Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство

Радунская Ирина Львовна

Модельная шляпа

Но если Вселенная в начале своей эволюции находилась в состоянии ложного вакуума, то ее дальнейшую судьбу — начальный этап расширения — легко представить при помощи простой модели. Представьте себе круглую мужскую шляпу. Верх ее вдавлен и образует подобие кратера вулкана, окруженного валом. Поля шляпы загнуты вверх. Они словно кольцевой ров вокруг подножия вулкана. Запомните эту шляпу — она нам пригодится.

А сейчас мы познакомимся с ученым по фамилии Хиггс и с хиггсовскими полями.

Хиггсовские поля играют важную роль в эволюции Вселенной. Р. У. Хиггс впервые ввел их в аппарат теоретической физики, чтобы разобраться в существе Великого объединения. Теперь физики твердо усвоили:

если хиггсовские поля равны нулю, то при очень высокой температуре три основных взаимодействия (сильное, слабое и электромагнитное), играющие роль в процессах микромира, объединяются между собой. Они становятся неразличимыми и действуют как одна сила, определяющая все процессы микромира. Это и есть знакомое нам Великое объединение. При этом материя, а значит, вещество и энергия находятся в наиболее симметричном состоянии. Если хотя бы одно из хиггсовских полей отличается от нуля, то симметрия нарушается. Причем процесс нарушения симметрии является особым фазовым переходом, подобным переходу воды в лед.

И этот фазовый переход происходит тем быстрее, чем сильнее отличаются от нуля хиггсовские поля. Связь хиггсовских полей со скоростью фазового перехода играет основную роль в сценарии раздувающейся Вселенной. Теперь вспомним нашу шляпу и представим, что это модель Вселенной.

Хиггсово поле равно нулю на оси шляпы — в центре впадины, в ее средней части. И возрастает при удалении от оси. Область ложного вакуума сосредоточена на дне кратера. Ров, окружающий «вулкан», соответствует зоне истинного вакуума. Главная часть энергии ложного вакуума сосредоточена в этой модели у оси кратера. Она много больше плотности энергии в состоянии истинного вакуума, занимающего нижнюю часть кольцевого рва, и в 10⁵⁹ раз превышает плотность энергии внутри атомного ядра. Плотность энергии должна расти при продвижении вверх по стенкам «вулкана». Она максимальна там, где внутренние стенки кратера переходят во внешние, спускающиеся к кольцевому рву, окружающему кратер.

Если бы в начальной стадии рождения Вселенной действовали законы классической физики, то Вселенная осталась бы навсегда в состоянии ложного вакуума — в центре кратера нашей модели. Ведь в этом состоянии в начальный момент сосредоточена вся энергия Вселенной и не существует дополнительной энергии, которая могла бы вывести Вселенную из этого состояния, поднять ее на вал, окружающий кратер, с тем чтобы после этого началась ее дальнейшая эволюция.

Но при огромных плотностях энергии, о которых только что говорилось, законы классической физики уступают место законам квантовой физики. А эти законы допускают самопроизвольный переход энергии за пределы энергетического барьера (вала кратера в нашей модели). Она уходит словно сквозь туннель. В результате такого туннельного перехода небольшие области ложного вакуума оказываются за пределами барьера на наружной поверхности модели.

Процесс туннелирования не следует представлять себе как образование реального туннеля, сквозь который затем начинает протекать содержимое кратера, как вода через отверстие в стенке бака. Процесс туннелирования — это особый квантовый процесс, при котором небольшая порция содержимого кратера исчезает внутри его и возникает вне его. Аналогично происходит, например, радиоактивный распад ядер атомов.

В сценарии Гуса ложный вакуум исчезает внутри кратера малыми порциями. Одновременно эта часть ложного вакуума возникает на внешней стенке вала кратера, возникает за барьером. Эту часть можно представить себе пузырьком ложного вакуума. Но здесь, за барьером, хиггсовское поле существенно отлично от нуля. Поэтому симметрия внутри пузырька оказывается сильно нарушенной. Впрочем, это нарушение возникало и слабо росло еще внутри кратера, когда порция ложного вакуума удалялась от оси кратера к его внутренней стенке, перед тем как пройти сквозь барьер и образовать вне его пузырек.

Родившийся вне кратера пузырек ложного вакуума начинает быстро, со все ускоряющейся скоростью расти, раздуваться, одновременно превращаясь в истинный вакуум так, что плотность энергии в нем быстро уменьшается. На нашей модели это изображается быстрым скатыванием раздувающегося пузырька по внешней поверхности шляпы в кольцевой ров, образованный полями шляпы.

Дно этого рва соответствует истинному вакууму, в который обратится весь пузырек ложного вакуума в конце этого процесса. Объем пузырька при этом колоссально возрастает. Во время раздувания пузырька происходит фазовый переход из симметричного состояния в несимметричное, разрушается Великое объединение.

Расчеты показывают, что темп расширения пузырька увеличивается так быстро, что его диаметр удваивается каждые 10– 34 с. Именно это имеют в виду, говоря об инфляционной фазе или раздувании Вселенной. Согласно этой модели раздувание продолжалось всего 10– 32 с, но диаметр Вселенной, рождающейся из такого пузырька, за это ничтожное время увеличился более чем в 1050 раз. К концу этого расширения окончательно устанавливается фаза с нарушенной симметрией. В течение фазового перехода, как и при обычном фазовом переходе, колоссальная плотность энергии ложного вакуума выделялась в форме скрытой теплоты перехода, что сопровождалось рождением огромного числа частиц, в которых сосредоточилась выделившаяся энергия. Эти частицы обладали очень высокой температурой и находились в состоянии термодинамического равновесия между собой и с полем, заполняющим пузырек.

В сценарии Гуса, как и в сценарии Старобинского, снимается ряд трудностей стандартной модели. В процессе быстрого и сильного раздувания пространственная структура Вселенной становится практически плоской. А так как Вселенная рождается из маленького пузырька, помещающегося в пределах горизонта событий, то после его раздувания до современных размеров не возникает сомнения в существовании причинно-следственных связей, характеризуемых однородностью реликтового излучения. Сценарий Гуса объясняет отсутствие или крайнюю редкость магнитных монополей: если они и рождаются, то в результате раздувания они теперь окажутся в недостижимом удалении от нас. После подробного анализа Гус пришел к выводу, что его сценарий не только устраняет ряд дефектов стандартного сценария, но и приводит к новым трудностям. Например, вся энергия ложного вакуума, первоначально заполнявшего пузырек, оказывается сосредоточенной в его стенках. А стенки раздуваются со скоростью, близкой к скорости света. Из-за столкновений стенок отдельных раздувающихся пузырьков Вселенная разогревается. А это должно привести к сильной неоднородности Вселенной и к образованию магнитных монополей внутри ее наблюдаемой части, что противоречит результатам астрономических наблюдений.

Возможность преодоления основных трудностей стандартной модели расширения Вселенной привлекла к сценарию Гуса многих физиков. Они искали пути преодоления новых трудностей, возникающих в этом сценарии. К 1983 году в статье Гуса и Э. Вайнберга был подведен итог этих попыток. Итог сводился к тому, что дефекты сценария Гуса неустранимы.

В октябре 1981 года А. Д. Линде и независимо в январе 1982 года А. Альбрехт и Р. Стейнхард опубликовали результаты своих исследований, в которых сценарий раздувающейся Вселенной изменен так, что в нем не возникает трудностей, погубивших сценарий Гуса.

Главное различие достигнуто в результате более точного описания первых этапов; эволюции. Суть этого различия может быть пояснена при помощи видоизменения «шляпы» в рассмотренной нами модели. В первой модели Гуса середина шляпы была сильно вогнута и ее форма напоминала кратер вулкана. В новом сценарии вершина шляпы не вогнута, а имеет в середине почти плоскую, очень слабо выпуклую область. При этом отсутствует барьер, разделяющий ложный вакуум, лежащий на вершине, и истинный вакуум, который занимает кольцеобразное углубление полей шляпы.