что такое инфляция в астрономии
Горячий Большой взрыв
Насколько горячим был ГБВ в самом горячем состоянии перед тем, как начать охлаждаться, и как он начался?
Наверняка нам это пока неизвестно. ГБВ мог начаться, когда Вселенная стала горячей по окончанию периода инфляции. В таком случае жар ГБВ произошёл от тёмной энергии, питавшей инфляцию, и максимальная температура ГБВ зависит от количества доступной тёмной энергии.
Температура могла быть:
Что произошло далее?
Мы вполне уверены, что нам известны основные вехи и множество деталей произошедшего за последующие 13,7 млрд лет. Вселенная постепенно расширялась (пространство становилось больше), и соответствующим образом охлаждалась и становилась более пустой. По сравнению с таким удивительным событием, как инфляция, последующий период был относительно скучным, хотя по пути встречались довольно важные вехи.
За несколько минут после начала ГБВ:
Примерно сто миллионов лет спустя начали формироваться первые галактики и зажглись первые звёзды. Точные временные рамки пока не установлены измерениями, но это пытаются сделать.
Сейчас мы живём примерно 13,7 млрд лет после начала ГБВ. Заметьте, что я не написал про «возраст Вселенной», или что она началась 13,7 млрд лет назад. Это нам точно неизвестно. Нам известно лишь, что ГБВ начался 13,7 млрд лет назад — но мы не знаем, был ли этот момент близок к началу всей Вселенной.
Инфляция
Насколько безумной была скорость расширения? Участок Вселенной размером с экран вашего компьютера расширился до размеров наблюдаемой сегодня части Вселенной, или даже больше, за время меньшее, чем нужно кварку, чтобы перейти с одной стороны протона до другой. Я даже не буду пытаться заваливать вас числами, отчасти потому, что на самом деле мы не знаем, как долго длилась инфляция, но и ещё потому, что числа обозначают слишком крупные размеры и слишком мелкие промежутки времени, чтобы люди могли их себе представлять. По сути огромный кусок Вселенной был создан из крохотного кусочка почти мгновенно.
Какой была Вселенная во время этого расширения? Пустой. Чрезвычайно пустой. Гораздо, гораздо, гораздо более пустой, чем космос сегодня. Очень холодной. Очень тёмной. Всё, что могло присутствовать в ней до начала инфляции, мгновенно было разорвано и растащено на огромные расстояния. Предупреждение: есть достаточно важный и очень тонкий подвох, касающийся заявлений о пустой/тёмной/холодной Вселенной, и я пока не знаю, как точнее описать его. Было бы точнее сказать, что Вселенная была не просто «чрезвычайно» пустой, она была «максимально» пустой, тёмной и холодной — пустой от всего, кроме квантовых флуктуаций.
Что было до инфляции и как она началась, нам неизвестно. Существует несколько разумных теорий, основанных на науке, но все они будут спекуляциями, пока кто-нибудь не придумает способа проверить их при помощи измерений. Периода «до инфляции» может вообще не существовать — либо потому, что инфляция постоянно идёт где-то во Вселенной, или потому что время не будет иметь смысла, если вернуться достаточно далеко в прошлое, или по какой-то другой причине. Но во многих контекстах это почти не имеет значения, как я буду объяснять при помощи изображений, по пути отвечая на некоторые из часто задаваемых вопросов.
Что послужило причиной безумной скорости инфляции?
Причиной было большое количество того, что часто называют:
Рис. 1: совершенно необоснованная догадка по поводу того, как мог выглядеть один участок Вселенной перед началом инфляции. В сером участке по какой-то неизвестной причине содержится огромное количество тёмной энергии. Внутри серого участка я нарисовал несколько объектов, обозначенных зелёными и красными точками. Что находится вне серого региона, я понятия не имею, но в итоге это и не будет иметь значения.
Откуда взялось это огромное количество тёмной энергии?
Мы не знаем. Есть несколько предположений, некоторые из которых были отвергнуты полученными недавно данными. Мы надеемся узнать больше по этой теме в следующем десятилетии.
Рис. 2: тёмная энергия заставляет серый участок расширяться. Объекты в сером участке (зелёные и красные точки) разносятся в стороны с расширением пространства, содержащего тёмную энергию, которое становится всё более объёмным, при этом не двигаясь за пределы серого участка.
Почему скорость расширения не замедляется, если расширение разрежает тёмную энергию?
Странно и удивительно, что по мере инфляции Вселенной и роста её объёма количество тёмной энергии в пересчёте на единицу объёма остаётся постоянным. Это означает, что инфляция будет идти, и идти, и идти, не замедляясь, пока что-то не заставит тёмную энергию исчезнуть.
Рис. 3: поскольку тёмная энергия, в отличие от обычных материалов, не становится более разреженной по мере расширения пространства, и её плотность остаётся постоянной, серый участок продолжает расширяться. К этому времени все зелёные и красные точки, кроме одной, скрылись из виду. Какой бы ни была температура расширяющегося участка вначале, он становится очень холодным (максимально холодным, насколько это допускают условия).
Зелёные и красные точки удаляются друг от друга с огромной скоростью.
Не означает ли это невероятное расширение, что все вещи отдалялись друг от друга со скоростью, превышающей скорость света, универсальный предел скорости?
Не нарушает ли это теорию относительности Эйнштейна?
Нет, не нарушает. Теория Эйнштейна говорит о том, что если два объекта проходят мимо друг друга в одной точке пространства, то для наблюдателя, движущегося вместе с одним из них, измеряемая скорость другого объекта никогда не будет превышать скорость света. Но два объекта в двух разных местах могут удаляться друг от друга быстрее скорости света, если расширяется само пространство. Именно это и происходит в расширяющейся Вселенной.
Рис. 4: суть эпохи инфляции. К этому моменту инфляция разнесла все объекты, существовавшие в сером участке на рис. 1 (красные и зелёные точки) на чрезвычайно большие расстояния друг от друга. Серый участок расширился до непостижимо огромного размера, стал ужасно пустым и холодным. А расширение может продолжаться и продолжаться в несколько этапов. Первоначальные догадки, показанные на рис. 1 и рис. 2, уже совершенно не связаны со свойствами этого участка Вселенной; если бы мы начали сильно отличной догадки на рис. 1 и 2, мы всё равно бы получили тот же самый рис. 4.
Да, так и есть. Ну, почти так. Она настолько холодная, насколько это возможно; однако наличие квантовых флуктуаций привносит свои особенности. Вселенная стала горячей после инфляции (об этом чуть дальше). Была ли она горячей в какой-то момент до инфляции, вопрос чисто умозрительный; никаких свидетельств «за» или «против» всё равно нет. Но во время инфляции температура упала до небольшой доли градуса выше абсолютного нуля.
Рис. 5: расширение испытывающего инфляцию участка замедляется. То, что со времнем станет наблюдаемой частью нашей Вселенной, уже достаточно крупное, чтобы его нарисовать — оно обозначено красным пунктиром.
Почему инфляция остановилась?
Мы не знаем. Есть, конечно, несколько научных предположений, с уравнениями, предсказаниями и способами их проверки — по крайней мере, частичной. Возможно, скоро мы узнаем об этом больше благодаря продолжающемуся изучению космоса.
Что случилось, когда инфляция остановилась?
Наилучшая из догадок (и наши уравнения говорят о том, что это возможно, но не сообщают деталей) — вся тёмная энергия превратилась в частицы, включая и те, из которых мы состоим, и во множество других типов известных нам частиц, и, возможно, в кучу частиц, о которых нам ничего не известно. И когда это произошло, Вселенная стала очень горячей и плотной — и продолжает расширяться, хотя и гораздо медленнее.
Рис. 6: по окончанию инфляции тёмная энергия, заполнявшая ранее расширявшийся участок, превращается в энергию движения и энергию массы частиц, появляющихся в огромных количествах, что делает Вселенную очень горячей. Чем больше тёмной энергии в единице объёма было во время инфляции, тем горячее Вселенная может стать после того, как разогреется. Крупный участок, распространяющийся гораздо дальше, чем показано, включающий то, что станет нашей наблюдаемой частью Вселенной, заполняется почти однородным горячим плотным супом из частиц. С этого момента Вселенная расширяется дальше, но гораздо медленнее, чем во время инфляции, и постепенно остывает.
Поскольку терминология пока не устоялась, вы можете сами решать, что именно называть термином «Большой взрыв». Важно лишь знать, что у вас есть несколько возможностей, и что разные учёные и разные сайты могут иметь в виду разные понятия, обозначаемые как «Большой взрыв».
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.