постоянной, соотношение масс протона и нейтрона и так далее. И единственное на сегодняшний день разумное объяснение этим и многим другим экспериментальным данным дается в рамках теории мультиверсов и, следовательно, модели инфляционной космологии.
Отдельно хочется отметить список литературы, указанный в конце этой статьи. Он достаточно необычен для научной статьи, в нем множество научно-популярной литературы и открытых лекций, в которой авторы, участвовавшие в создании инфляционной модели, разъясняют свои открытия.
Библиография
«Мир многих миров», 2010. Александр Виленкин
«Антропный космологический принцип»,1986. Барроу и Типлера
«Инфляция и квантовая космология», 1990. Андрей Линде (ссылка ведет на лекцию, основанную на содержании книги).
Инфляционная мультивселенная
Эта статья является первой частью конспекта книги «Скрытая реальность: Параллельные миры и глубинные законы Космоса». Материал статьи посвящен инфляционной модели Вселенной.
В середине XX в. впервые было осознанно, что в микроволновой части спектра повсюду в космосе однородное свечение. Где его начало? В начале. Физики обнаружили, что это свечение является дошедшим до наших дней отголоском рождения Вселенной. История этого достижения является очередным успехом теории Большого взрыва, но одновременно с этим вскрывает один из фундаментальных недостатков теории и создает площадку для последующего ключевого прорыва в космологии – инфляционной космологии.
Инфляционная космология видоизменяет теорию Большого взрыва, дополняя ее интенсивной вспышкой невероятно быстрого расширения в течение первых мгновений жизни Вселенной. Такая модификация играет существенную роль для объяснения некоторых свойств реликтового излучения. В течение последних нескольких десятилетий ученые постепенно осознали, что наиболее убедительные варианты теории приводят к огромному количеству параллельных вселенных.
Следы жаркого начала
Георгий Гамов, советский физик, иммигрировавший в США, провел исследования, которые прояснили и оживили картину первых мгновений жизни Вселенной. С учетом небольших современных дополнений картина выглядела следующим образом.
Сразу после рождения, Вселенная была невероятно горячей и плотной. Пространство быстро расширялось и остывало, что приводило к образованию частиц из первичной плазмы. В течение первых трёх минут температура быстро падала, однако оставалась достаточно высокой, чтобы Вселенная была похожа на космическую ядерную печь, где образовывались простейшие атомные ядра: водород, гелий, небольшие количества лития. После ещё нескольких минут температура упала до 10 8 К, что примерно в 10 000 раз выше температуры поверхности Солнца. Хотя то, что согласно привычным стандартам такая температура крайне высока, её уже не хватает для дальнейшего поддержания ядерных процессов, и начиная с этого момента, интенсивность движения частиц сильно падает. Последующие миллиарды лет почти ничего не происходило, пространство просто продолжало расширяться, а плазма частиц продолжала остывать.
Примерно спустя 370 000 лет Вселенная остыла до 3000 К. На тот момент пространство было заполнено плазмой электрически заряженных частиц (в основном протоны и электроны). Так как эти частицы обладали особенностью отбрасывать частицы света (фотоны), то первичная плазма была непрозрачной. Но когда температура стала ниже 3000 К, быстрые электроны и ядра замедлились и стали объединяться в атомы; электроны, захваченные атомными ядрами, сели на орбиты. В этом состояло главное изменение. Так как заряды протонов и электронов равны по величине, но противоположны друг другу, образуемые ими атомы электрически нейтральны. А поскольку фотоны проходят через вещество, состоящее из электрически нейтральных компонент, не хуже, чем вода через сито, образование атомов привело к тому, что космический туман рассеялся, и световое эхо Большого взрыва вырвалось наружу. С тех самых пор первичные фотоны пронизывают всё пространство.
Однако при расширении пространства содержимое становится более разреженным и остывает, в том числе и фотоны. Однако фотоны не замедляются, они всегда летят со скоростью света. Вместо этого при остывании колебательные частоты фотонов уменьшаются, что приводит к изменению цвета. Фиолетовые => голубые => зеленные => желтые => красные => инфракрасные => микроволновые => радиоволны.
Ученые поняли, что если теория Большого взрыва верна, то пространство должно быть наполнено остаточными фотонами с момента рождения Вселенной. Подробные математические вычисления и эксперименты показали, что фотоны должны были остыть почти до абсолютного нуля и иметь частоты в микроволновой части спектра. Поэтому они называются космическим микроволновым фоновым (реликтовым) излучением.
Поразительная однородность древних фотонов
За десятилетия с момента первого наблюдения реликтовое излучение стало основным инструментом космологических исследований. Причина в том, что большинство исследователей многое дали бы за то, чтобы ненадолго заглянуть в прошлое. Космология одна из наук, в которой можно стать свидетелем давно минувших событий. Свет от удаленных объектов, попадающий в объектив мощных телескопов, летел очень долго, иногда миллиарды лет. Во время наблюдений была выявлена однородность Вселенной на больших масштабах, что свидетельствует в пользу, что то, что происходило там, происходило, в среднем, и здесь. Буквально говоря, смотря вверх, мы смотрим в прошлое.
Оправдавшееся предсказание теории Большого взрыва о том, что пространство заполнено реликтовым излучением, стало триумфом. Однако дальнейший анализ данных выявил проблему. Более точные измерения температуры излучения с помощью передового астрономического оборудования, показали, что излучение однородно – абсолютно однородно – в пространстве. Температура этого излучения составляет 2.725 К. Что за механизм лежит за подтверждаемой наблюдениями однородностью Вселенной?
Быстрее скорости света
При контакте двух предметов тепло передается от горячего к холодному, и это продолжается до тех пор, пока их температура не сравняются. Такое происходит повсеместно.
Похожие рассуждения, по-видимому, объясняют однородность реликтового излучения. Однако в рамках теории Большого взрыва такое объяснение не проходит.
Для выравнивания температуры разных предметов существенным условием является взаимный контакт. Он может быть непосредственным, как при рукопожатии, либо по меньшей мере через обмен информацией, вследствие чего условия в разных местах становятся скоррелированными. Только посредством такого взаимного воздействия можно достичь общей среды.
Это простое наблюдение указывает на трудности наивного объяснения однородности космической температуры. Рассмотрим две точки пространства, расположенные на очень большом расстоянии друг от друга. Первый испущенный ею луч света еще не достиг второй точки, следовательно, они никогда не могли взаимодействовать друг с другом.
Вот и пришли к загадке. Без какого-либо явного контакта температура этих разделенных большим расстоянием областей одинакова с точностью, превышающей четыре знака после запятой. Решая эту задачку, можно удивиться и другому. Как могли два предмета, когда-то находившиеся рядом друг с другом – а ученые верят, что все в наблюдаемой части Вселенной в момент Большого взрыва находилось рядом друг с другом, – удалится настолько быстро, что свету (предельная скорость для всего в космосе), испущенному одним из них, не хватит времени, чтобы достичь другого?
Ответ на эти вопросы заключается в том, что предел скорости, устанавливаемый светом, относится исключительно к движению объектов сквозь пространство. Однако галактики удаляются друг от друга не потому, что они движутся в пространстве — у них нет реактивных двигателей, — а из-за самого расширения пространства и галактики лишь увлекаются общим потоком.
Следует отметить, что, хотя у галактик нет реактивных двигателей, в общем случае они движутся чуть быстрее, чем ожидается из расширения пространства — как правило, это результат крупномасштабных межгалактических гравитационных сил, а также внутреннего движения вращающегося газового облака, из которого образуются звёзды в галактиках. Скорость такого движения называется пекулярной и, как правило, она довольно мала, поэтому в космологическом анализе ею можно смело пренебречь.
Смысл в том, что теория относительности не накладывает никаких ограничений на скорость расширения пространства, и поэтому нет никаких ограничений на скорость разбегания галактик, увлекаемых общим расширением. Скорость разбегания галактик может быть выше любой скорости, включая скорость света.
Однако трудность теперь в том, чтобы объяснить, как практически одинаковые температуры возникли в независимых областях космоса: вопрос, который космологи назвали проблемой горизонта.
Расширяя горизонты
В 1979 году Алану Гуту пришла идея, подвергшись критическому осмыслению Андреем Линде, Полом Стейнхардом и Андреасом Альбрехтом, которая решает проблему горизонта. Это решение – инфляционная космология – основывается на тонких свойствах общей теории относительности Эйнштейна.
Основные ее черты можно описать следующим образом. Проблема горизонта портит стандартную теорию Большого взрыва, потому что области пространства отдаляются слишком быстро для установления теплового равновесия. Инфляционная теория решает эту проблему, уменьшая скорость разделения областей пространства в начальные моменты времени и обеспечивая таким образом достаточно времени для выравнивания температуры. Затем из теории следует, что после завершения такого «космического рукопожатия» наступает непродолжительный период чрезвычайно быстрого и постоянно ускоряющегося расширения, названного инфляционным расширением, которое более чем достаточно компенсирует вялый старт и быстро разносит разные участки неба на огромные расстояния. Наблюдаемые нами однородные условия больше не являются загадкой, так как общая температура установилась до того, как разные области пространства были быстро разнесены.
Сверхбыстрое расширение пространства означает, что регионы, достаточно отдалённые друг от друга в настоящий момент, находились в ранней Вселенной гораздо ближе, чем предсказывает стандартная теория Большого взрыва, обеспечивая таким образом выравнивание температуры до того, как инфляция разметала эти регионы друг от друга.
Исходя из точных измерений, можно судить, что уравнения общей теории относительности Эйнштейна определяют, как расширяется Вселенная. Таким образом, перспективность инфляционного сценария зависит от того, возникает ли предложенная модификация стандартной модели Большого взрыва из уравнений Эйнштейна.
В ньютоновской теории гравитация обусловлена лишь массой предмета. Чем больше масса, тем сильнее гравитационное притяжение предмета. В эйнштейновской теории гравитация обусловлена массой предмета (и его энергией), а также его давлением. Взвесьте запечатанный пакет с картофельными чипсами. Теперь сожмите пакет, чтобы воздух, находящийся внутри него, оказался под высоким давлением, и затем снова взвесьте его. Согласно Ньютону, вес не изменится, потому что масса не изменилась. Согласно Эйнштейну, сжатый пакет будет весить немножко больше, потому что, хотя масса осталась прежней, давление увеличилось. При обычных обстоятельствах подобный эффект увеличения веса исчезающе мал, поэтому мы не обращаем на него никакого внимания. Однако из общей теории относительности и подтверждающих её экспериментов со всей очевидностью следует, что давление даёт вклад в гравитацию.
Это отклонение от ньютоновской теории очень важно. Давление воздуха положительное, и это значит, что он давит наружу. В общей теории относительности положительное давление, как и положительная масса, дает положительный вклад в гравитацию, что приводит к увеличению веса. Однако давление в некоторых ситуациях может быть отрицательным. ОТО утверждает, что отрицательное давление вносит отрицательный вклад в гравитацию, следовательно, это приводит к гравитационному отталкиванию.
Это может поставить в тупик. Однако при наполнении пространства однородной энергией космологическая постоянная (ее также для популяризации называют темной энергией) приводит к гравитационному отталкиванию. Космологическая постоянная не только наполняет пространство однородной энергией, величина которой определяется значением самой константы, но также приводит к появлению в пространстве однородного отрицательного давления. И когда дело доходит до гравитации, отрицательное давление играет роль, противоположную положительной массе и положительному давлению. Так возникает гравитационное отталкивание.
Можно подумать, что отрицательное давление втягивает внутрь и поэтому противоречит гравитационному отталкиванию, то есть выдавливанию наружу. На самом деле, однородное давление, независимо от знака, вообще не давит и не выталкивает. Барабанные перепонки лопаются, только если оказываемое на них давление неравномерно — с одной стороны меньше, чем с другой. Описываемое здесь отталкивание является гравитационной силой, порождённой однородным отрицательным давлением. Трудный, но ключевой момент для понимания. Положительная масса или положительное давление приводят к гравитационному притяжению, а отрицательное давление приводит к менее привычному гравитационному отталкиванию.
Вместо умеренного и равномерного расширения, которое может стабилизировать вселенную, инфляционная теория порождает гигантскую волну гравитационного отталкивания, невероятно короткую и ураганно-мощную. До этого события, однако, есть достаточно времени, чтобы у разных областей пространства выровнялась температура, после чего они разносятся на гигантские расстояния и занимают наблюдаемое сейчас положение на небе. Что за процесс может обеспечить подобное мгновенное и при этом повсеместное распространение отрицательного давления? Было показано, что отрицательное давление, необходимое для создания антигравитационной волны, естественным образом возникает из нового механизма, составляющие которого известны как квантовые поля.
Квантовые поля
В начале XIX в. Фарадей ввел в обиход трудное для понимания, но эффективное понятие поля.
Кроме магнитных, есть и другие поля. Заряженные частицы порождают электрические поля. Эксперименты Фарадея показали, что электрическое и магнитное поля внутренне связаны: изменение электрического поля порождает магнитное и наоборот.
Максвелл вывел уравнения, впоследствии названные в его честь, которые описывают изменение силы электрических и магнитных полей в пространстве от точки к точке и от одного момента времени к другому. Именно эти уравнения описывают море электрических и магнитных полей — так называемые электромагнитные волны, окружающие нас со всех сторон. Включите сотовый телефон, радио или беспроводной компьютер, и получаемые сигналы будут лишь крохотной крупицей из электромагнитного потока, молчаливо обтекающего нас каждую секунду. А более всего потрясает то, что и видимый свет, согласно уравнениям Максвелла, является электромагнитной волной, такой, которую научились воспринимать в процессе эволюции наши глаза.
Во второй половине XX столетия физики присоединили концепцию поля к быстро развивающемуся пониманию микромира, основанному на квантовой механике. В итоге квантовая теория поля стала математическим аппаратом для создания самых точных теорий материи и сил в природе. С её помощью физики установили, что помимо электрических и магнитных полей существует целый набор других полей, таких как сильные и слабые ядерные поля, кварковые, и нейтринные поля. Поле, которое является теоретическим фундаментом инфляционной космологии, называется полем инфлатона.
Квантовые поля и инфляция
Поля обладают энергией. Как правило, чем больше значение поля, тем больше количество энергии. Важное наблюдение Гута состояло в том, что такие однородные конфигурации поля наполняют пространство не только однородной энергией, но также и однородным отрицательным давлением. Таким способом он обнаружил физический механизм возникновения гравитационного отталкивания.
Если есть поле – гипотетическое поле инфлатона – однородное во всей области пространства, то оно заполнит эту область не только энергией, но и создаст в ней отрицательное давление. И такое отрицательное давление создаёт гравитационное отталкивание, которое приводит к безостановочному расширению пространства. Когда Гут подставил в уравнения Эйнштейна предполагаемые значения энергии инфлатона и давления, согласованные с экстремальными условиями ранней Вселенной, то вычисления показали, что возникающее гравитационное отталкивание должно быть колоссальным.
Космологическая постоянная – это всего лишь константа, которая порождает сегодня ровно такое же гравитационное отталкивание, как и миллиарды лет назад. В противоположность этому значение поля может изменяться и, вообще говоря, изменяется. При включении микроволновой печи находящееся внутри неё электромагнитное поле изменяется. Алан Гут осознал, что инфляционное поле, заполняющее пространство, ведёт себя похожим образом — включается для инфляции и затем выключается, — что позволяет гравитационному отталкиванию действовать лишь в короткий промежуток времени. Это важно. Наблюдения показывают, что если взрывоподобное расширение пространства вообще имело место, то оно должно было произойти миллиарды лет назад и резко оборваться, после чего началось размеренное расширение, о котором свидетельствуют точные астрономические измерения. Итак, исключительно важное свойство инфляционной гипотезы состоит в том, что эпоха мощного гравитационного отталкивания была временной.
Для более яркой аналогии представим Колобка на вершине горы. Энергия, переносимая полем с ненулевым значением, является потенциальной. При определенных условиях она может высвободиться. Подобно тому как рост потенциальной энергии Колобка, по мере того как он забирается на гору, определяется формой склона, потенциальная энергия поля имеет аналогичную форму, которая называется кривой потенциальной энергии. Такая кривая определяет изменение потенциальной энергии поля при изменении его значения.
Давайте представим, что в самые ранние моменты космоса пространство было равномерно заполнено полем инфлатона, значение которого соответствует самой высокой точке на кривой потенциальной энергии. Представим, что кривая потенциальной энергии выпрямляется и приобретает вид ровного плато как на рисунке выше, позволяя инфлатону задержаться на самой вершине. Что произойдёт дальше при таких гипотетических условиях?
Произойдут два важных события. Пока инфлатон находится на плато, он наполняет пространство большой потенциальной энергией и отрицательным давлением, приводя к взрывоподобному инфляционному расширению. Но подобно тому как потенциальная энергия Колобка высвобождается при спуске с горы, так и инфлатон высвобождает потенциальную энергию во всё пространство, скатываясь к более низким значениям. И по мере уменьшения значения инфлатона его энергия и отрицательное давление рассеиваются, что приводит к завершению взрывоподобного расширения. Не менее важно, что высвободившаяся полем инфлатона энергия не теряется, а подобно остывающему пару, конденсирующемуся в капли воды, энергия инфляции конденсируется в однородную среду частиц, заполняющих пространство. Такой двухступенчатый процесс — короткое, но быстрое расширение, за которым следует преобразование энергии в частицы, — приводит к огромному однородному пространству, заполненному сырьём для будущих звёзд и галактик.
Подробности этого процесса зависят от факторов, которые ни теория, ни эксперимент пока не могут определить.
В описанном подходе к инфляции нет фундаментального объяснения, почему значение поля инфлатона должно находиться на возвышенной части кривой потенциальной энергии, а также нет объяснения, почему кривая потенциальной энергии имеет именно такую форму. Всё это предположения теории. В последующих версиях теории инфляции, в особенности версии, разработанной Андреем Линде, которая называется хаотическая инфляция, более «обычная» кривая потенциальной энергии (параболическая форма без плоских участков, выводимая из простейших математических уравнений для потенциальной энергии) также может приводить к инфляции. Для запуска инфляционного расширения значение поля инфлатона также должно находиться высоко на этой кривой потенциальной энергии, однако неимоверно горячая среда в ранней Вселенной естественным образом создаёт для этого все условия.
Возможно заинтересует следующая подробность. Быстрое расширение пространства в инфляционной космологии приводит к сильному остыванию (подобно тому как быстрое сжатие пространства, или чего-нибудь ещё, вызывает повышение температуры). Однако, когда инфляция подходит к завершению, поле инфлатона колеблется около минимума своей кривой потенциальной энергии, трансформируя свою энергию в газ частиц. Этот процесс называется «повторным разогревом», потому что порождённые таким образом частицы получают кинетическую энергию и, следовательно, могут характеризоваться температурой. По мере того как пространство продолжает расширяться обычным (неинфляционным) способом, в сценарии Большого взрыва температура газа частиц постепенно снижается. Однако важный момент в том, что возникшая при инфляции однородность задаёт однородные условия для этого процесса, и поэтому приводит к однородным результатам.
Вечная инфляция
Инфляция – это способ осмысления космологии, а не какая-то конкретная теория. Исследователи показали, что существует множество способов для воплощения инфляции, отличаются лишь детали. Среди них есть один, разработанный прежде всего Линде, который имеет первостепенную важность.
Если представить космос в целом, он будет изобиловать бесчисленным множеством далеко разбросанных областей, каждая из которых несет след произошедшего инфляционного расширения. Наш мир, который издавна привыкли считать единственной вселенной, является одним из множества таких областей, парящих в неизмеримо большом пространстве. Таким образом, инфляционная космология приводит нас к одной из вариаций на тему параллельных миров.
Для понимания того, как возникает такая инфляционная мультивселенная, в аналогию с Колобком на холме следует добавить несколько деталей.
Первое: образ Колобка, сидящего высоко на холме, отражает поле инфлатона, обладающее значительной потенциальной энергией и отрицательным давлением и находящееся в неустойчивом равновесии. В основу теории закладывается изначальное равенство значений поля инфлатона во всех точках исходной области. Поэтому чтобы более адекватно представить инфляционный сценарий, потребуется вообразить нечто странное: многочисленных клонов Колобка, забравшихся на многочисленные, близкорасположенные вершины гор во всем пространстве.
Второе: до сих пор почти никак не затрагивали квантовый аспект квантовой теории поля. Поле инфлатона, как и всё остальное в нашей квантовой вселенной, подвержено квантовой неопределённости. Это означает, что его значение будет испытывать случайные флуктуации, мгновенно немножко возрастая здесь и убывая немножко там. В обычной жизни квантовые флуктуации слишком малы, чтобы их заметить. Однако вычисления показывают, что чем больше энергия инфлатона, тем больше его флуктуации, возникающие из-за квантовой неопределённости. Поскольку энергия инфлатона во время инфляционного расширения крайне высока, то квантовые флуктуации в ранней Вселенной должны быть большими и доминирующими.
Таким образом, следует представить не только отряд Колобков, забравшихся высоко на одинаковые горные вершины, но и подземные толчки разной силой. Разные клоны Колобков будут удерживаться на вершине в течение разного времени. Через некоторое время вся местность поделится случайным образом на области.
Случайность квантовых флуктуаций приводит к похожему выводу для поля инфлатона. Исходно инфлатон находится на самом верху кривой потенциальной энергии в каждой точке некоторой области пространства. Затем квантовые флуктуации действуют как подземные толчки. По этой причине пространство быстро разделяется на области: в некоторых квантовые флуктуации заставляют поле скатиться по кривой вниз, а в других оно остаётся наверху.
Именно здесь начинается различие между Колобками и космологией. Поле, находящееся на вершине кривой потенциальной энергии, воздействует на окружение значительно сильнее, чем сидящие на вершинах Колобки. Область, заполненная полем инфлатона, расширяется с фантастической скоростью. Это означает, что эволюция поля инфлатона управляется двумя противоположными процессами. Квантовые флуктуации, стремящиеся сбросить поле с верхнего положения, уменьшают область пространства, заполненного большой энергией. Инфляционное расширение путём быстрого увеличения тех областей, где поле удерживается в верхнем положении, увеличивает объём пространства, заполненного большой энергией.
В космологических успешных вариантах инфляции увеличение преобладает над уменьшением, и поэтому объем пространства, в котором энергия поля велика, увеличивается со временем. Принимая, что подобные полевые конфигурации приводят к дальнейшему инфляционному расширению, мы видим, что, однажды начавшись, инфляция не заканчивается никогда.
Космос и швейцарский сыр
Все эти идеи совместно показывают, что инфляционная космология значительно обновляет наше представление о реальном пространстве. Представьте вселенную в виде гигантского куска швейцарского сыра, в котором дырки соответствуют областям, где величина поля инфлатона мала, а в остальных местах, наоборот, велика. То есть дырки — это области, подобные нашей Вселенной, прошедшие стадию сверхбыстрого расширения, в процессе чего энергия поля инфлатона преобразовалась в частицы, которые со временем формируют галактики, звёзды и планеты. На более стандартном языке космологии каждая дырка называется пузырьком-вселенной.
Такое название может ввести в заблуждение. Наша вселенная огромна. То, что она может быть частью еще большей космической структуры лишь подтверждает фантастически огромные размеры, в рамках инфляционной парадигмы, космоса в целом.
Поворачивая перспективу
Когда первые задумались об инфляционной мультивселенной, прямых подтверждений в пользу теории было не так и много. Поэтому многие считали эту идею спекуляцией на спекуляции. Но в последующие годы количество наблюдательных данных в пользу инфляции значительно увеличилось в основном благодаря точным измерениям реликтового излучения.
Хотя наблюдаемая однородность реликтового излучения является одной из основных мотиваций развития инфляционной теории, первые сторонники теории понимали, что быстрое пространственное расширение не сможет обеспечить абсолютную однородность излучения. Наоборот, они утверждали, что квантово-механические флуктуации, растянутые инфляционным расширением, нарушают однородность, создавая миниатюрные температурные колебания.
Квантовая неопределенность приводит к флуктуациям поля инфлатона. Если инфляционная теория верна, такая флуктуация сбросила бы поле инфлатона с верхней точки в нашей части вселенной, что привело к завершению инфляционного расширению. Однако по мере скатывания к точке завершения инфляции, на значение инфлатона флуктуации могли продолжать влиять. Как правило, квантовые изменения настолько малы, что на космических масштабах ими можно пренебречь.
Однако расширение пространства происходит настолько быстро, даже на выходе из инфляционного режима, из-за чего всё микроскопическое растягивается настолько, что становится макроскопическим. В частности, небольшие отклонения в энергии, вызванные квантовыми флуктуациями, переходят в температурные отклонения, которые отпечатываются на реликтовом излучении. В конце концов, они были обнаружены. В точном согласии с предсказаниями теории они составляют примерно тысячную долю градуса. Но больше всего впечатляет то, что картина расположения температурных отклонений на небе точно соответствует теоретическим предсказаниям.
Когда инфляция в нашем пузырьке-вселенной подходила к концу, области с несколько большей энергией (или массой) создавали чуть более сильное гравитационное притяжение, притягивая больше частиц из близлежащих окрестностей и становясь, таким образом, больше. Большое скопление частиц, в свою очередь, создавало ещё более сильное гравитационное притяжение, притягивая ещё больше вещества и ещё больше увеличиваясь в размерах. С течением времени этот эффект снежного кома привёл к образованию цельных глыб вещества и энергии, которые за миллиарды лет стали галактиками и звёздами. Таким способом инфляционная теория устанавливает замечательную связь между самыми большими и самыми маленькими структурами космоса. Само существование галактик, звёзд, планет и жизни как таковой возникает из микроскопической квантовой неопределённости, усиленной инфляционным расширением.
Теоретические умозаключения, лежащие в основе инфляции, не являются бесспорными: в конце концов, инфлатон является гипотетическим полем, существование которого всё ещё нужно доказать; кривая потенциальной энергии была постулирована теоретически, а не обнаружена экспериментально и так далее. Хотя это, даже если какие-то детали теории не совсем верны, согласие между теорией и экспериментом убедило многих, что инфляционный сценарий правильно отражает фундаментальные представления о космической эволюции. Поскольку в большинстве сценариев инфляция является вечной и приводит к постоянно растущему числу дочерних вселенных, то такое объединение теории и эксперимента является пусть косвенным, но убедительным аргументом в пользу существования ещё одной версии параллельных миров.