Нескончаемое потворство часть 16

Нескончаемое потворство часть 16
Космология, строение Вселенной, прошлое, настоящее и будущее нашего мира — эти вопросы всегда занимали лучшие умы человечества. И составители Ветхого Завета, и древние философы из разных уголков света предлагали свои, порой эволюционные, варианты космологии, основанные на временной шкале, и описывали некую последовательность событий в образах своего времени. Представления наших предков не так уж кардинально отличаются от современных моделей, опирающихся на данные современной наблюдательной астрономии, в первую очередь внеземной.
Для дальнейшего развития космологии, да и науки в целом, крайне важно понимание Вселенной как единого целого. Особую роль играют экспериментальная проверка абстрактных построений, подтверждение их наблюдательными данными, осмысление и сопоставление результатов исследований, адекватная оценка тех или иных теорий. Сейчас мы находимся на середине пути, который ведёт от решения уравнений Эйнштейна к познанию тайны рождения и жизни Вселенной.
Очередной шаг на этом пути сделал создатель теории хаотической инфляции, воспитанник Московского государственного университета, ныне профессор Стэнфордского университета Андрей Дмитриевич Линде, внёсший существенный вклад в понимание самой ранней стадии развития Вселенной. Многие годы он проработал в одном из ведущих академических российских институтов — Физическом институте им. Лебедева Академии наук (ФИАН), занимался следствиями современных теорий элементарных частиц, работая вместе с профессором Давидом Абрамовичем Киржницем.
В 1972 г. Киржниц и Линде пришли к выводу, что в ранней Вселенной происходили своеобразные фазовые переходы, когда различия между разными типами взаимодействий вдруг исчезали: сильные и электрослабые взаимодействия сливались в одну единую силу. (Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий, осуществляемых кварками и лептонами посредством обмена безмассовыми фотонами (электромагнитное взаимодействие) и тяжёлыми промежуточными векторными бозонами (слабое взаимодействие), создана в конце 1960-х гг. Стивеном Вайнбергом, Шелдоном Глэшоу и Абдусом Саламом.) В дальнейшей Линде сосредоточился на изучении процессов на ещё более ранних стадиях развития Вселенной, в первые 10 –30 с после её рождения. Раньше казалось маловероятным, что до нас может дойти эхо событий, происходивших в первые миллисекунды рождения Вселенной. Однако в последние годы современные методы астрономических наблюдений позволили заглянуть в далёкое прошлое.
Проблемы космологии

Согласно новому классу теорий элементарных частиц, возникшему в 70-е гг., в ранней Вселенной в результате фазовых переходов, предсказанных Киржницем и Линде, могли появиться экзотические объекты, каждый из которых имел отдельно северный и отдельно южный полюс. (У магнита, на сколько частей его бы ни распиливали, всегда остаётся два полюса.) Они назывались монополями. Масса каждого монополя в миллион миллиардов раз больше массы протона. В 1978 г. учёные обнаружили, что таких монополей рождалось довольно много, так что сейчас на каждый протон приходилось бы по монополю, а значит, Вселенная была бы очень тяжёлой и быстро сколлапсировала под своим собственным весом. Тот факт, что мы до сих пор существуем, опровергает такую возможность.
Рассматривая теорию Большого взрыва, исследователи сталкивались с проблемами, ранее воспринимавшимися как метафизические. Однако вопросы неизменно возникали и требовали ответов. В 1931 г. английский физик-теоретик Поль Дирак предположил существование магнитных монополей. Если такие частицы действительно существуют, то магнитный заряд должен быть кратен некоторой заданной величине, которая, в свою очередь, определяется фундаментальной величиной электрического заряда. Почти на полвека эта тема была практически забыта, но в 1975 г. было сделано сенсационное заявление о том, что магнитный монополь обнаружен в космических лучах. Информация не подтвердилась, но сообщение вновь пробудило интерес к проблеме и способствовало разработке новой концепции.
Что было тогда, когда ничего не было? Если Вселенная родилась из сингулярности, значит, когда-то её не существовало. В „Теоретической физике“ Ландау и Лившица сказано, что решение уравнений Эйнштейна нельзя продолжить в область отрицательного времени, и потому в рамках общей теории относительности вопрос „Что было до рождения Вселенной?“ не имеет смысла.
Пересекаются ли параллельные линии? В школе нам говорили, что нет. Однако когда речь заходит о космологии, ответ не столь однозначен. Например, в замкнутой Вселенной, похожей на поверхность сферы, линии, которые были параллельными на экваторе, пересекаются на северном и южном полюсах. Так прав ли Евклид? Почему Вселенная кажется настолько плоской (по последним данным — с точностью до 10 –60)? Была ли она такой с самого начала? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо установить, что представляла собой Вселенная на самом раннем этапе развития.
Почему Вселенная однородна? На самом деле это не совсем так. Существуют галактики, звёзды и иные неоднородности. Если посмотреть на ту часть Вселенной, которая находится в пределах видимости современных телескопов, и проанализировать среднюю плотность распределения вещества в космических масштабах, окажется, что она одинакова во всех направлениях с точностью до 10 –5. Почему же Вселенная везде однородна? Вообще говоря, всё объясняется космологическим принципом Эйнштейна: каждый наблюдатель в один и тот же момент времени, независимо от места и направления наблюдения, обнаруживает во Вселенной одну и ту же картину. Но так ли это?
Сомнения возникали всегда, и чем больше учёные узнавали о строении и истории существования нашего мира, тем больше вопросов оставалось без ответов. Однако люди старались о них не думать, воспринимая большую однородную Вселенную и непересекающиеся параллельные линии как данность, не подлежащую обсуждению. Проблема реликтовых монополей стала последней каплей, заставившей физиков пересмотреть отношение к теории ранней Вселенной.
Пересмотр теории ранней Вселенной
Одна из трудностей, с которой сталкивается традиционная теория Большого взрыва, — необходимость объяснить, откуда взялось колоссальное количество энергии, требующееся для рождения частиц. На этот и ряд других вопросов попытались ответить авторы теорий раздувающейся Вселенной.
Космологический принцип был впервые сформулирован немецким философом Николаем Кузанским (1401–1464), который ещё в XV в. утверждал: „Вечно движущаяся Вселенная не имеет ни центра, ни окружности, ни верха, ни низа, она однородна, в разных частях её господствуют одинаковые законы“. Ему же принадлежит знаменитый афоризм: „Вселенная есть сфера, центр которой всюду, а окружность нигде“, который часто ошибочно приписывают Джордано Бруно или Паскалю, всего лишь повторившим изречение кузанца.
Инфляционная теория. В 1980 г. сотрудник Массачусетского технологического института Алан Гус (Alan Guth) в статье „Раздувающаяся Вселенная: возможное решение проблемы горизонта и плоскостности“ изложил интересный сценарий раздувающейся Вселенной. Основным его отличием от традиционной теории Большого взрыва стало описание рождения мироздания в период с 10 –35 до 10 –32 с. Гус предположил, что скорость расширения Вселенной была высока в течение более длительного времени, чем предполагалось ранее. Примерно через 10 –35 с Вселенная перешла в состояние псевдовакуума, при котором её энергия исключительно велика. Поэтому расширение (раздувание) происходило быстрее, чем по теории Большого взрыва.
Через 10 –35 с после рождения мира не было ничего, кроме чёрных мини-дыр и „обрывков“ пространства. При резком раздувании участки „пены“ превратились в отдельные вселенные. Некоторые из них, возможно, оказались вложенными друг в друга. Следовательно, может существовать множество вселенных, недоступных для нашего наблюдения.
Инфляционная теория была основана на так называемой теории фазовых переходов в ранней Вселенной. В отличие от Стробинского, Гус придумал некий механизм и постарался с помощью одного простого принципа объяснить, почему Вселенная большая, плоская, однородная, изотропная, а также почему монополей нет. Модель такого решения не давала. Так же трудно было объяснить, почему, начавшись, раздувание в конце концов прекращается. Несмотря на ряд противоречий и трудностей, модель Гуса стала значительным достижением космологии и стимулировала разработку новых сценариев раздувающейся Вселенной.
Новая инфляционная теория. В середине 1981 г. Линде предложил первый вариант нового сценария раздувающейся Вселенной, основывающийся на более детальном анализе фазовых переходов в модели Великого объединения. Он пришёл к выводу, что экспоненциальное расширение не заканчивается образованием пузырьков, а инфляция может идти не только до фазового перехода с образованием пузырьков, но и после, уже внутри них. (В рамках этого сценария наблюдаемая часть Вселенной считается содержащейся внутри одного пузырька.)
КВАНТОВАЯ ПЕНА

Разработка инфляционных сценариев в космологии завершилась, по словам одного из авторов А.Д. Линде, созданием теории хаотической инфляции. В его сценарии становление Вселенной описывается как случайное следствие хаотического „кипения“ пространственно-временной квантовой пены. Процесс рождения вселенных в такой пене не только случаен и хаотичен, но и бесконечен: одни вселенные, рождаясь, тут же коллапсируют, другие растут, оставаясь мёртвыми, третьи лишены времени и развития, а четвёртые заполняются галактиками, звёздами, планетами и становятся подобны нашей Вселенной
В новом сценарии Линде показал, что разогрев после раздувания происходит за счёт рождения частиц. Таким образом, соударения стенок пузырьков, порождающих неоднородности, стали не нужны, и тем самым была решена проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной. Новый сценарий содержал два ключевых момента: во-первых, процесс нарушения симметрии должен идти сначала медленно, чтобы обеспечивалось раздувание внутри пузырька; во-вторых, на более поздних стадиях должны происходить процессы, обеспечивающие разогрев Вселенной после фазового перехода. Спустя год исследователь пересмотрел свой подход, предложенный в новой инфляционной теории, и пришел к выводу, что фазовые переходы не нужны, равно как переохлаждения и ложный вакуум, с которого начинал Алан Гус. Это был эмоциональный шок, т. к. предстояло отказаться от считавшихся истинными представлений о горячей Вселенной, фазовых переходах, переохлаждении, которым соответствовали наблюдательные данные. Необходимо было найти новый способ решения проблемы. Тогда была выдвинута теория хаотической инфляции.
Хаотическая инфляция. Идея, лежащая в основе теории хаотической инфляции Линде, очень проста. Существуют направленные поля — электромагнитное, электрическое, магнитное, гравитационное, но может быть по крайней мере ещё одно — скалярное, которое никуда не направлено, а представляет собой просто функцию координат.
РАЗДУВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ АЛАНА ГУСА
Модель Гуса использует представление о „ложном“ вакууме, из которого началась инфляция Вселенной. Он отличается от „истинного“ (т. е. от состояния с самой плотностью энергии) тем, что может обладать огромной энергией. Нарушение принципа энергодоминантности, характерное для вакуума, наделяет его отрицательным давлением, которое приводит к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему раздувание Вселенной. При расширении ложного вакуума его полная энергия не уменьшается, а растёт.
Если вероятность образования пузырьков очень мала, то до их возникновения Вселенная быстро расширяется и становится большой и однородной.
В целом „ложный“ вакуум — симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, т. е. он стремится к распаду. Квантовый распад вакуума и знаменует собой конец фазового перехода и прекращение инфляции. Новая фаза представляет собой „истинный“ вакуум, для которого выполняется условие энергодоминантности.
Внутри каждого пузырька новой фазы Вселенная переходит во власть гравитационного притяжения, и экспоненциальное расширение заканчивается. Благодаря первоначальному импульсу, приобретённому в период инфляции, она продолжает расширяться, но скорость с течением времени уменьшается, как в теории горячей Вселенной.
Переход из стадии инфляции на стадию, описываемую теорией горячей Вселенной, представляет основную трудность для модели Гуса. Дело в том, что для того, чтобы энергия, выделяемая при фазовом переходе, перешла в тепловую энергию Вселенной, необходимо столкновение стенок огромных пузырей при достаточно большой плотности. Это противоречит малой скорости их образования, необходимой для замедления фазового перехода, и, следовательно, для значительного раздувания Вселенной. Кроме того, столкновения пузырьков должны приводить к нарушению однородности и изотропности Вселенной после раздувания, что противоречит поставленной задаче.
Начиная с 1970-х гг. в теории элементарных частиц использовалась концепция скалярного поля, самым близким аналогом которого можно считать электростатический потенциал. Напряжение в электрических сетях США — 110 В, а в России — 220 В. Если бы человек одной рукой держался за американский провод, а другой — за российский, его бы убила разница потенциалов. Если бы напряжение везде было одинаковым, не было бы разницы потенциалов и ток бы не тёк. Так вот в постоянном скалярном поле разницы потенциалов нет. Поэтому мы не можем увидеть постоянное скалярное поле: оно выглядит как вакуум, который в некоторых случаях может обладать большой плотностью энергии.
Считается, что без полей такого типа очень трудно создать реалистичную теорию элементарных частиц. В последние годы были обнаружены практически все частицы, предсказанные теорией электрослабых взаимодействий, кроме скалярной. В рамках земной экспериментальной физики наблюдательное подтверждение инфляционной теории пока остаётся трудноразрешимой задачей. Однако уже активно ведётся поиск скалярных частиц, для чего в CERN (Европейская лаборатория физики элементарных частиц) построен огромный ускоритель, так как их обнаружение представляет чисто техническую проблему.
Скалярное поле
Скалярное поле присутствовало практически во всех инфляционных сценариях. Гус предложил использовать потенциал, который выглядел очень своеобразно. Новой инфляционной теории Линде требовался потенциал, которому соответствует почти плоская вершина, но позже оказалось, что достаточно взять обычную параболу, и всё срабатывает.
Рассмотрим простейшее скалярное поле (см. выше „РАЗДУВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ АЛАНА ГУСА“), плотность потенциальной энергии которого пропорциональна квадрату его величины, подобно тому как энергия маятника пропорциональна квадрату его отклонения от положения равновесия:
 
Маленькое поле ничего не будет знать про Вселенную и станет колебаться вблизи своего минимума. Однако если поле будет достаточно велико, то оно будет скатываться вниз очень медленно, разгоняя Вселенную за счёт своей энергии. В свою очередь, скорость движения Вселенной (а не какие-либо частицы) будет затормаживать падение скалярного поля.
Таким образом, большое скалярное поле приводит к большой скорости расширения Вселенной. Большая скорость расширения Вселенной мешает полю спадать и тем самым не даёт плотности потенциальной энергии уменьшаться. А большая плотность энергии продолжает разгонять Вселенную со всё большей скоростью. Этот самоподдерживающийся режим и приводит к инфляции, экспоненциально быстрому раздуванию Вселенной.
Чтобы объяснить этот удивительный эффект, необходимо совместно решить уравнение Эйнштейна для масштабного фактора Вселенной:
 
и уравнение движения для скалярного поля:
 
Здесь Н — постоянная Хаббла, пропорциональная плотности энергии скалярного поля массы m, G — гравитационная постоянная.
Исследователи уже рассматривали, как скалярное поле будет вести себя в окрестностях чёрной дыры и во время коллапса Вселенной. Но почему-то одно простое решение не было найдено. А следовало лишь грамотно написать уравнение для скалярного поля , которое в стандартном варианте (то есть без учёта расширения Вселенной) выглядело как уравнение для маятника:
 
Но вмешался некоторый дополнительный член — сила трения, который был связан с геометрией; его сначала никто не учитывал. Он представляет собой произведение постоянной Хаббла на скорость движения поля:
 
Когда постоянная Хаббла была большой, трение тоже было велико, и скалярное поле спадало медленно. Когда поле уменьшилось, постоянная Хаббла тоже уменьшилась, трение стало маленьким, и поле начало колебаться, порождая элементарные частицы. Эти частицы сталкивались, обменивались энергией и постепенно пришли в состояние термодинамического равновесия. В результате Вселенная стала горячей. Раньше считалось, что она была горячей с самого начала. К этому выводу приходили, изучая микроволновое излучение, которое интерпретировали как следствие Большого взрыва и последующего остывания. Затем стали думать, что сначала Вселенная была горячей, затем произошла инфляция, и после неё Вселенная вновь стала горячей. Однако, в теории хаотической инфляции первая горячая стадия оказалась ненужной.
Экспоненциальное расширение
Представим, что Вселенная была маленькая, как шарик. По теории Большого взрыва, она вырастала до порядочных размеров, но всё равно оставалась относительно небольшой и шарообразной. А согласно инфляционной теории, крошечный шарик в результате экспоненциального взрыва за очень короткое время стал огромным. Находясь на нём, наблюдатель увидел бы плоскую поверхность.
ПРИНЦИП МАЯТНИКА

Представим, что изначально во Вселенной существовало однородное скалярное поле. Если скалярное поле равно нулю, то энергии нет, и оно будет находиться в статичном состоянии. Если поле не равно нулю, оно начнёт катиться вниз, стремясь к минимуму и постепенно меняя амплитуду. Если в общем объёме пространства оно характеризовалось цифрой 100, то потом стало 50, затем 30 и так до нуля.
Скалярное поле подобно маятнику, который хочет упасть в минимум, но промахивается и начинает колебаться. (В простейшем случае энергия пропорциональна квадрату отклонения.) В обычной жидкости колебания маятника станут затухающими, а в очень вязкой жидкости он будет медленно-медленно двигаться вниз. Оказалось, что эта простая идея имеет непосредственное отношение к расширению Вселенной
Представим себе Гималаи, где существует множество различных уступов, расщелин, пропастей, ложбин, каменных глыб, т. е. неоднородностей. Но вдруг кто-то или что-то совершенно невероятным образом увеличил горы до гигантских размеров или мы уменьшились, как Алиса в Стране чудес. Тогда, находясь на вершине Эвереста, мы увидим, что она совершенно плоская — её как бы растянули, и неоднородности перестали иметь какое-либо значение. Горы остались, но, чтобы подняться хотя бы на один метр, нужно уйти невероятно далеко. Таким образом, может быть решена проблема однородности. Этим же объясняется, почему Вселенная плоская, почему параллельные линии не пересекаются и почему не существуют монополи. Параллельные линии могут пересекаться, и монополи могут существовать, но только так далеко от нас, что мы не можем этого увидеть.
Возникновение галактик
Маленькая Вселенная стала колоссальной, и всё стало однородным. Но как же быть с галактиками? Оказалось, что в ходе экспоненциального расширения Вселенной маленькие квантовые флуктуации, существующие всегда, растягивались до колоссальных размеров и превращались в галактики. Согласно инфляционной теории, галактики — это результат квантовых флуктуаций, т. е. усиленный и замёрзший квантовый шум.
Впервые на эту поразительную возможность указали сотрудники ФИАН Вячеслав Федорович Муханов и Геннадий Васильевич Чибисов в работе, основанной на модели, предложенной в 1979 г. членом-корреспондентом Академии наук Алексеем Александровичем Старобинским. Эта модель, по сути дела, являлась первой версией инфляционной космологии.
Вечная и бесконечная
Рассмотрим рисунок (см. выше). В области, где скалярное поле мало, оно осциллирует, и Вселенная не расширяется экспоненциально. В области, где поле достаточно велико, оно медленно спадает, и на нём возникают маленькие флуктуации. В это время происходит экспоненциальное расширение и идёт процесс инфляции. Если бы скалярное поле было ещё больше (на графике отмечено голубым цветом), то за счёт огромного трения оно бы почти не уменьшалось, квантовые флуктуации были бы огромны, и Вселенная могла стать фрактальной.
Представим, что Вселенная быстро расширяется, а в каком-то месте скалярное поле, вместо того чтобы катиться к минимуму энергии, из-за квантовых флуктуаций подскакивает вверх (см. выше). В том месте, где поле подскочило, Вселенная расширяется экспоненциально быстрее. Низкорасположенное поле вряд ли подскочит, но чем выше оно будет находиться, тем больше вероятность такого развития событий, а значит, и экспоненциально большего объёма новой области. Инфляционная теория даёт нам единственное известное сейчас объяснение однородности наблюдаемой части Вселенной. Парадоксальным образом эта же теория предсказывает, что в предельно больших масштабах наша Вселенная абсолютно неоднородна и выглядит как огромный фрактал.
На рисунке схематически показано, как одна раздувающаяся область Вселенной порождает всё новые и новые её части (в этом смысле она становится вечной и самовосстанавливающейся).
Свойства пространства-времени и законы взаимодействия элементарных частиц друг с другом в разных областях Вселенной могут быть различны, равно как и размерности пространства, и типы вакуума.
Этот факт заслуживает более детального объяснения. Согласно простейшей теории, с одним минимумом потенциальной энергии скалярное поле катится вниз к этому минимуму. Однако более реалистические версии допускают множество минимумов с разной физикой, что напоминает воду, которая может находиться в разных состояниях: жидком, газообразном и твёрдом. Разные части Вселенной также могут пребывать в разных фазовых состояниях; это возможно в инфляционной теории даже без учёта квантовых флуктуаций.
Следующим шагом, основанным на изучении квантовых флуктуаций, является сценарий самовосстанавливающейся Вселенной. В этой модели учитывается процесс постоянного воссоздания раздувающихся областей, перебирающих разные возможности и размерности. Так Вселенная становится вечной и бесконечной. Вся Вселенная никогда не сколлапсирует. Однако это не означает, что отсутствуют сингулярности. Напротив, значительная часть физического объёма Вселенной всё время находится в состоянии, близком к сингулярному. Но так как различные объёмы проходят его в разное время, единого конца пространства-времени, после которого все области исчезают, не существует. И тогда вопрос о множественности миров во времени и в пространстве приобретает совершенно другое звучание: Вселенная может самовоспроизводиться бесконечно во всех своих возможных состояниях.
Небо в крапинку
Исследовать анизотропию реликтового излучения учёным помогают современные искусственные спутники Земли. Самые ценные данные удалось получить с помощью космического зонда WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), названного так в честь астрофизика Дэвида Уилкинсона (David Wilkinson). Разрешающая способность его аппаратуры в 30 раз больше, чем у его предшественника — космического аппарата COBE.
Ранее считалось, что температура неба равна 2,7 К, однако WMAP смог измерить её с точностью до 10 –5 К с высокой угловой разрешающей способностью. Согласно данным, полученным за первый год наблюдений, небо оказалось неоднородным: где-то горячее, а где-то холоднее. Простейшие модели инфляционной теории предсказали рябь на небе. Но пока телескопы не зафиксировали его пятнистость, наблюдалось только трёхградусное излучение, служившее мощнейшим доказательством горячей Вселенной. Теперь же выяснилось, что теории горячей Вселенной не хватает.
РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ
Предположим, что Вселенная, заполненная пылью, расширилась в 2 раза. Тогда её объём вырос в 8 раз. Значит, в 1 см3 стало в 8 раз меньше пыли. Если решить уравнение Эйнштейна для такой Вселенной, то станет очевидным, что, когда происходил Большой взрыв, плотность вещества быстро падала, а скорость расширения Вселенной быстро уменьшалась.
То же самое было бы и со скалярным полем. Но пока поле оставалось очень большим, оно само себя поддерживало, как барон Мюнхгаузен, вытаскивающий себя из болота за косичку.
В соответствии с теориями нового типа Вселенная быстро расширялась, а поле почти не менялось; соответственно, не менялась и плотность энергии. Значит, расширение шло экспоненциально, и скорость разбегания Вселенной долго не уменьшалась.
Удалось получить фотографии раздутых квантовых флуктуаций, которые появились спустя 10 –30 с после рождения мироздания и сохранились до наших дней. Исследователи не только обнаружили пятнистость неба, но и изучили спектр пятен, т. е. интенсивность сигнала на разных угловых направлениях.
Результаты проведённых с помощью WMAP высокоточных измерений поляризации излучения подтвердили теорию расширения Вселенной и позволили установить, когда произошла ионизация межгалактического газа, вызванная самыми первыми звёздами. Полученная со спутника информация подтвердила положение инфляционной теории о том, что мы живём в большой плоской Вселенной.
На рисунке (вверху) красной линией показано предсказание инфляционной теории, а чёрные точки соответствуют экспериментальным данным WMAP. Если бы Вселенная не была плоской, то пик графика находился бы правее или левее.
В рамках эксперимента, проводимого с помощью WMAP, составляется карта поляризации реликтового излучения, которая, согласно гипотезе, тоже должна быть пятнистой. Предполагается, что существует корреляция между температурой и поляризацией. Однако подтвердить или опровергнуть это смогут только результаты второго года работы.