Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности
Шрифт:
Теперь, если мы объединим эти два наблюдения — что поле Хиггса будет находиться на плато в высокоэнергичном состоянии с отрицательным давлением только микроскопическое мгновение и что пока оно находится на плато, генерируемое им отталкивание будет гигантским, — что мы получим? Как осознал Гут, мы получим феноменальный кратковременный взрыв. Другими словами, мы получим в точности то, чего не хватает теории Большого взрыва: взрыв, и при этом большой. Вот почему открытие Гута так воодушевляет. {135}
Таким образом, космологическая картина, возникающая благодаря прорыву Гута, состоит в следующем. Очень давно, когда Вселенная была чудовищно плотной, носителем её энергии было поле Хиггса, имеющее значение, далёкое от низшей точки в его потенциальной чаше. Чтобы отличать это специальное поле Хиггса от других (таких как электрослабое поле Хиггса, отвечающее за появление массы у обычных семейств частиц, или поле Хиггса, которое возникает в теориях
Эти числа потрясают. Коэффициент расширения 10 30— консервативная оценка — подобен увеличению размера молекулы ДНК приблизительно до размера нашей Галактики (Млечного Пути), и всё это за временной интервал много короче, чем миллиардная от миллиардной от миллиардной доли от времени, необходимого, чтобы моргнуть глазом. Для сравнения, даже эта консервативная оценка в миллиарды и миллиарды раз больше расширения, которое могло бы возникнуть в соответствии со стандартной теорией Большого взрыва за то же время, и это превышает полный фактор расширения, который был достигнут за последующие 14 млрд лет! Во многих моделях инфляции, в которых рассчитанный фактор расширения намного больше, чем 10 30, результирующая пространственная протяжённость Вселенной настолько велика, что та область, которую мы можем видеть даже в самые мощные телескопы, является только крохотным кусочком всей Вселенной. В соответствии с этими моделями свет, испущенный в подавляющем большинстве областей Вселенной, до сих пор не смог достигнуть нас, и большая часть его не появится ещё очень долго после того, как исчезнут Солнце и Земля. Если весь космос уменьшить до размеров Земли, то часть, доступная нашим наблюдениям, будет намного меньше песчинки.
Примерно через 10 – 35с после начала раздувания поле инфлатона нашло путь вниз с высокоэнергетического плато, и его величина во всём пространстве соскользнула на дно чаши, выключив отталкивание. И когда поле инфлатона скатилось вниз, оно передало свой запас энергии на рождение обычных частиц материи и излучения — подобно тому как туман оседает на траву утренней росой, — которые однородно заполнили расширяющееся пространство. {137} С этого момента история становится по существу историей стандартной теории Большого взрыва: пространство вследствие взрыва продолжает расширяться и охлаждаться, позволяя частицам материи собираться в структуры вроде галактик, звёзд и планет, которые медленно распространяются во Вселенной, которую мы видим в настоящее время, как показано на рис. 10.3.
Рис. 10.3.( а) Инфляционная космология вводит быстрое гигантское раздувание пространства в ранней истории Вселенной. ( б) После раздувания эволюция Вселенной переходит в стандартную эволюцию, разработанную в модели Большого взрыва
Открытие Гута — названное инфляционной космологией— вместе с важными усовершенствованиями, внесёнными Линде, Альбрехтом и Стейнхардтом, объяснило, что именно с самого начала заставило пространство расширяться. Поле Хиггса, удерживаемое на величине, соответствующей энергии поля выше нуля, может обеспечить взрыв, заставивший пространство раздуваться. Гут снабдил Большой взрыв собственно взрывом.
Рамки инфляции
Открытие Гута было быстро оценено как крупное достижение и определило доминирующее направление космологических исследований. Но отметим два момента. Во-первых, в стандартной модели Большого взрыва сам взрыв произошёл как бы в момент времени «нуль», в самом начале Вселенной, так что он выглядит как акт творения. Но точно так же, как кусок динамита взрывается только когда его правильно подожгли, в инфляционной космологии взрыв произошёл только тогда, когда сложились подходящие условия, — когда имелось поле инфлатона, величина которого обеспечила энергию и отрицательное давление, инициировавшие взрыв отталкивающей гравитации, — и это вовсе не обязано совпадать с «творением» Вселенной. По этой причине инфляционный взрыв лучше всего представлять как одно изсобытий,
Второе наблюдение состоит в том, что инфляционная космология не является отдельной теорией. Скорее это некий космологический каркас, выстроенный вокруг понимания, что гравитация может быть отталкивающей и, следовательно, может привести к раздуванию пространства. Точные детали раздувания — когда оно произошло, как долго оно длилось, какова была отталкивающая сила, во сколько раз Вселенная увеличилась во время раздувания, каково количество энергии, которое инфляция вложила в обычную материю, когда раздувание подошло к концу и т. д. — зависят от деталей, которые в настоящее время находятся за пределами наших способностей определить их только из теории; больше всего они зависят от таких деталей, как размер и форма чаши потенциальной энергии поля инфлатона. Поэтому многие годы физики изучали разные возможности — различные формы потенциальной энергии, различное количество полей инфлатона, работающих в тандеме, и т. д. — и определяли, какие параметры дают лучшее соответствие теорий с астрономическими наблюдениями. Важно то, что имеются разделы инфляционных космологических теорий, которые не зависят от деталей и поэтому являются общими, по существу, для любой реализации. Само раздувание, по определению, является одним из таких свойств, и потому любая инфляционная модель приходит к взрыву. Но имеются и другие свойства, присущие всем инфляционным моделям, которые жизненно важны, поскольку решают проблемы, заведшие в тупик стандартную космологию Большого взрыва.
Инфляция и проблема горизонта
Одна из таких проблем называется проблемой горизонта и заключается в однородности микроволнового фонового излучения, о котором мы говорили ранее. Напомним, что температура микроволнового излучения, приходящего к нам с любого выбранного направления в пространстве, согласуется с температурой излучения, приходящего с любого другого направления, с чрезвычайной точностью (до тысячной доли градуса). Этот наблюдательный факт является ключевым, поскольку он подтверждает однородность всего пространства, допуская гигантские упрощения в теоретических моделях космоса. В предыдущих главах мы использовали эту однородность, чтобы существенно снизить количество возможных форм пространства и чтобы обосновать существование однородного космического времени. Проблема возникает, когда мы пытаемся объяснить, почемуВселенная стала такой однородной. Как получилось, что страшно удалённые области Вселенной так подстроились друг к другу, что стали иметь почти одинаковую температуру?
Если вы вспомните главу 4, то одна из возможностей заключается в том, что точно так же, как нелокальное квантовое запутывание может коррелировать спины двух далеко разнесённых частиц, оно может коррелировать также и температуры двух далеко разнесённых областей пространства. Хотя это интересное предположение, но, как обсуждалось в конце главы 4, колоссальное размывание запутывания во всех ситуациях, кроме наиболее контролируемых, совершенно исключает такую возможность. Но, может быть, имеется более простое объяснение. Может быть, давным-давно, когда все области пространства были ближе друг к другу, их температуры выравнялись благодаря их тесному контакту, примерно так, как нагретая кухня и холодная жилая комната сравниваются температурой, когда дверь между ними на время открыта. Однако в стандартной теории Большого взрыва это объяснение также не проходит. Приведём другую возможность, о которой стоит подумать.
Представьте, что вы просматриваете фильм, который показывает всю космическую эволюцию от начала до сегодняшнего дня. Остановите плёнку на некотором произвольном моменте и спросите себя: могут ли две различные области пространства, вроде кухни и жилой комнаты, влиять на температуру друг друга? Могут ли они обменяться светом и теплом? Ответ зависит от двух вещей: от расстояния между областями и от времени, прошедшего с момента взрыва. Если расстояние между ними меньше, чем путь, который может проделать свет за время с момента Взрыва, то области могут повлиять друг на друга; в противном случае не могут. Тогда вы можете подумать, что всеобласти наблюдаемой Вселенной могли провзаимодействовать друг с другом где-то вблизи начала Вселенной, поскольку чем дальше мы отматываем плёнку назад, тем ближе становятся области и поэтому им легче взаимодействовать. Но это рассуждение слишком поспешно; оно не учитывает тот факт, что не только области пространства были ближе друг к другу, но у них также было меньше времени, чтобы осуществить связь.