Инфляция во вселенной, экспоненциальное расширение вселенной. Инфляционная теория возникновения вселенной Как ученые называют расширение вселенной инфляция

Узнав о теории Большого взрыва, я задал себе вопрос, откуда же взялось то, что взорвалось?
Вопрос о происхождении Вселенной со всеми ее известными и пока неведомыми свойствами испокон веков волнует человека. Но только в ХХ веке, после обнаружения космологического расширения, вопрос об эволюции Вселенной стал понемногу прояснятся. Последние научные данные позволили сделать вывод, что наша Вселенная родилась 15 миллионов лет назад в результате Большого взрыва. Но что именно взорвалось в тот момент и что, собственно, существовало до Большого взрыва, по-прежнему оставалось загадкой. Созданная в ХХ веке инфляционная теория появления нашего мир позволила существенно продвинутся в разрешении этих вопросов, общая картина первых мгновений Вселенной сегодня уже неплохо прорисована, хотя многие проблемы еще ждут своего часа.
До начала прошлого века было всего два взгляда на происхождение нашей Вселенной. Ученые полагали, что она вечна и неизменна, а богословы говорили, что Мир сотворен и у него будет конец. Двадцатый век, разрушив очень многое из того, что было создано в предыдущие тысячелетия, сумел дать свои ответы на большинство вопросов, занимавших умы ученых прошлого. И быть может, одним из величайших достижений ушедшего века является прояснение вопроса о том, как возникла Вселенная, в которой мы живем, и какие существуют гипотезы по поводу ее будущего. Простой астрономический факт - расширение нашей Вселенной - привел к полному пересмотру всех космогонических концепций и разработке новой физики - физики возникающих и исчезающих миров. Всего 70 лет назад Эдвин Хаббл обнаружил, что свет от более далеких галактик «краснее» света от более близких. Причем скорость разбегания оказалась пропорциональна расстоянию от Земли (закон расширения Хаббла). Обнаружить это удалось благодаря эффекту Доплера (зависимости длины волны света от скорости источника света). Поскольку более далекие галактики кажутся более «красными», то предположили, что и удаляются они с большей скоростью. Кстати, разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а скопления галактик. Ближайшие от нас звезды и галактики связаны друг с другом гравитационными силами и образуют устойчивые структуры. Причем в каком направлении ни посмотри, скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью, и может показаться, что наша Галактика является центром Вселенной, однако это не так. Где бы ни находился наблюдатель, он будет везде видеть все ту же картину - все галактики разбегаются от него. Но такой разлет вещества обязан иметь начало. Значит, все галактики должны были родиться в одной точке. Расчеты показывают, что произошло это примерно 15 млрд. лет назад. В момент такого взрыва температура была очень большой, и должно было появиться очень много квантов света. Конечно, со временем все остывает, а кванты разлетаются по возникающему пространству, но отзвуки Большого взрыва должны были сохраниться до наших дней. Первое подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (–270°С). Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место и поначалу Вселенная была очень горячей. Теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед космологией. Но, к сожалению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых вопросов. В частности: Что было до Большого взрыва? Почему наше пространство имеет нулевую кривизну и верна геометрия Евклида, которую изучают в школе? Если теория Большого взрыва справедлива, то отчего нынешние размеры нашей Вселенной гораздо больше предсказываемого теорией 1 сантиметра? Почему Вселенная на удивление однородна, в то время как при любом взрыве вещество разлетается в разные стороны крайне неравномерно? Что привело к начальному нагреву Вселенной до невообразимой температуры более 10 13 К?
Все это указывало на то, что теория Большого взрыва неполна. Долгое время казалось, что продвинуться далее уже невозможно. Только четверть века назад благодаря работам российских физиков Э. Глинера и А. Старобинского, а также американца А.Гуса было описано новое явление - сверхбыстрое инфляционное расширение Вселенной. Описание этого явления основывается на хорошо изученных разделах теоретической физики - общей теории относительности Эйнштейна и квантовой теории поля. Сегодня считается общепринятым, что именно такой период, получивший название «инфляция», предшествовал Большому взрыву.
При попытке дать представление о сущности начального периода жизни Вселенной приходится оперировать такими сверхмалыми и сверхбольшими числами, что наше воображение с трудом их воспринимает. Попробуем воспользоваться некоей аналогией, чтобы понять суть процесса инфляции.
Представим себе покрытый снегом горный склон, в который вкраплены разнородные мелкие предметы - камешки, ветки и кусочки льда. Кто-то, находящийся на вершине этого склона, сделал небольшой снежок и пустил его катиться с горы. Двигаясь вниз, снежок увеличивается в размерах, так как на него налипают новые слои снега со всеми включениями. И чем больше размер снежка, тем быстрее он будет увеличиваться. Очень скоро из маленького снежка он превратится в огромный ком. Если склон заканчивается пропастью, то он полетит в нее со все более увеличивающейся скоростью. Достигнув дна, ком ударится о дно пропасти и его составные части разлетятся во все стороны (кстати, часть кинетической энергии кома при этом пойдет на нагрев окружающей среды и разлетающегося снега).
Теперь опишем основные положения теории, используя приведенную аналогию. Прежде всего физикам пришлось ввести гипотетическое поле, которое было названо «инфлатонным» (от слова «инфляция»). Это поле заполняло собой все пространство (в нашем случае - снег на склоне). Благодаря случайным колебаниям оно принимало разные значения в произвольных пространственных областях и в различные моменты времени. Ничего существенного не происходило, пока случайно не образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10 -33см. Что же касается наблюдаемой нами Вселенной, то она в первые мгновения своей жизни, по-видимому, имела размер 10 -27 см. Предполагается, что на таких масштабах уже справедливы основные законы физики, известные нам сегодня, поэтому можно предсказать дальнейшее поведение системы. Оказывается, что сразу после этого пространственная область, занятая флуктуацией (от лат. fluctuatio - «колебание», случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений), начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в котором его энергия минимальна (снежный ком покатился). Такое расширение продолжается всего 10 -35 секунды, но этого времени оказывается достаточно для того, чтобы диаметр Вселенной возрос как минимум в 10 27 раз и к окончанию инфляционного периода наша Вселенная приобрела размер примерно 1 см. Инфляция заканчивается, когда инфлатонное поле достигает минимума энергии - дальше падать некуда. При этом накопившаяся кинетическая энергия переходит в энергию рождающихся и разлетающихся частиц, иначе говоря, происходит нагрев Вселенной. Как раз этот момент и называется сегодня Большим взрывом.
Гора, о которой говорилось выше, может иметь очень сложный рельеф-несколько разных минимумов, долины внизу и всякие холмы и кочки. Снежные комья (будущие вселенные) непрерывно рождаются наверху горы за счет флуктуаций поля. Каждый ком может скатиться в любой из минимумов, породив при этом свою вселенную со специфическими параметрами. Причем вселенные могут существенно отличаться друг от друга. Свойства нашей Вселенной удивительнейшим образом приспособлены к тому, чтобы в ней возникла разумная жизнь. Другим вселенным, возможно, повезло меньше.
Еще раз хотелось бы подчеркнуть, что описанный процесс рождения Вселенной «практически из ничего» опирается на строго научные расчеты. Тем не менее у всякого человека, впервые знакомящегося с инфляционным механизмом, описанным выше, возникает немало вопросов.
Сегодня наша Вселенная состоит из большого числа звезд, не говоря уж о скрытой массе. И может показаться, что полная энергия и масса Вселенной огромны. И совершенно непонятно, как это все могло поместиться в первоначальном объеме 10-99см3. Однако во Вселенной существует не только материя, но и гравитационное поле. Известно, что энергия последнего отрицательна и, как оказалось, в нашей Вселенной энергия гравитации в точности компенсирует энергию, заключенную в частицах, планетах, звездах и прочих массивных объектах. Таким образом, закон сохранения энергии прекрасно выполняется, и суммарная энергия и масса нашей Вселенной практически равны нулю. Именно это обстоятельство отчасти объясняет, почему зарождающаяся Вселенная тут же после появления не превратилась в огромную черную дыру. Ее суммарная масса была совершенно микроскопична, и вначале просто нечему было коллапсировать. И только на более поздних стадиях развития появились локальные сгустки материи, способные создавать вблизи себя такие гравитационные поля, из которых не может вырваться даже свет. Соответственно, и частиц, из которых «сделаны» звезды, на начальной стадии развития просто не существовало. Элементарные частицы начали рождаться в тот период развития Вселенной, когда инфлатонное поле достигло минимума потенциальной энергии и начался Большой взрыв.
Область, занятая инфлатонным полем, разрасталась со скоростью, существенно большей скорости света, однако это нисколько не противоречит теории относительности Эйнштейна. Быстрее света не могут двигаться лишь материальные тела, а в данном случае двигалась воображаемая, нематериальная граница той области, где рождалась Вселенная (примером сверхсветового движения является перемещение светового пятна по поверхности Луны при быстром вращении освещающего ее лазера).
Причем окружающая среда совсем не сопротивлялась расширению области пространства, охваченного все более быстро разрастающимся инфлатонным полем, поскольку ее как бы не существует для возникающего Мира. Общая теория относительности утверждает, что физическая картина, которую видит наблюдатель, зависит от того, где он находится и как движется. Так вот, описанная выше картина справедлива для «наблюдателя», находящегося внутри этой области. Причем этот наблюдатель никогда не узнает, что происходит вне той области пространства, где он находится. Другой «наблюдатель», смотрящий на эту область снаружи, никакого расширения вовсе не обнаружит. В лучшем случае он увидит лишь небольшую искорку, которая по его часам исчезнет почти мгновенно. Даже самое изощренное воображение отказывается воспринимать такую картину. И все-таки она, по-видимому, верна. По крайней мере, так считают современные ученые, черпая уверенность в уже открытых законах Природы, правильность которых многократно проверена.
Надо сказать, что это инфлатонное поле и сейчас продолжает существовать и флуктуировать. Но только мы, внутренние наблюдатели, не в состоянии этого увидеть - ведь для нас маленькая область превратилась в колоссальную Вселенную, границ которой не может достигнуть даже свет.
Итак, сразу после окончания инфляции гипотетический внутренний наблюдатель увидел бы Вселенную, заполненную энергией в виде материальных частиц и фотонов. Если всю энергию, которую мог бы измерить внутренний наблюдатель, перевести в массу частиц, то мы получим примерно 10 80 кг. Расстояния между частицами быстро увеличиваются из-за всеобщего расширения. Гравитационные силы притяжения между частицами уменьшают их скорость, поэтому расширение Вселенной после завершения инфляционного периода постепенно замедляется.
Сразу после рождения Вселенная продолжала расти и охлаждаться. При этом охлаждение происходило в том числе и благодаря банальному расширению пространства. Электромагнитное излучение характеризуется длиной волны, которую можно связать с температурой - чем больше средняя длина волны излучения, тем меньше температура. Но если пространство расширяется, то будут увеличиваться и расстояние между двумя «горбами» волны, и, следовательно, ее длина. Значит, в расширяющемся пространстве и температура излучения должна уменьшаться. Что и подтверждает крайне низкая температура современного реликтового излучения.
По мере расширения меняется и состав материи, наполняющей наш мир. Кварки объединяются в протоны и нейтроны, и Вселенная оказывается заполненной уже знакомыми нам элементарными частицами - протонами, нейтронами, электронами, нейтрино и фотонами. Присутствуют также и античастицы. Свойства частиц и античастиц практически идентичны. Казалось бы, и количество их должно быть одинаковым сразу после инфляции. Но тогда все частицы и античастицы взаимно уничтожились бы и строительного материала для галактик и нас самих не осталось бы. И здесь нам опять повезло. Природа позаботилась о том, чтобы частиц было немного больше, чем античастиц. Именно благодаря этой небольшой разнице и существует наш мир. А реликтовое излучение - это как раз последствие аннигиляции (то есть взаимоуничтожения) частиц и античастиц. Конечно, на начальном этапе энергия излучения была очень велика, но благодаря расширению пространства и как следствие - охлаждению излучения эта энергия быстро убывала. Сейчас энергия реликтового излучения примерно в десять тысяч раз (104 раз) меньше энергии, заключенной в массивных элементарных частицах.
Постепенно температура Вселенной упала до 1010 К. К этому моменту возраст Вселенной составлял примерно 1 минуту. Только теперь протоны и нейтроны смогли объединяться в ядра дейтерия, трития и гелия. Это происходило благодаря ядерным реакциям, которые люди уже хорошо изучили, взрывая термоядерные бомбы и эксплуатируя атомные реакторы на Земле. Поэтому можно уверенно предсказывать, сколько и каких элементов может появиться в таком ядерном котле. Оказалось, что наблюдаемое сейчас обилие легких элементов хорошо согласуется с расчетами. Это означает, что известные нам физические законы одинаковы во всей наблюдаемой части Вселенной и были таковыми уже в первые секунды после появления нашего мира. Причем около 98% существующего в природе гелия образовалось именно в первые секунды после Большого взрыва.
Сразу после рождения Вселенная проходила инфляционный период развития - все расстояния стремительно увеличивались (с точки зрения внутреннего наблюдателя). Однако плотность энергии в разных точках пространства не может быть в точности одинаковой - какие-то неоднородности всегда присутствуют. Предположим, что в какой-то области энергия немного больше, чем в соседних. Но раз все размеры быстро растут, то и размер этой области тоже должен расти. После окончания инфляционного периода эта разросшаяся область будет иметь чуть больше частиц, чем окружающее ее пространство, да и ее температура будет немного выше.
Поняв неизбежность возникновения таких областей, сторонники инфляционной теории обратились к экспериментаторам: «необходимо обнаружить флуктуации температуры…» - констатировали они. И в 1992 году это пожелание было выполнено. Практически одновременно российский спутник «Реликт-1» и американский «COBE» обнаружили требуемые флуктуации температуры реликтового излучения. Как уже говорилось, современная Вселенная имеет температуру 2,7 К, а найденные учеными отклонения температуры от среднего составляли примерно 0,00003 К. Неудивительно, что такие отклонения трудно было обнаружить раньше. Так инфляционная теория получила еще одно подтверждение.
С открытием колебаний температуры появилась еще одна захватывающая возможность - объяснить принцип формирования галактики. Ведь чтобы гравитационные силы сжимали материю, необходим исходный зародыш - область с повышенной плотностью. Если материя распределена в пространстве равномерно, то гравитация, подобно Буриданову ослу, не знает, в каком направлении ей действовать. Но как раз области с избытком энергии и порождает инфляция. Теперь гравитационные силы знают, на что воздействовать, а именно, на более плотные области, созданные во время инфляционного периода. Под действием гравитации эти изначально чуть-чуть более плотные области будут сжиматься и именно из них в будущем образуются звезды и галактики.
Современный нам момент эволюции Вселенной крайне удачно приспособлен для жизни, и длиться он будет еще много миллиардов лет. Звезды будут рождаться и умирать, галактики вращаться и сталкиваться, а скопления галактик - улетать все дальше друг от друга. Поэтому времени для самосовершенствования у человечества предостаточно. Правда, само понятие «сейчас» для такой огромной Вселенной, как наша, плохо определено. Так, например, наблюдаемая астрономами жизнь квазаров, удаленных от Земли на 10-14 млрд. световых лет, отстоит от нашего «сейчас» как раз на те самые 10-14 млрд. лет. И чем дальше в глубь Вселенной мы заглядываем с помощью различных телескопов, тем более ранний период ее развития мы наблюдаем.
Сегодня ученые в состоянии объяснить большинство свойств нашей Вселенной, начиная с момента в 10 -42 секунды и до настоящего времени и даже далее. Они могут также проследить образование галактик и довольно уверенно предсказать будущее Вселенной. Тем не менее ряд «мелких» непонятностей еще остается. Это прежде всего - сущность скрытой массы (темной материи) и темной энергии. Кроме того, существует много моделей, объясняющих, почему наша Вселенная содержит гораздо больше частиц, чем античастиц, и хотелось бы определиться в конце концов с выбором одной правильной модели.
Как учит нас история науки, обычно именно «мелкие недоделки» и открывают дальнейшие пути развития, так что будущим поколениям ученых наверняка будет чем заняться. Кроме того, более глубокие вопросы тоже уже стоят на повестке дня физиков и математиков. Почему наше пространство трехмерно? Почему все константы в природе словно «подогнаны» так, чтобы возникла разумная жизнь? И что же такое гравитация? Ученые уже пытаются ответить и на эти вопросы.
Ну и конечно, оставим место для неожиданностей. Не надо забывать, что такие основополагающие открытия, как расширение Вселенной, наличие реликтовых фотонов и энергия вакуума, были сделаны, можно сказать, случайно и не ожидались ученым сообществом.

Теория инфляции стала основной темой моей работы вскоре после того семинара в Гарварде, где я впервые о ней услышал. Надо сказать, что если бы я был более склонен к мистике, то мог бы заметить предзнаменования этого еще до семинара Гута. Определенные указания на отталкивающую гравитацию были как раз в той работе, которой я занимался в университете Тафтса.

Кампус Тафтса, стоящий на пологом склоне холма и окруженный тенистыми вязами, наполнен атмосферой изящества и покоя. Поднимаясь по ступеням на холм, к ядру кампуса, и проходя мимо укрытой ивами часовни в романском стиле, можно заметить странный памятник. Большая гранитная плита поднимается вертикально из земли подобно старинному надгробию. Надпись на ней гласит:

"Данный монумент воздвигнут Роджером У. Бэбсоном, основателем Фонда исследований гравитации. Он призван напоминать студентам о прекрасном будущем, когда будут открыты полуизоляторы, способные обуздать гравитацию как свободную энергию и сократить число авиакатастроф".

Это пресловутый антигравитационный камень, знак моей судьбы.

Роджер Бэбсон, основатель Бэбсоновского колледжа, был живым свидетельством того, как проницательность в управлении бизнесом может мирно уживаться с самыми ненаучными идеями. Он утверждал, что, опираясь на законы механики Ньютона, предсказал биржевой крах 1929 года и последовавшую за ним Великую депрессию. С Ньютоновой помощью он сколотил огромное состояние и в благодарность сэру Исааку выкупил помещение, служившее последним местом проживания Ньютона в Лондоне, а также яблоню из потомства того знаменитого дерева, которое росло возле родного дома Ньютона в Линкольншире. Согласно легенде, именно с него упало яблоко, которое навело Ньютона на мысль о гравитации. И, как вы могли догадаться, именно гравитация занимала центральное место во вселенной Бэбсона.

Одержимость Бэбсона гравитацией восходит к временам его детства, когда его сестра утонула в реке. Он винил в ее смерти гравитацию и решил освободить человечество от ее фатального притяжения. В своей книге "Гравитация - наш враг номер один" Бэбсон описывает преимущества, которые принес бы изолятор, противодействующий гравитации. Он бы уменьшил вес самолетов и повысил их скорость; его применение в подошвах обуви снизило бы вес при ходьбе. Знаменитый изобретатель Томас Эдисон, с которым Бэбсон дружил всю жизнь, навел его на мысль, что в коже птиц может содержаться некое антигравитационное вещество, и Бэбсон немедленно приобрел коллекцию из пяти тысяч птичьих чучел. Неясно, что именно он с ними потом делал, но, очевидно, это направление исследований не принесло успеха.

К чести Бэбсона надо признать, что он действительно вкладывал деньги в то, о чем говорил. Он сделал пожертвования нескольким университетам, включая Тафтский, чтобы способствовать антигравитационным исследованиям. Единственным условием этого гранта была установка в кампусе данного монумента с надписью.

Странное сооружение смущало администрацию Тафтса и послужило поводом для многочисленных студенческих забав. Время от времени оно исчезает, а потом появляется там, где его менее всего ожидают найти. Однажды оно преградило вход попечительскому совету и президенту университета в день вручения дипломов. В другой раз казалось, что камень действительно пропал, но чудесным образом он объявился на своем месте спустя десять лет. Оказалось, что группа студентов зарыла его где-то на территории кампуса, а затем выкопала и вернула на место на юбилейной встрече выпускников. Одной только гравитации было явно не под силу удержать камень на постаменте, так что в конце концов его закрепили в земле при помощи цемента.

Поскольку мало кто из ученых станет утверждать, что ведет активные исследования по антигравитации, получить деньги Бэбсона оказалось весьма непросто. Не то чтобы никто этого не пробовал: президент университета Джин Мейер, диетолог по специальности, безуспешно пыталась доказать, что потеря веса - это антигравитация. После многих лет дискуссий и юридических доказательств деньги наконец пошли на учреждение Института космологии Тафтса.

Как у любой уважающей себя академической организации, у нашего института есть свой уникальный ритуал - церемония "инаугурации" получающих докторскую степень по космологии. После защиты диссертации на голову новоиспеченного доктора, стоящего на коленях перед антигравитационным камнем, роняют яблоко. Оно падает из руки научного руководителя работы и должно быть съедено новоиспеченным доктором.

К моменту учреждения Института космологии Бэбсон уже давно умер, а его Фонд гравитационных исследований превратился в респектабельное учреждение, выдающее гранты на исследования по гравитационной тематике. Никто, естественно, не ждал, что космологи Тафтса станут изучать антигравитацию, но, как это ни удивительно, они занялись именно этим. Большая часть исследований в институте связана с ложным вакуумом и отталкивающей гравитацией, которую естественно считать антигравитацией. Так что, я думаю, мистер Бэбсон не смог бы найти лучшего применения своим деньгам. Даже несмотря на то, что мы так и не преуспели в сокращении числа авиакатастроф.

Глава 8. Вечная инфляция

Я думаю, самый вероятный ответ на вопрос о том, что было до инфляции, - еще большая инфляция.

Из-за инфляции пространство между этими островами быстро расширяется, создавая место для рождения все новых островных вселенных. Таким образом, инфляция - это процесс, идущий вразнос, который остановился в наших окрестностях, но продолжается в других частях Вселенной, заставляя ее расширяться в бешеном темпе, постоянно выметывая новые островные вселенные, подобные нашей.

Энергия распада ложного вакуума зажигает горячий огненный шар из элементарных частиц, запускает процесс образования гелия и все последующие события стандартной космологии Большого взрыва. Таким образом, момент окончания инфляции играет в этом сценарии роль Большого взрыва. Если их отождествить, то нам уже не надо считать Большой взрыв одномоментным событием в нашем прошлом. Множество таких взрывов отгремело до него в отдаленных частях Вселенной, и бессчетное число других еще произойдет повсюду в будущем.

МТИ занимает громадный комплекс сооружений, где я не раз безнадежно терялся. Можно идти по коридору третьего этажа корпуса шесть и вдруг обнаружить, что уже находишься на четвертом этаже корпуса шестнадцать. Я решил не рисковать и выбрал простейший, хотя и самый длинный путь к цели - через главный вход (выделяющийся рядом коринфских колонн и увенчанный сверху зеленым куполом). Пройдя весь Бесконечный Коридор и поднявшись на несколько лестничных пролетов, я в итоге достиг офиса Гута.

Я рассказал Алану о случайном блуждании скалярного поля и о том, как описать его математически. И тут, в самой середине описания моей новой поразительной картины мира, я заметил, что Алан стал засыпать. Много лет спустя, узнав его получше, я понял, что он вообще очень сонлив. Мы организовали совместный семинар для космологов Бостона и окрестностей, и на каждом заседании Алан мирно засыпал спустя несколько минут после начала доклада. Удивительным образом, когда выступление заканчивалось, он просыпался и задавал самые глубокие вопросы. Алан отрицал наличие у него каких бы то ни было сверхъестественных способностей, но не все в это верили.

Оглядываясь назад, я понимаю, что должен был продолжать, но в то время, не зная о волшебной способности Алана, я быстро закруглился. Другие коллеги в своих отзывах тоже не проявляли энтузиазма. Физика - это наблюдательная наука, говорили они, так что мы должны воздерживаться от утверждений, которые не допускают проверки. Невозможно наблюдать ни другие большие взрывы, ни отдаленные области, где продолжается инфляция. Все они лежат за нашим горизонтом, и как нам убедиться в их реальном существовании? Я был сильно разочарован таким холодным приемом и решил включить эту работу в качестве раздела в статью по другой теме, посчитав, что она не заслуживает отдельной самостоятельной публикации.

Для объяснения идеи вечной инфляции в этой статье я использовал аналогию прогулки пьяницы у вершины холма. Пару месяцев спустя мне пришло письмо от редактора, в котором говорилось, что статья принята, за исключением того, что обсуждение пьяниц "неприемлемо для такого солидного журнала как The Physical Review ", и я должен заменить его более подходящей аналогией. Я слышал, что подобный инцидент произошел ранее с Сиднеем Коулманом. В его статье была диаграмма, которая выглядела как кружок с волнистым хвостиком. Коулман называл ее "диаграммой-головастиком". Как вы уже поняли, редактор счел и этот термин неприемлемым. "О"кей, - ответил Коулман, - давайте назовем ее диаграммой-сперматозоидом". В итоге без дальнейших комментариев была принята исходная версия статьи. Я прикинул возможность применить тактику Коулмана, но в итоге отказался от нее - не хотелось ввязываться в драку.

Я не возвращался к теории вечной инфляции почти 10 лет. Если не считать одного эпизода…

Мгновение вечности

Я переключился на работу, связанную с другими моими научными интересами, и постепенно мне самому стало казаться странным, что я был так одержим ненаблюдаемыми мирами. Но, по правде сказать, соблазн бросить взгляд за горизонт Вселенной никуда не девался. В 1986 году, не в силах ему больше противиться, мы с моим аспирантом Мукундой Арьялом (Mukunda Aryal) разработали компьютерную модель вечной инфляционной Вселенной.

Мне трудно даются технологии, и я в жизни не написал ни единой строчки программного кода. Но я очень хорошо понимаю, как "думают" компьютеры, и руководил несколькими крупными вычислительными проектами моих аспирантов. Поскольку я не мог проверять их код (а даже если б мог, не думаю, что это доставляло бы мне хоть какое-то удовольствие), я всегда опасался скрытых ошибок и относился к получаемым результатам с большой осторожностью. Поэтому я заставил Мукунду выполнить множество проверок, запуская моделирование для тривиальных случаев, где мы знали ответ заранее. Наконец, убедившись, что все работает отлично, мы приступили к настоящей работе.

Моделирование началось с маленького участка ложного вакуума, представленного светлым прямоугольником на экране компьютера. Спустя некоторое время стали появляться первые темные островки истинного вакуума. По мере того как границы этих островных вселенных продвигались в море инфляции, они быстро росли в размерах. Однако инфлирующая область расширялась еще быстрее, так что интервалы, разделяющие островные вселенные, увеличивались, а во вновь образованном пространстве возникали новые островные вселенные.

На картине, открывшейся после некоторого времени моделирования, были видны крупные островные вселенные, окруженные меньшими, вокруг которых располагались еще меньшие, и так далее. Это напоминало вид архипелага с самолета - узор, который математики называют фрактальным. На рис. 8.3 показан результат похожего, но более сложного моделирования, выполненного позднее моими студентами Виталием Ванчуриным и Сергеем Виницким (Vitaly Vanchurin and Serge Winitzki).

Мы с Мукундой опубликовали результаты моделирования в европейском журнале Physics Letters. Мое любопытство в отношении ненаблюдаемых вселенных теперь было удовлетворено и я переключился на другие работы. А данным вопросом тем временем вплотную занялся Андрей Линде.

Хаотическая инфляция Линде

Линде - настоящий герой инфляции, человек, который спас теорию посредством изобретения приплюснутого энергетического холма для скалярного поля. С 1983 года он работал над идеей о том, что Вселенная начинается из состояния первичного хаоса. Скалярное поле в этом состоянии беспорядочно меняется от точки к точке. В некоторых областях оно оказывается на вершине энергетического холма, и в таких местах происходит инфляция.

Линде понял, что полю не обязательно стартовать в верхней точке энергетического ландшафта. Оно может начинать скатываться вниз и с какой-то другой точки на склоне. Фактически энергетический холм может и не иметь верхней точки, вздымаясь ввepx без ограничений (рис. 8.4). У такого лишенного вершины - так сказать, топлес - холма есть дно - истинный вакуум, но нет определенного места для ложного вакуума. Его роль может играть любая точка на склоне, куда поле попало в исходном хаотическом состоянии, лишь бы это было достаточно высоко чтобы обеспечить необходимое для инфляции время скатывания. Линде описал эти идеи в статье, озаглавленной "Хаотическая инфляция".

Еще через несколько лет Линде изучил влияние квантовых флуктуаций на скалярное поле в данном сценарии. Неожиданно оказалось, что они тоже могут приводить к вечной инфляции, несмотря даже на то, что у энергетического холма нет плоской вершины.

Ключевое наблюдение Линде заключалось в том, что на больших высотах квантовые флуктуации становятся сильнее и могут толкать поле вверх против сил, тянущих его вниз по склону. Так что, если поле стартует высоко, оно не обращает большого внимания на склон и совершает случайные блуждания, как если бы находилось на вершине холма. Когда блуждания заносят его в низины энергетического ландшафта квантовые флуктуации слабее, поле начинает упорядоченно катиться вниз к состоянию истинного вакуума. Чтобы это случилось, требуется намного больше времени, чем на инфляционное удвоение, так что расширяющиеся области размножаются быстрее, чем распадаются, что опять же приводит к вечной инфляции.

Здесь я должен остановиться и прояснить терминологическое недоразумение, связанное с данной темой. Вечную инфляцию часто путают с хаотической, хотя это совсем разные вещи. Название "хаотическая" указывает на случайность начального состояния и не имеет никакого отношения к вечному характеру инфляции. Линде показал, что хаотическая инфляция также может быть вечной, но этим связь между теориями исчерпывается. Для ясности я в дальнейшем ограничусь обсуждением первоначальной модели инфляции с приплюснутым энергетическим холмом. Вечная инфляция на безверхом холме выглядит похожим образом.

Статья Линде о вечной инфляции вызвала не больше энтузиазма, чем моя, опубликованная тремя годами раньше. Однако его реакция была иной. Он не сдавал позиций, продолжал исследования по данному направлению и неоднократно выступал с докладами о своих результатах. Тем не менее физическое сообщество не поддавалось его нажиму. Понадобилось почти двадцать лет, чтобы удача повернулась лицом к вечной инфляции.

Глава 9. Говорящие небеса

Когда в 1980 году Алан Гут предложил теорию инфляции, это была не более чем спекулятивная гипотеза. Но к концу 1990-х она уже была близка к тому, чтобы стать краеугольным камнем современной космологии. Появившиеся новые наблюдения подтвердили предсказания теории, причем весьма неожиданным способом.

Возвращение космологической постоянной

Самое главное предсказание инфляции состоит в том, что наблюдаемая область Вселенной должна быть плоской, то есть иметь евклидову геометрию. Вселенная в целом вполне может быть сферической или иметь более сложную форму, но наш горизонт охватывает лишь крошечную ее часть, и поэтому мы не можем отличить ее геометрию от плоской. Как уже говорилось в главе 4, это утверждение эквивалентно тому, что средняя плотность Вселенной должна быть с очень высокой точностью равна критической.

В период появления теории инфляции астрономы относились к ее предсказаниям весьма скептически. Обычное вещество, состоящее из протонов, нейтронов и электронов, обеспечивает лишь несколько процентов от критической плотности. Существует также намного большее количество так называемой темной материи , состоящей из каких-то неизвестных частиц. В соответствии с ее названием темную материю нельзя наблюдать непосредственно, но ее присутствие проявляется гравитационным притяжением, действующим на видимые объекты. Наблюдения за движением звезд и галактик говорят о том, что масса темной материи примерно в десять раз больше массы обычной. И все-таки, даже если сложить оба этих вида массы, во Вселенной набирается лишь около 30 процентов критической плотности, до нужного значения не хватает еще 70 процентов.

Таковы были представления до 1998 года, когда две независимые исследовательские группы объявили о поразительном открытии. Они измерили яркость взрывов сверхновых в далеких галактиках и использовали эти данные для уточнения истории космологического расширения. К своему огромному удивлению, они обнаружили, что вместо замедления под действием гравитации скорость расширения в действительности возрастает. Это открытие говорило о том, что Вселенная заполнена некой гравитационно отталкивающей субстанцией. Простейшая возможность состоит в том, что истинный вакуум, в котором мы обитаем, имеет ненулевую плотность массы. Как мы знаем, вакуум является гравитационно отталкивающим, и если его плотность превышает половину плотности массы вещества, суммарным результатом будет отталкивание.

Плотность массы истинного вакуума - это то, что Эйнштейн называл космологической постоянной, идея, которую он сам объявил своей величайшей ошибкой. Она была похоронена почти на 70 лет, но сегодня, похоже, не выглядит такой уж неудачной. Как мы увидим далее, неожиданное возвращение космологической постоянной привело к глубокому кризису в физике элементарных частиц. Однако для теории инфляции это стало чрезвычайно благоприятным поворотом событий. Плотность массы вакуума, оцененная по величине космологического ускорения, составляет около 70 процентов критической плотности - в точности столько, сколько требуется, чтобы сделать Вселенную плоской!

Этот вывод был позднее подтвержден наблюдениями космического микроволнового излучения. Вместо того чтобы полагаться на фридмановскую связь между геометрией Вселенной и ее плотностью, микроволновые наблюдения позволяют напрямую определить геометрию пространства - по сути, путем измерения суммы углов огромного узкого треугольника одна вершина которого находится на Земле, а две другие - в точках испускания микроволн, приходящих к нам от двух близких точек на небе. (Длинные стороны этих треугольников имеют сегодня протяженность около 40 миллиардов световых лет.) В плоском пространстве, как известно еще со школьных уроков геометрии, сумма углов должна составлять 180 градусов. Большее значение суммы трех углов будет указывать на замкнутую Вселенную со сферической геометрией (рис. 9.1), а меньшее - на открытую с седлообразной. Микроволновые наблюдения показывают, что в действительности сумма углов очень близка к значению, которое соответствует плоскому пространству. Эти результаты можно выразить иначе, используя фридмановское соотношение между геометрией и плотностью. Самые последние измерения в таком случае указывают на то, что плотность Вселенной равна критической с точностью не хуже 2 процентов - впечатляющий успех инфляционной космологии.

Образы пылающего прошлого

Другим триумфом инфляции было объяснение небольших возмущений плотности, едва заметной ряби, которая позднее превратилась в галактики. Теория инфляции дала четкое предсказание: величина возмущений должна быть примерно одинаковой на всех астрофизических масштабах длины - от характерных межзвездных расстояний (в несколько световых лет) и вплоть до размеров всей видимой Вселенной. К началу 1990-x наблюдатели были готовы проверить это предсказание.

Как уже говорилось в главе 4, первичная рябь оставляет отпечаток в фоновом космическом излучении. Это послесвечение Большого взрыва было испущено 13 миллиардов лет назад и сейчас приходит к нам со всех направлений на небе. С самого открытия этого излучения в середине 1960-х годов космологи догадывались, что в нем скрыт образ ранней Вселенной. Однако первичные неоднородности были столь малы - всего одна стотысячная от средней интенсивности, - что долгие годы оставались за пределами точности измерений, и наблюдался лишь идеально однородный фон. Прорыв случился в 1992 году, когда был запущен спутник СОВЕ (Cosmic Background Explorer, "исследователь космического фона"). Он построил полную карту неба, измерив излучение, приходящее со всех направлений, и впервые смог различить едва заметные вариации его интенсивности.

Карта СОВЕ напоминает расфокусированную фотографию: на ней видны только крупные особенности космического огненного шара, а более тонкие детали, меньше примерно 7 градусов на небе, совершенно размыты. (Для сравнения: Луна видна под углом полградуса.) За СОВЕ последовала серия других экспериментов все возрастающей точности. Последним из них стала другая спутниковая миссия WMAP. На изображении огненного шара, полученном WMAP (рис. 4.2), различимы детали размером в 1/5 градуса, то есть оно в 30 раз более резкое, чем первоначальная карта СОВЕ.

По мере сбора данных постепенно, шаг за шагом, проступала картина первичной ряби. И, что поразительно, она оказывалась в полном согласии с предсказаниями теории инфляции! Эти свидетельства ранней горячей эпохи оставались на небе миллиарды лет, дожидаясь, пока их откроют и расшифруют. И вот теперь небеса наконец заговорили.

В ближайшие годы инфляции предстоит пройти через серию новых наблюдательных проверок. Физическая теория может подтверждаться экспериментом, но никогда не может быть доказана. С другой стороны, одного твердо установленного факта достаточно, чтобы ее опровергнуть. Например, инфляция предсказывает, что плотность должна быть равна критической с точностью 1 к 100 000 . Так что, если будущий эксперимент обнаружит более значительное отклонение, инфляция окажется в трудном положении.

Новое поколение миссий по исследованию микроволнового фона включает спутник "Планк" , который еще более повысит разрешение изображения, а также наземную обсерваторию QUIET, которая будет с высокой точностью измерять ориентацию электрического поля (поляризацию) микроволн. Поляризационный узор чувствителен к наличию гравитационных волн - крошечных вибраций геометрии пространства-времени. Этот эффект может служить для проверки еще одного предсказания инфляционной теории: мы должны быть погружены в гравитационно-волновое море с очень широким спектром длин волн - от размеров меньше Солнечной системы и до самых больших наблюдаемых масштабов. Амплитуда этих волн определяется энергией ложного вакуума - движущей силы инфляции. Чем выше энергия, тем больше волны. Так что, если QUIET зарегистрирует гравитационные колебания, мы получим возможность определить энергию ложного вакуума, вызывающего инфляционное расширение. Это стало бы важным шагом к пониманию инфляции и ее связи с физикой микромира.

По мере поступления новых данных мои мысли все чаще обращались к заброшенной идее вечной инфляции. Главным аргументом против нее было то, что она рассматривает Вселенную за нашим горизонтом, которая недоступна для наблюдения. Но если теория инфляции поддерживается данными в наблюдаемой части Вселенной, не следует ли нам доверять и ее заключениям о регионах, которые мы не можем наблюдать?

Если я брошу камень в черную дыру, то, используя теорию относительности, смогу описать, как он падает к ее центру и как разрушается и испаряется под действием колоссальных гравитационных сил. Все это невозможно наблюдать снаружи, поскольку ни свет, ни какой-либо другой сигнал не может вырваться изнутри черной дыры. И все же лишь немногие поставят под вопрос точность моего описания. У нас есть все основания полагать, что теория относительности действует внутри черных дыр точно так же, как и снаружи. То же самое можно теперь сказать и про теорию инфляции. Надо попробовать извлечь из нее все, что она может рассказать о величественном устройстве Вселенной, ее происхождении и конечной судьбе.

Глава 10. Бесконечные острова

Я бы и в ореховой скорлупе считал себя властелином необъятного пространства.

Шекспир, "Гамлет" (Пер. К.Р. (Константина Романова)

Будущее цивилизаций

Вопрос, заставивший меня думать о вечной инфляции, больше напоминает научную фантастику, чем физику. Он касался будущего разумной жизни во Вселенной. Отдаленные перспективы любой появившейся цивилизации выглядят довольно мрачными. Даже если она избежит природных катастроф и самоуничтожения, она в конце концов лишится энергии. Звезды рано или поздно умирают, и все остальные источники энергии тоже исчерпываются. Но теперь вечная инфляция, похоже, дает некоторую надежду.

Умрут звезды в наших космических окрестностях, но бесконечное число новых звезд появится в будущих больших взрывах бесконечной инфляции. Видимая нам область - это лишь крошечная часть одного острова Вселенной, затерянного в инфляционном море ложного вакуума (см. рис. 8.3). Посреди этого моря постоянно возникают новые островные вселенные с мириадами новых звезд.

На самом деле образование звезд будет продолжаться всегда, даже внутри нашей собственной островной вселенной. Ее границы все время наступают на инфляционное море. Их неумолимое продвижение вызвано распадом ложного вакуума в прилегающих инфляционных областях. Фактически эти границы - это области, где Большой взрыв происходит прямо сейчас. Вновь образовавшиеся вселенные микроскопически малы, но с возрастом они безгранично растут. Центральные части больших островов Вселенной очень стары. Они темны и пустынны: все звезды здесь давно умерли, а жизнь исчезла. Но области по краям островов совсем молодые и должны быть полны сияющих звезд.

Высокоразвитая цивилизация может захотеть отправить миссию для колонизации вновь образовавшихся звездных систем у границы своего острова. На худой конец, они могут хотя бы послать сообщение новым цивилизациям, развивающимся вблизи границы или в других островных вселенных. Те цивилизации могут, в свою очередь, послать сообщения следующим, и так далее. Если мы пойдем по этому пути, то можем стать ветвью вечно растущего "древа" цивилизаций, и наша аккумулированная мудрость не будет полностью потеряна.

Эти сценарии предложил Андрей Линде в статье "Жизнь после инфляции" , и мне захотелось узнать, возможен ли хоть один из них в действительности, по крайней мере в принципе. Линде проанализировал различные аспекты этой проблемы, но не пришел к какому-то определенному выводу. Тот факт, что где-то во Вселенной звезды образовались позже, чем здесь, не означает, что мы можем попасть туда за доступное время. С другой стороны, благодаря Эйнштейну мы знаем, что понятия "раньше" и "позже" не абсолютны и могут зависеть наблюдателя. Чтобы продвинуться в решении данной задачи мне надо было понять структуру пространства-времени вечно инфлирующей Вселенной.

Как говорилось в главе 2, пространство и время в теории относительности объединены в четырехмерную сущность, называемую пространством-временем . Точка в нем - это событие имеющее определенное положение и время. Рассмотрим два события, которые могли бы привлечь ваше внимание, - например, встречу выпускников вашего класса здесь, на Земле, и межзвездный матч по суперболу, запланированный через 3 года на альфе Центавра, удаленной от нас примерно на 4 световых года. Вопрос: можете ли вы успеть на оба эти мероприятия?

Ответ можно найти, вычислив так называемый пространственно-временной интервал между двумя событиями. В пространстве-времени он играет роль, аналогичную расстоянию между точками в пространстве. Его математическое определение сейчас несущественно; зато важно, что интервалы могут быть двух типов: пространственно-подобные и времени-подобные . Интервал времени-подобен, если материальный объект может добраться от одного события до другого, не нарушая базового принципа теории относительности - невозможности двигаться быстрее скорости света. В этом случае все наблюдатели согласятся, какое из двух событий произошло раньше, а какое - позже. Напротив, если добраться от одного события до другого невозможно (то есть если это требует сверхсветовой скорости), - интервал пространственно-подобный. Ни одно из этих двух событий не может быть причиной другого. Эйнштейн показал, что временной порядок таких событий зависит от наблюдателя и всегда можно найти наблюдателя, для которого они происходят одновременно.

В нашем примере с альфой Центавра интервал оказывается пространственно-подобным, так что вам придется выбрать какому событию отдать предпочтение. Конечно, в данном случае нетрудно получить ответ, даже не вычисляя интервал. За три года свет проходит путь в три световых года, а чтобы преодолеть четыре - расстояние до альфы Центавра, - вам пришлось бы двигаться быстрее света. В искривленном пространстве-времени вселенной с бесконечной инфляцией анализ несколько усложняется, и вычислять интервал все-таки приходится.

Пространство-время островной вселенной схематически изображено на рисунке 10.1. Вертикальное направление соответствует времени, а горизонтальное - одному из трех пространственных измерений; два других измерения опущены. Каждая горизонтальная линия - это мгновенный снимок вселенной в некоторый момент времени. Историю островной вселенной можно проследить, начиная с горизонтальной пунктирной линии, помеченной "до", в нижней части рисунка и постепенно двигаясь вверх. (Момент времени, соответствующий этой линии, относится к инфлирующей части пространства-времени, где островная вселенная еще не образовалась.) Толстая сплошная линия, помеченная словами "Большой взрыв", - это граница между островной вселенной и инфлирующей частью пространства-времени. Точка, отмеченная черной галактикой, - это "здесь и сейчас", а белыми галактиками обозначены области, где условия похожи на те, что сегодня мы наблюдаем вокруг себя. Горизонтальная пунктирная линия, помеченная сейчас", изображает настоящее время. Она соответствует островной вселенной с пустынным центральным регионом и областями звездообразования вблизи границ.

Несложный расчет показывает, что все Большие взрывы, расположенные вдоль сплошной линии на рисунке, разделены пространственно-подобными интервалами. Для меня это стало важнейшим наблюдением, которое позволило сформулировать мой собственный ответ на вопрос о будущем цивилизаций. Оно также полностью изменило мои представления об островных вселенных.

Пространственно-подобный тип интервалов говорит о невозможности попасть от одного события Большого взрыва к какому-либо другому. Иными словами, вы не можете держаться на краю островной вселенной, поскольку ее края раздвигаются быстрее света. Выходит, мы никогда не сможем достичь берегов инфляционного моря и погреться в лучах новых солнц, которые будут там рождены. И мы не можем послать никакого сообщения будущим цивилизациям, которые разовьются вокруг этих солнц, поскольку никакой сигнал не может распространяться быстрее света. Печально, но вечная инфляция, похоже, не благоприятствует долгосрочным перспективам человечества.

Возможно, вас удивляет сверхсветовое расширение островных вселенных, поскольку оно выглядит противоречащим энштейновскому запрету на движение быстрее света. Однако этот запрет весьма избирателен: он относится только к движению материальных объектов (включая излучение, такое как цветовые или гравитационные волны) друг относительно друга, тогда как границы островной вселенной - это геометрические сущности, которые не обладают какой-либо массой или энергией. Сверхсветовое расширение границ означает, что последовательные Большие взрывы не могут быть причинно связаны между собой. Они не похожи на домино, где падение одной костяшки вызывает падение следующей. Распространение распада вакуума предопределяется рисунком скалярного поля, порожденным во время инфляции. Поле меняется в пространстве очень плавно, и в результате вакуум в соседних областях распадается почти одновременно. Вот почему Большие взрывы следуют друг за другом в такой быстрой последовательности, а граница расширяется столь стремительно.

Время не имеет значения

Признаюсь Тебе, Господи, я до сих пор не знаю, что такое время.

Святой Августин

Но что же мы все-таки имеем в виду, говоря о том, что Большой взрыв у границы островной вселенной случился позже, чем в ее центральной области? Раз все интервалы между всеми событиями Большого взрыва пространственно-подобны, значит, между наблюдателями будут разногласия по вопросу о том, какое из этих событий случилось раньше, а какое позже. Кому из них мы должны верить? Сейчас мы постараемся прояснить этот вопрос. Наш анализ может показаться довольно запутанным, но его стоит проделать, поскольку он приведет нас к некоторым далеко идущим выводам.

В качестве разминки рассмотрим сначала однородную вселенную, описываемую одной из моделей Фридмана. В любой момент времени материя в ней однородно распределена в пространстве. Может показаться, что это тривиально, но должны определить, что значит "момент времени".

Когда космологи говорят о "моменте времени", они представляют себе огромное число наблюдателей, снабженных часами и разбросанных по всей вселенной. Каждый наблюдатель видит лишь небольшую область непосредственно вокруг себя, так что для описания вселенной в целом необходимо все сообщество наблюдателей. Мы можем считать себя одним из его членов. Наши часы сейчас показывают 14 миллиардов лет ПБВ . "То же самое время" в другой части вселенной наступит, когда на часах находящегося там наблюдателя появятся те же показания. Мы должны решить теперь, как наблюдателям, находящимся за горизонтом друг друга, синхронизировать свои часы.

В случае фридмановской вселенной ответ очевиден: в ней Большой взрыв - это естественное начало времен, так что каждый наблюдатель должен отсчитывать время от него. При таком определении одновременности плотность материи, измеренная всеми наблюдателями в одно и то же время, окажется одинаковой, а значит, вселенная будет однородной.

В принципе допустимо рассматривать совокупность наблюдателей, чьи часы выставлены по-разному. Например, мы можем сместить начало отсчета времени на некоторую величину относительно Большого взрыва и сделать так, чтобы эта величина менялась от одной области пространства к другой. Тогда вселенная будет выглядеть очень сложной и неоднородной. Разумеется, никто в здравом уме не станет использовать такое описание. Оно значительно усложняет анализ и скрывает истинную природу фридмановской вселенной. Но не всегда все бывает так просто.

Возвращаясь к вселенной с бесконечной инфляцией, рассмотрим сначала крупную область, подобную той, что показана на рисунке 8.3, включающую как островные вселенные, так и зоны, охваченные инфляцией. В такой области нельзя естественным образом выбрать начало отсчета времени. Поэтому определение "момента времени" становится в значительной мере произвольным, единственное условие состоит в том, что все события "момента" должны быть разделены пространственно-подобными интервалами. Если выбрать начальный момент достаточно рано, когда вся область находится в состоянии ложного вакуума, в дальнейшем в ней, как мы уже обсуждали в предыдущей главе, появятся и станут расширяться островные вселенные. Однако порядок их появления, а также темп и формы, приобретаемые ими по мере расширения, могут весьма сильно меняться в зависимости от выбора начального момента.

Допустим теперь, что мы интересуемся одной конкретной островной вселенной и хотим описать ее с точки зрения ее обитателей. Тогда ситуация оказывается совершенно иной. Как и в случае фридмановской вселенной, существует естественный выбор для начала времени. Все населяющие островную вселенную наблюдатели могут отсчитывать его от Большого взрыва - каждый в своем месте. Другими словами, Большой взрыв можно выбрать в качестве начального "момента времени". Такой выбор ведет к новой, радикально отличающейся картине островной вселенной. Чтобы различать описания большой области и отдельного острова, договоримся называть их соответственно внешним (глобальным) видом и внутренним (локальным).

Внутренний вид островной вселенной представлен на рисунке 10.2. Как и раньше, момент Большого взрыва изображен сплошной кривой, помеченной "Большой взрыв". Плотность вещества во всех событиях на этой кривой практически одинакова и определяется плотностью распадающегося ложного вакуума. Таким образом, на локальном виде островная вселенная почти однородна. Настоящий момент времени здесь представлен пунктирной линией, помеченной "сейчас", которая совпадает с рядом галактик на рисунке. Все точки на этой линии характеризуются одинаковой средней плотностью вещества и одинаковой концентрацией звезд - такой же, как наблюдается вблизи нас. Но самое замечательное - с локальной точки зрения островная вселенная бесконечна!

На глобальном виде островная вселенная растет по мере распространения Большого взрыва по ее границам, и, если подождать достаточно долго, она станет сколь угодно большой, однако с локальной точки зрения Большой взрыв случился единомоментно, а островная вселенная была бесконечно велика с самого начала. На рисунке 10.2 этой бесконечности соответствует тот факт, что сплошная линия Большого взрыва нигде не заканчивается. Если продолжить эту кривую, то ее отданные точки будут соответствовать все более поздним событиям Большого взрыва с глобальной точки зрения и все более далеким областям в начальный момент - с локальной. Бесконечность времени в рамках одного взгляда трансформируется в бесконечность пространства в рамках другой.

Большая картина

Попробуем подвести краткие итоги. Если бы каким-то образом нам удалось извне наблюдать Вселенную бесконечной инфляции, подобно тому как наблюдают Землю из космоса, мы увидели бы множество вселенных, разбросанных по обширному инфляционному морю ложного вакуума. В случае замкнутости Вселенной открывшийся перед нами вид мог бы чем-то напоминать глобус с континентами и архипелагами, окруженными океаном. Этот глобус с ошеломительной скоростью расширяется, островные вселенные тоже чрезвычайно быстро увеличиваются, а между ними постоянно появляются крошечные новые острова и немедленно принимаются расти. Число островных вселенных быстро умножается и становится бесконечным в пределе бесконечного будущего.

Обитатели островных вселенных, подобно нам, видят совершенно иную картину. Их вселенная не воспринимается ими как конечного размера остров. Она представляется им самостоятельной бесконечной вселенной. Граница между их вселенной и инфляционной частью пространства-времени - это Большой взрыв, случившийся в определенный момент в прошлом. Мы не можем добраться до инфляционного моря просто потому, что невозможно переместиться в прошлое.

Весьма примечательно, что "большая" Вселенная, содержащая все бесконечные островные вселенные, может быть замкнутой и конечной. Кажущееся противоречие разрешается, если принять во внимание, что понятие внутреннего времени в островных вселенных отличается от "глобального" времени, которое надо использовать для описания пространства-времени в целом. В глобальном времени внешние части островных вселенных еще не образовались и завершат свое формирование лишь в бесконечно отдаленном будущем, тогда как во внутреннем времени островная вселенная возникает единомоментно. Структура пространства-времени замкнутой Вселенной бесконечной инфляции изображена на рисунке 10.3.

Неожиданная особенность островных вселенных, состоящая в том, что изнутри они выглядят бесконечными, оказалась весьма важной: в дальнейшем она привела меня к выводу, который, возможно, является самым поразительным следствием вечной инфляции.

Глава 11. Да здравствует король!

Не должны ли все вещи, которые могут случиться, уже случиться, произойти, быть совершены в прошлом?

Подсчет историй

Но конечным является не только число различных состояний О-региона - то же самое можно сказать и о числе его возможных историй.

История описывается цепочкой состояний в последовательные моменты времени. Такие понятия, как история, по-видимому, очень сильно различаются в квантовой и классической физике. В квантовом мире будущее не определяется однозначно прошлым. Одни и те же начальные условия могут вести множеству разных исходов, и мы можем подсчитывать лишь их вероятности. В результате диапазон возможностей значительно расширяется. Но квантовая неопределенность вновь не позволяет нам различить истории, которые слишком похожи одна на другую.

Квантовая частица, как правило, не имеет однозначно определенной истории. Это неудивительно, поскольку, как мы знаем, у нее нет и четко определенного положения. Но неопределенность не означает, что мы просто не знаем, по какому пути движется частица от своего источника к детектору. Ситуация куда удивительнее: похоже, что частица следует одновременно по множеству различных путей и все они вносят свой вклад в исход процесса.

Это шизофреническое поведение лучше всего иллюстрируется знаменитым двухщелевым экспериментом (рис. 11.4). Установка состоит из источника света и фотопластинки, которая закрыта непрозрачным экраном с двумя узкими щелями. Свет проникает через щели и создает изображение на пластинке. Эксперимент впервые поставил в начале XIX века английский физик Томас Юнг. Он обнаружил, что изображение складывается из чередующихся светлых и темных полосок. Свет от обеих щелей падает на все точки фотопластинки. Но в одни места световые волны приходят в фазе (гребни и впадины двух волн совпадают), усиливая друг друга, тогда как в других местах они оказываются в противофазе (гребни одной волны приходятся на впадины другой) и взаимно гасятся. Так узор из полосок объясняется волноподобной природой света.

Удивительные вещи начинаются, когда мы уменьшаем интенсивность источника света до такого уровня, что фотоны испускаются им поштучно - один за другим. Каждый фотон оставляет пятнышко на фотопластинке. Сначала они располагаются беспорядочно, но поразительно, что спустя некоторое время они складываются в узор, в точности совпадающий с полосками, которые получались раньше. Фотоны попадают на экран по отдельности, поэтому те, что прошли через одну щель, не могут взаимодействовать с теми, что прошли через другую. Но как тогда им удается "усиливать" или "гасить" друг друга?

Чтобы глубже разобраться в вопросе, можно посмотреть, что случится, если вынудить фотоны проходить через одну или через другую щель. Допустим, мы выполняем эксперимент, открыв только одну щель, а затем на столько же времени открываем другую, не меняя фотопластинку. Поскольку фотоны проходят через установку по одному, это не должно внести изменений, и мы ожидаем получить тот же узор. Верно? Нет. В этой модифицированной версии эксперимента никаких полосок не наблюдается, а на снимке будут только очертания двух щелей.

Отсюда вытекает, что представление, будто фотон проходит через одну из щелей, не обращая внимания на то, открыта ли другая, неверно. Когда открыты обе щели, фотон каким-то образом "чувствует" две возможные истории, которым он может следовать. Они совместно определяют вероятность того, что фотон попадет в конкретное место на пластинке. Этот феномен называется квантовой интерференцией между историями.

Квантовая интерференция редко проявляется столь наглядно, как в двухщелевом эксперименте, но она влияет на поведение каждой частицы во Вселенной. Двигаясь из одного места в другое, частицы "разнюхивают" множество различных маршрутов, так что вместо четко определенного прошлого мы имеем запутанную сеть интерферирующих историй.

Как тогда можно быть уверенным, что некоторое событие действительно имело место? Как придать смысл понятию истории? Ответ вновь возвращает нас к крупнозернистому описанию.

Как и прежде, разделим пространство на маленькие ячейки и зададим крупнозернистое состояние системы (О-региона в нашем случае) путем указания "адресов" ячеек для всех частиц. Крупнозернистая история задается последовательностью таких состояний через равные интервалы времени, например, каждые две секунды. Подчеркнем важный момент: эффект интерференции обычно силен только для очень близких друг к другу историй. Если увеличивать размеры ячеек и интервалы времени, то разные крупнозернистые истории станут все сильнее и сильнее отличаться друг от друга, и в некоторый момент их интерференция окажется совершенно ничтожной. После этого можно говорить об альтернативных историях системы.

Формализм квантовой механики в терминах крупнозернистых историй был относительно недавно, в 1990-х годах, разработан Робертом Гриффитсом, Роланом Омнэ, Джеймсом Хартлом и Мюрреем Гелл-Манном (Robert Griffiths, Roland Omnes, James Hartle and Murray Gell-Mann). Они обнаружили, в частности, что минимальный размер ячеек, при котором еще можно говорить об определенности истории, как правило, является микроскопическим, а минимальный интервал времени - это крошечная доля секунды. Неудивительно, что в макроскопическом мире человеческого опыта история представляется хорошо определенной.

Крупнозернистая история протекает за конечное число шагов, и любая ограниченная во времени история должна состоять из конечного числа моментов. В каждый момент система может находиться лишь в конечном числе состояний, а значит, и число различных историй системы должно быть конечным.

Мы с Хауме, по-быстрому прикинув на обороте конверта, оценили число возможных историй О-региона от Большого взрыва до наших дней. Как и следовало ожидать, получилось еще одно "гуголплексное" число: 10 в степени 10 150 . Действительное количество квантовых состояний и историй О-региона не так важно, но конечность их числа имеет важные последствия для нашей дискуссии.

История повторяется

Давайте рассмотрим ситуацию внимательнее. Она возникла как следствие теории инфляции, согласно которой островные вселенные бесконечны внутри и каждая из них содержит бесконечное множество О-регионов. Она также опирается на квантовую механику, говорящую, что существует лишь конечное число историй, которые могут реализоваться в любом О-регионе. Объединяя эти два утверждения, мы с неизбежностью приходим к выводу, что каждая конкретная история должна повторяться бесконечное число раз. Согласно квантовой механике, все, что строго не запрещено законами сохранения, имеет ненулевую вероятность реализации, а значит, наверняка случилось в бесконечном числе О-регионов!

Среди этих бесконечно повторяемых сценариев должны быть весьма странные истории. Например, планета, похожая на нашу Землю, может вдруг сколлапсировать в черную дыру. Или она может испустить колоссальный импульс излучения и перейти на другую орбиту, значительно ближе к центральной звезде. Такие происшествия чрезвычайно маловероятны, но это лишь означает, что придется перебрать очень много О-регионов, прежде чем найдется такой, в котором это случилось.

Удивительным следствием этой новой картины мира является существование бесконечного числа миров, идентичных нашему. Да, дорогой читатель, десятки ваших дублей держат сейчас в руках эту книгу. Они живут на планетах, в точности таких же, как наша Земля со всеми ее горами, городами, деревьями и бабочками. Эти земли обращаются вокруг точных копий Солнца, и каждое солнце принадлежит огромной спиральной галактике - точной копии нашего Млечного Пути.

Как далеко находятся все эти земли, населенные нашими дублями? Мы знаем, что материя, содержащаяся в нашем О-регионе, может находиться в 10 в степени 10 90 различных состояний. Объем, содержащий, скажем, гуголплекс (10 в степени 10 100 ) О-регионов, должен исчерпать все возможности. Такой объем будет иметь поперечник порядка гуголплекса световых лет. На больших расстояниях О-регионы, включая наш, будут повторяться.

Должны также существовать регионы, где истории немного отличаются от нашей, со всеми возможными вариациями. Когда Юлий Цезарь со своими легионами стоял на берегу реки Рубикон, он знал, что должен принять важнейшее решение. Переход реки станет государственной изменой, и пути назад уже не будет. Со словами "Jacta alea est!" - "Жребий брошен!" - он приказал войскам идти вперед. И жребий действительно был брошен: на некоторых землях Цезарь стал римским диктатором, а на других он был разбит, подвергнут пыткам и казнен как враг государства. Конечно, на большинстве земель никогда не было человека по имени Цезарь, а в большинстве мест Вселенной нет ничего похожего на нашу Землю, поскольку существует гораздо больше других возможных вариантов развития помимо простого повторения.

Весьма символично, что эта сюрреалистичная картина мира появилась в городке, пропитанном духом Сальвадора Дали. Подобно живописи Дали, она смешивает странные, кошмарные детали с привычной реальностью. И тем не менее это прямое следствие инфляционной космологии. Мы с Хауме написали статью о новой картине мира и представили ее в ведущий физический журнал The Physical Review . Мы опасались, что статья будет отвергнута как "слишком философская", но ее приняли без возражений. В дискуссионном разделе ближе к концу мы писали:

"Существование О-регионов со всеми возможными историями, среди которых есть идентичные или почти идентичные нашей, имеет ряд тревожных следствий. Если только у вас появилась мысль о возможности какого-то страшного несчастья, можете быть уверены, что оно уже случилось в каком-то из О-регионов. Если вы с трудом избежали аварии, значит, в некоторых регионах с точно такой же предшествующей историей вам не повезло. С другой стороны, некоторые читатели будут рады узнать, что существует бесконечное число О-регионов, где Эл Гор стал президентом и - да! - Элвис жив".

Пресса отреагировала немедленно - как и предсказывал Хауме. На следующий месяц в британском журнале New Scientist вышел обзор нашей статьи под заголовком "Да здравствует король!"

Что еще нового?

Позднее мы выяснили, что у картины множества наших клонов, разбросанных по Вселенной, есть предыстория. Знаменитый российский физик Андрей Сахаров высказал подобную идею в своей Нобелевской лекции в 1975 году. Он говорил:

"В бесконечном пространстве должны существовать многие цивилизации, в том числе более разумные, более "удачные", чем наша. Я отстаиваю также космологическую гипотезу, согласно которой эволюция Вселенной повторяется в основных своих чертах бесконечное число раз".

Кое-кто даже называл мысль, что в бесконечной Вселенной должно случиться абсолютно все, самоочевидной. Это утверждение, однако, ложно. Рассмотрим, например, последовательность нечетных чисел 1, 3, 5, 7, … . Она бесконечна, но нельзя говорить, что она содержит все возможные числа. Ведь в ней отсутствуют все четные числа. Аналогично, бесконечность пространства сама по себе не гарантирует, что все возможности реализуются где-то во Вселенной. Например, по всему пространству могла бы бесконечно повторяться одна и та же галактика.

На этот момент указали южноафриканские физики Джордж Эллис (George Ellis) и Дж. Брандрит (G. Brundrit). Они доказали, исходя из предположения о бесконечности Вселенной, что в ней должно быть бесконечное число мест, очень похожих на нашу Землю. (В своем анализе они опирались на классическую физику и поэтому могли говорить только сходстве, но не об идентичности других земель и нашей.) Они предположили вдобавок, что начальное состояние Вселенной случайным образом меняется от одного О-региона к другому, так что в бесконечном объеме исчерпываются все возможные их варианты. Таким образом, существование наших клонов не самоочевидно, а опирается на предположения о пространственной бесконечности и "исчерпывающей случайности" Вселенной.

Напротив, в случае бесконечной инфляции эти свойства не нужно вводить как независимые предположения. Из самой теории вытекает, что островные вселенные бесконечны и что начальные условия в момент Большого взрыва задаются случайными квантовыми процессами во время инфляции. Существование клонов, таким образом, является неизбежным следствием теории.

Значение слова "быть"

Все зависит от значения слова "есть".

Билл Клинтон

Идея множества миров, или "параллельных" вселенных, обсуждалась также и в совершенно ином контексте. Возможно, вы слышали о многомировой интерпретации квантовой механики, которая утверждает, что Вселенная постоянно расщепляется на множество копий самой себя так, что в разных копиях реализуются все возможные исходы каждого квантового процесса. Несмотря на кажущееся сходство с бесконечной инфляцией, это на самом деле совсем разные теории. Чтобы не путать их, давайте совершим короткий экскурс в мир множества миров.

Квантовая механика - феноменально успешная теория. Она объясняет строение атомов, электрические и тепловые свойства твердых тел, ядерные реакции и сверхпроводимость. Физики безоговорочно доверяют ей, но при этом основания данной теории на удивление темны, и дебаты об их интерпретации продолжаются до сих пор.

Самым спорным является вопрос о природе квантово-механических вероятностей. Так называемая копенгагенская интерпретация, разработанная Нильсом Бором и его последователями, гласит, что квантовый мир принципиально непредсказуем. Согласно Бору, бессмысленно спрашивать, где находится квантовая частица, пока вы не произведете измерение, чтобы ее обнаружить. Вероятности всех возможных исходов измерения можно вычислить, используя правила квантовой механики. Частицы как будто никак не могут "решиться" и прыгают на определенное место в самый последний момент, когда выполняется измерение.

Альтернативная интерпретация предложена Хью Эвереттом III в его докторской диссертации, защищенной в 1950 году в Принстонском университете. Он утверждал, что на самом деле реализуются все возможные исходы каждого квантового события, но происходит это в разных, "параллельных" вселенных. При любом измерении положения частицы Вселенная разветвляется на мириады копий, в которых частица обнаруживается во всех возможных местах. Процесс ветвления полностью детерминирован, но мы не знаем, с какой из ветвей будет связан наш опыт. В результате исход нашего измерения по-прежнему остается вероятностным, причем Эверетт показал, что все вероятности оказываются в точности такими же, как и в копенгагенской интерпретации.

Поскольку выбор интерпретации не влияет ни на какие результаты или предсказания теории, большинство работающих физиков относятся к дискуссии об основаниях квантовой механики как агностики и не тратят время на подобные вопросы. По словам физика Исидора Раби (Isidor Rabi), занимающегося элементарными частицами, "квантовая механика - это просто алгоритм. Используйте его. Он работает, не беспокойтесь". Такой подход "заткнись и считай" прекрасно работает везде, кроме квантовой космологии, в которой квантовая механика применяется к целой Вселенной. "Ортодоксальную" копенгагенскую интерпретацию, требующую, чтобы внешний наблюдатель выполнял над системой процедуры измерения, в этом случае невозможно даже сформулировать: нет никакого внешнего по отношению к Вселенной наблюдателя. Космологи, таким образом, склонны предпочитать многомировую картину.

Эверетт и некоторые его последователи настаивают, что все параллельные миры в равной мере реальны, однако другие полагают, что это лишь возможные миры и среди них только один реален. Эта дискуссия может оказаться простым спором о терминах: когда говорят, что есть другая параллельная вселенная, независимая от нашей, что в точности означает это утверждение? Как сказал президент Клинтон по другому поводу, "все зависит от значения слова "есть". Параллельные вселенные подобны параллельным прямым: у них нет общих точек. Каждая из них развивается самостоятельно в отдельном пространстве и времени, которые нигде не могут проникнуть в нашу Вселенную. Но как тогда мы можем сказать, существуют они на самом деле или только как возможности?

Я должен подчеркнуть, что все это никак не влияет на картину вечной инфляции, описанную в начале этой главы. Если принимается многомировая интерпретация, то существует ансамбль "параллельных" вечно инфлирующих вселенных, каждая с бесконечным числом О-регионов. Новая картина мира приложима к каждой из вселенных этого ансамбля.

Более того, в отличие от идеи параллельных миров другие О-регионы безусловно реальны. Все они принадлежат общему пространству-времени, и, будь у нас в запасе достаточный срок, мы даже смогли бы добраться до них и сравнить их истории с нашей.

Обходные пути

Без сомнения, многие читатели удивятся: неужели нам действительно надо верить во всю эту чепуху с нашими клонами? Нет ли способа избежать столь причудливых выводов? Если вы совершенно не способны смириться с мыслью, что ваш двойник в далекой галактике является республиканцем (или, наоборот, демократом), и если вы готовы ухватиться за любую соломинку, чтобы этого избежать, позвольте подбросить вам пару соломинок.

Прежде всего, есть вероятность, что теория инфляции неверна. Идея инфляции очень убедительна и подтверждается наблюдениями, но, конечно, далеко не в той мере, как, например, теория относительности Эйнштейна.

Даже если наша Вселенная является продуктом инфляции, можно допустить, что инфляция не вечна. Правда, это потребует довольно серьезных натяжек в теории. Чтобы избежать вечной инфляции, энергетический ландшафт скалярного поля должен быть специальным образом подогнан под наши требования.

Ни одна из этих возможностей не выглядит привлекательно. Теория инфляции - это самое лучшее из имеющихся у нас объяснений Большого взрыва. Если мы примем эту теорию и не станем ее калечить, добавляя совершенно не обязательные и произвольные свойства, у нас не будет иного выбора, кроме как признать инфляцию бесконечной, со всеми вытекающими из этого последствиями, нравятся они нам или нет.

Прощание с уникальностью

В представлениях древних мы, люди, были центром Вселенной. Небо располагалось не слишком далеко, и судьбы людей и царств можно было прочесть по звездам и планетам на его бархатном своде. Наш уход с авансцены начался с трудов Коперника и длился вплоть до конца прошлого столетия. Не только Земля не является центром Солнечной системы, но и само Солнце - лишь рядовая звезда на окраине довольно типичной галактики. И все же нас грела мысль, что на Земле есть нечто совершенно особенное - что это единственная планета с данным конкретным набором жизненных форм и что человеческая цивилизация с ее искусством, культурой и историей уникальна во всей Вселенной. Можно было думать, что эта единственность - достаточное основание, чтобы охранять нашу маленькую планету, как драгоценное произведение искусства.

Теперь мы лишились и этой последней претензии на уникальность. В картине мира, возникающей из теории вечной инфляции, Земля и наша цивилизация никак не могут считаться уникальными. По бесконечным просторам космоса разбросано бесчисленное множество идентичных цивилизаций. С этим понижением статуса человечества до абсолютной космической ничтожности наш путь прочь от центра мировой сцены может считаться завершенным.

От англ. field - "поле". - Примеч. перев.

Слово "кикспэн" (kickspan ) образовано от англ. слов kick - "толчок" и span - "величина", "амплитуда". Это максимальное расстояние, на котором возможна коммуникация в инфляционной Вселенной. Оно равно критическому размеру кусочка ложного вакуума, необходимого для инфляции (см. главу 6): 1 миллиметр для электрослабого вакуума и в 10 13 раз меньше для вакуума Великого объединения. Это расстояние играет роль горизонта в расширяющейся инфляционной Вселенной.

Термин "период полураспада" происходит из ядерной физики, где он означает время, в течение которого распадается половина атомов в образце радиоактивного вещества.

Алан Гут называет эти острова "карманными вселенными". Однако Ленни Сасскинд (Lenny Susskind) отметил, что это уничтожает всякую романтику. (Следует отметить, что в первой половине прошлого века термином "островные вселенные" в научно-популярной литературе называли галактики. - Примеч. перев. )

Во избежание путаницы с этого момента я буду пользоваться термином "Большой взрыв" для обозначения конца инфляции, а начальное (или конечное) состояние с бесконечной кривизной и плотностью буду называть сингулярностью.

A. Vilenkin, "The birth of inflationary universes" ("Рождение инфляционных вселенных"), Physical Review , vol. D27, p. 2848 (1983). Это статья о квантовой космологии; вечная инфляция обсуждается в последнем разделе.

Экспоненциально раздувающаяся область быстро заполнила бы компьютерный экран, заставив нас остановить моделирование. Мы справились с этой проблемой, используя расширяющуюся шкалу расстояний, которая росла в том же темпе, что и область инфляции. Если пользоваться такой растягивающейся линейкой, величина объема инфлирующего ложного вакуума не меняется во времени, и он занимает постоянную площадь на экране. В аналогии с экономической инфляцией, которую мы использовали в главе 5, этот способ измерения соответствует выражению цен в "первоначальных долларах", благодаря чему эффект инфляции исключается.

М. Aryal and A. Vilenkin, "The fractal dimension of the inflationary universe" ("Фрактальная размерность инфляционной вселенной"), Physics Letters , vol. B199, p. 351 (1987).

A.D. Linde, "Eternally existing self-reproducing chaotic inflationary universe" ("Вечно существующая самовоспроизводящаяся хаотическая инфляционная вселенная"). Physics Letters , vol. В175, p. 395 (1986). Термин "вечная инфляция" был введен Линде в этой статье.

Ускоренное расширение Вселенной было открыто Группой по сверхновым с большими красными смещениями (High-Z Supernova Search Team) под руководством гарвардского астронома Роберта Киршнера (Robert Kirshner) и Брайана Шмидта (Brian Schmidt) из обсерватории Сайдинг Спрингс в Австралии, а также Проектом по сверхновым в космологии (Supernova Cosmology Project), возглавляемым Солом Перлмуттером (Saul Perlmutter). Из первых рук об этом открытии можно прочесть в остроумной книге Роберта Киршнера "Экстравагантная Вселенная: взрывающиеся звезды, темная энергия и ускоряющийся космос" (The Extravagant Universe: Exploding Stars, Dark Energy, and the Accelerating Cosmos , Princeton University Press, Princeton, 2004).

Расстояние до сверхновой, которое определяется по ее видимому с Земли блеску, говорит о том, как долго свет от нее шел к нам, а значит, и о том, когда случился взрыв. Покраснение света (доплеровское смещение) можно использовать для оценки скорости космологического расширения в то время. Подробнее об этом см. главу 14.

В следующих главах будут упомянуты некоторые другие возможности. Многие физики склонны к агностицизму в отношении причин космологического ускорения и говорят о нем как о "темной энергии".

Если же, с другой стороны, наблюдения покажут, что плотность превышает критическую более чем на одну стотысячную, следствием будет то, что Вселенная представляет собой относительно небольшую трехмерную сферу, ненамного крупнее современного горизонта. Для инфляции это создаст очень серьезные проблемы.

Он назван в честь первооткрывателя квантовой физики Макса Планка, который вывел формулу, описывающую, как энергия теплового излучения распределена между волнами различной частоты. Спутник был запущен 14 мая 2009 года.

Происхождение гравитационных волн аналогично появлению возмущений плотности (см. главу 6). Они порождаются квантовыми флуктуациями в ходе инфляции, амплитуда которых не зависит от линейного масштаба. Предсказание относительно гравитационных волн вытекает из работы Алексея Старобинского, выполненной в 1980 году, еще до того, как Гут предложил идею инфляции.

QUIET начал работу в ноябре 2009 года. Он способен детектировать гравитационные волны, порожденные инфляцией, но только если ложный вакуум имел энергетический масштаб Великого объединения. Для не столь энергичного вакуума потребуются более чувствительные инструменты.

Напомним, что мы договорились отождествлять Большой взрыв с концом инфляции.

A.D. Linde, "Life after inflation" ("Жизнь после инфляции"), Physics Letters , vol. B211, p. 29,1988.

В плоском пространстве-времени квадрат интервала между двумя событиями определяется как (разность во времени) 2 − (расстояние в пространстве) 2 . За исключением знака "минус" это очень похоже на вычисление квадрата гипотенузы по теореме Пифагора. Для вычисления интервала расстояния в пространстве и времени должны выражаться в совместимых единицах. Например, если время измеряется в годах, то мерой длины должны быть световые годы. Интервал времени-подобен, если его квадрат положителен, и пространственно-подобен, если отрицателен. Для встречи класса и матча по суперболу, которые обсуждаются в тексте, разница во времени составляет 3 года, а расстояние в пространстве - 4 световых года. Значит, квадрат интервала будет 32 − 42 = −7 . Поэтому интервал является пространственно-подобным.

Как и раньше, ПБВ означает "после Большого взрыва".

Состояние движения наблюдателя также влияет на показания его часов. Еще раз подчеркнем, что во вселенной Фридмана существует естественный выбор: наблюдатели, которые покоятся по отношению к галактикам (или частицам вещества) в местах своего размещения. Это так называемые "сопутствующие наблюдатели".

С той оговоркой, что замкнутая Вселенная подобна трехмерной сфере, тогда как поверхность Земли имеет только два измерения.

Традиционная каталонская каменная усадьба или ферма. - Примеч. перев.

Это ограничение неприложимо к областям, превосходящим размеры космического горизонта. Предполагается, что на пределе оно применимо к О-региону, который по размерам совпадает с горизонтом.

От слова "гуголплекс" - названия числа 10 в степени 10 100 .

Мы писали статью в 2001 году, сразу после весьма спорных выборов в США, на которых Джордж Буш обошел Эла Гора на очень небольшую величину.

J. Garriga and A. Vilenkin, "Many worlds in one" ("Много миров в одном"), Physical Review , vol. D64, p. 043511 (2001).

A.D. Sakharov, in Alarm and Hope (в сб. "Тревога и надежда"), eds. Yankelevich and A. Friendly (Knopf, New York, 1978).

G.F.R. Ellis and G.B. Brundrit, Life in the infinite universe ("Жизнь в бесконечной Вселенной"), Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society , vol. 20, p. 37 (1979).

Глубокое обсуждение многомировой интерпретации, стимулирующее ее дальнейшее осмысление, можно найти в книге David Deutsch, The Fabric of Reality (Дэвид Дойч, "Ткань реальности"), Penguin, New York, 1997.

Цитируется по: G. Edelman, Bright Air, Brilliant Fire: On the Matter of the Mind , Penguin, New York, 1992, p. 216.

По выражению Дэвида Мермина (David Mermin), см. Physics Today , April 1989, p. 9.

Эта точка зрения близка к копенгагенской интерпретации, за тем исключением, что не настаивает на присутствии внешнего наблюдателя.

Нашим возможностям путешествовать в другие О-регионы может помешать наблюдаемое ускорение расширения Вселенной, вызванное постоянной энергией вакуума. В этом случае галактики других О-регионов будут удаляться все быстрее и быстрее, и мы никогда не сможем их догнать. Некоторые модели, однако, предсказывают, что энергия вакуума будет постепенно снижаться, как это происходило в период инфляции. В таком случае не будет никаких принципиальных ограничений на дальность путешествий.

Пример энергетического ландшафта, предназначенного для того, чтобы избежать вечной инфляции, показан на следующем рисунке (сравните с рис. 6.4).

Некоторые этические следствия новой картины мира обсуждаются в статье "Philosophical implications of inflationary cosmology" ("Философские следствия инфляционной космологии"), написанной мною в соавторстве с философом Джошуа Ноубом (Joshua Knobe) и моим коллегой по Тафтсу Кеном Оламом (Ken Olum), которая опубликована в марте 2006 года в The British Journal of the Philosophy of Science .

Согласно теории космической инфляции, ранняя Вселенная начала расширятся экспоненциально, сразу после Большого Взрыва. Космологи выдвинули данную теорию в 1981 году, для объяснения нескольких важных проблем в космологии.

Одна из таких проблем – это проблема горизонта. Предположите на минуту, что Вселенная не расширяется. А теперь представьте, что в очень ранней Вселенной был выпущен фотон, который свободно летел, до момента столкновения с Северным полюсом Земли. А теперь представьте, что в то же время был выпущен фотон, на этот раз в направлении противоположном первому. Он должен был бы удариться в Южный полюс Земли.

Могут ли два данных фотона, обменяться какой-либо информацией, происходившей во время их создания? Очевидно, что нет. Потому, что время, необходимое для передачи данных от одного фотона – другому, в этом случае составит два возраста Вселенной. Фотоны обособлены. Они находятся за пределами горизонта друг – друга.

Тем не менее, наблюдения показывают, что фотоны, приходящие с противоположных направлений, каким-то образом взаимодействовали. Так как фоновая микроволновая космическая радиация имеет практически идентичную температуру во всех точках нашего неба.

Эта проблема может быть решена, принятием предположения, что некоторое время после Большого Взрыва, Вселенная расширялась экспоненциально. До этого момента, Вселенная могла иметь казуальный контакт и уравновешенную общую температуру. Регионы, находящиеся сегодня на большом расстоянии друг от друга, в ранней Вселенной находились очень близко. Это объясняет, почему фотоны, приходящие с разных направлений, практически всегда имеют идентичную температуру.

Простая модель, позволяющая понять расширение Вселенной, — похожа на раздувание воздушного шарика. Наблюдателю, находящемуся с любой стороны от шарика, может казаться, что он находится в центре расширения, так как все соседние точки становятся дальше.
Когда шарик надувается, расстояния между объектами на поверхности шарика около е60 = 1026. Это цифра с двадцатью шестью нолями. Она превосходит нормальные политико-экономические споры о инфляции.

Квантовые флуктуации

Давайте представим, что до того как шарик начали надувать, на нем была написана надпись. Настолько маленькая, что ее нельзя было прочесть. Надувание шарика, сделало послание читаемым. Это значит, что инфляция выступает в роле микроскопа, который показывает, что было написано на первоначальном шарике.

Похожим образом, мы можем рассмотреть квантовые флуктуации, которые были образованы в начале инфляции. Расширение космоса во время эпохи инфляции выступает в роли огромного микроскопа, который показывает квантовые флуктуации. Это оставляет отпечатки в фоновом микроволновом космическом излучении (более горячие и холодные регионы) и в расширении галактик.

При использовании классической физики, эволюция инфляционной Вселенной является однородной – каждая точка пространства развивается идентично. Однако, квантовая физика вносит некоторую неопределенность в начальные условия, для различных точек пространства.

Эти вариации действуют, как семена при формировании структуры. После периода инфляции, когда колебания усилятся, распределение материи будет немного отличаться, от места к месту во Вселенной. Сила притяжения формирует более плотные области, что приводит к образованию галактик.

Инфляцио́нная моде́ль Вселе́нной (лат. inflatio «вздутие») - гипотеза о физическом состоянии и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва (при температуре выше 10 28 ), предполагающая период ускоренного по сравнению со стандартной моделью горячей Вселенной расширения.

Первый вариант теории был предложен в 1981 году Аланом Гутом , однако ключевой вклад в её создание внесли советские и экс-советские астрофизики Алексей Старобинский , Андрей Линде , Вячеслав Муханов и ряд других.

Недостатки модели горячей Вселенной

Основная статья: Проблема начальных значений

где ρ {\displaystyle \rho } - средняя плотность Вселенной .

Недостатком такой модели являются крайне высокие требования к однородности и изотропности начального состояния, отклонение от которых приводит к ряду проблем.

Проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной

Размер наблюдаемой области Вселенной l 0 {\displaystyle l_{0}} по порядку величины совпадает с хаббловским расстоянием r H = c / H 0 ≈ 10 28 {\displaystyle r_{H}=c/H_{0}\approx 10^{28}} см (где H - постоянная Хаббла), то есть в силу конечности скорости света и конечности возраста Вселенной можно наблюдать лишь области (и находящиеся в них объекты и частицы), находящиеся сейчас друг от друга на расстоянии l ≤ l 0 {\displaystyle l\leq l_{0}} . Однако в планковскую эпоху Большого взрыва расстояние между этими частицами составляло:

а размер причинно-связанной области (горизонта) определялся расстоянием:

(планковское время ( t P l a n c k ≈ 10 − 43 {\displaystyle t_{\mathrm {Planck} }\approx 10^{-43}} сек), то есть, в объёме l ′ {\displaystyle l"} содержалось ~10 90 таких планковских областей, причинная связь (взаимодействие) между которыми отсутствовала . Идентичность начальных условий в таком количестве причинно несвязанных областей представляется крайне маловероятной. Кроме того, и в более поздние эпохи Большого взрыва проблема идентичности начальных условий в причинно несвязанных областях не снимается: так, в эпоху рекомбинации, наблюдаемые сейчас фотоны реликтового излучения , приходящие к нам с близких направлений (отличающихся на угловые секунды), должны были взаимодействовать с областями первичной плазмы , между которыми, согласно стандартной модели горячей Вселенной , не успела установиться причинная связь за всё время их существования от t P l a n c k . {\displaystyle t_{\mathrm {Planck} }.} Таким образом, можно было бы ожидать существенной анизотропности реликтового излучения , однако наблюдения показывают, что оно в высокой степени изотропно (отклонения не превышают ~10 −4).

Проблема плоской Вселенной

Согласно данным наблюдений, средняя плотность Вселенной ρ {\displaystyle \rho } близка к т. н. критической плотности , при которой кривизна пространства Вселенной равна нулю. Однако, согласно расчётным данным, отклонение плотности ρ {\displaystyle \rho } от критической плотности ρ c r i t {\displaystyle \rho _{\mathrm {crit} }} со временем должно увеличиваться, и для объяснения наблюдаемой пространственной кривизны Вселенной в рамках стандартной модели горячей Вселенной приходится постулировать отклонение плотности в планковскую эпоху ρ P l a n c k {\displaystyle \rho _{\mathrm {Planck} }} от ρ c r i t {\displaystyle \rho _{\mathrm {crit} }} не более, чем на 10 −60 .

Проблема крупномасштабной структуры Вселенной

Инфляционная модель предполагает замену степенного закона расширения R (t) ∼ t 1 / 2 {\displaystyle R(t)\sim t^{1/2}} на экспоненциальный закон:

где H (t) = (1 / R) d R / d t {\displaystyle H(t)=(1/R)dR/dt} - постоянная Хаббла инфляционной стадии, в общем виде зависящая от времени.

Значение постоянной Хаббла на стадии инфляции составляет 10 42 сек −1 > H > 10 36 сек −1 , то есть гигантски превосходит её современное значение. Такой закон расширения может быть обеспечен состояниями физических полей («инфлатонного поля»), соответствующих уравнению состояния p = − ε {\displaystyle p=-\varepsilon } , то есть отрицательному давлению; эта стадия получила название инфляционной (лат. inflatio - раздувание), так как несмотря на увеличение масштабного фактора R (t) {\displaystyle R(t)} , плотность энергии ε {\displaystyle \varepsilon } остаётся постоянной.

Эпиграф:
И целого мира мало!

Могу поспорить, среди читающих эти строки нет ни одного человека, который бы ни разу в жизни не слышал о теории Большого Взрыва. Допускаю, что на Земле попадаются подобные персонажи - крестьянин из заброшенной деревушки в горах Тибета, туземец племени Тонга–Тонга, мормон из Юты, наверняка такие где–то, да встречаются. Однако если вы умеете читать, имеете доступ в Интернет и смогли, пусть случайно, зайти в этот блог - могу гарантировать, вы обязательно что–нибудь хоть краем уха, но слышали о теории Большого Взрыва.

В этом посте я расскажу о текущем научном понимании этой теории, текст получился немаленький, но обещаю, сегодня вы узнаете что–то новое, то, что раньше не знали, и даже не задумывались.

Прежде всего, забавно, но мало кто задумывался, в чем же, собственно, заключается теория Большого Взрыва? Попробуйте вот прямо сейчас покрутить в голове факты, что вы знаете о ней, а потом я изложу, как она звучит на самом деле .

Попробовали? Ну, еще 20 секунд на размышления...

Итак. Теория Большого Взрыва утверждает, что раньше наша Вселенная была маленькая и горячая, с тех пор она расширяется и остывает. Точка. Больше ничего в данной теории нет, не выдумывайте лишнего.

Удивительно, но в классической теории Большого Взрыва нет самого важного - нет собственно Большого Взрыва. Нигде не упоминается, что это был за "взрыв", что же там взорвалось, куда взорвалось, как и почему.

Следуя основному тезису, что "сначала наша Вселенная была маленькая и горячая" , можно мысленно растянуть его еще дальше (хотя обращаю внимание, это уже НЕ ЕСТЬ теория Большого Взрыва, это именно попытки растянуть границы применимости в область догадок и фантазий) и придти к предположению, что еще раньше вся Вселенная была собрана в одну точку, называемую точкой сингулярности , которая позже взорвалась по каким–то своим внутренним причинам.

Замечу, что теория Большого Взрыва ("раньше Вселенная была маленькая и горячая, а потом стала большая и холодная") сегодня не является теорией , как таковой. Можно считать, что это вполне себе научно установленный факт , подтверждаемый огромным количеством наблюдений, сегодня нет ни одного стоящего ученого, который бы сомневался в нем. Но вот насчет точки сингулярности (лежащей, повторюсь, вне пределов границ применимости теории Большого Взрыва) у ученых не только нет единого мнения, у них вообще никакого мнения нет.

Никто не имеет ни малейшего понятия, что это за "сингулярность" . Сингулярность это вообще плейсхолдер (слово–заменитель) фразы "я не знаю". То есть на вопрос "равны ли классы P и NP?", или "жив ли кот Шредингера?", или даже "как звучит хлопок одной ладони?" можно смело отвечать "Сингулярность!".
Не ошибешься.

Теория Большого Взрыва была сформулирована в 20–х годах прошлого столетия, и вот уже с тех пор целый век ученые только и занимаются тем, что пытаются понять, в чем же суть сингулярности, и нельзя ли как–нибудь от нее избавиться?

Основная проблема сингулярности - в ней происходит натуральное деление на ноль, причем в самом прямом смысле. Все формулы превращаются в чепуху, 3 становится равно 5, и одна бесконечность начинает наползать на другую. А это конец физики, конец науки, дальше живут лишь драконы–ЕГГОГи, и где–то из складок пространства ехидно подмигивает сам Всевышний.

Много разных способов, подходов и хитростей предлагалось на замену сингулярности, лучше всех покуда получилось у американского физика Алана Гута в 1981–м году. Как всегда в очередной раз напомню, наука дело коллективное, Гут, как и все предшественники, вскарабкался на плечи гигантов, но в этом коротком тексте на пальцах™ я не стану перечислять всех предшественников, коллег и оппонентов, упомяну лишь одну фамилию, того заслуживающую - Алексей Старобинский , который высказывал похожие идеи ранее, но слава первооткрывателя закрепилась именно за Аланом Гутом.

Гут предложил сделать хитрый финт ушами. Внимательно следите за руками и ушами, сейчас я покажу вам фокус. Давайте мысленно(!) достанем из всех текстов слово "сингулярность" и положим вместо него фразу "скалярное поле". Обращаю ваше внимание, на данном этапе ничего не поменялось, термин "скалярное поле" продолжает являться полным аналогом () "сингулярности", которая в свою очередь, как мы помним, лишь заменитель фразы "я не знаю".

Что это за "скалярное поле", каковы его характеристики, откуда оно появилось, что вообще, черт возьми, происходит - все так же нет ответов. Покуда "скалярное поле", или как его еще называют в английской традиции "поле инфлатонов" (потому что "инфляция" же), это лишь результат мысленного эксперимента в попытках уйти от сингулярности и придти к чему–то еще. Пока это не более чем замена шила на мыло. Но будем настоящими учеными, доведем наш мысленный эксперимент до конца, и посмотрим, что же получилось в итоге.

Итак, по Гуту, первоначальная протоВселенная была безвидна и пуста, в ней ничего не было и ничего не происходило, она была бесконечна, или как минимум очень–очень–очень большая, гораздо больше, чем современная Обозримая Вселенная , и вся она была заполнена этим самым скалярным полем , про которое нам ничего не известно, кроме того, что это какое–то поле, и что оно как ясно из названия - скалярное.

Не стану грузить читателя определением "скаляра", это не особо нужно в рамках данного поста, совсем просто и на пальцах™ можно считать, что в этом поле присутствует какая–то "напряженность" . Поле несет в себе некую энергию, как грозовая туча несет в себе готовую пролиться дождем воду.

Чем эта ситуация лучше предыдущей с сингулярностью с точки зрения физики? Да всем! Пусть мы не знаем ни одной характеристики данного поля, пусть мы понятия не имеем, что там была за напряженность и откуда она взялась, но это вам не деление на ноль! Теперь у нас есть решаемая задача, можно начать писать какие–то формулы (сами понимаете, настоящего ученого мёдом не корми, дай только каких–нибудь трехэтажных формул нафигачить), в которые возможно подставлять начальные условия и коэффициенты, делить и умножать, вычислять, что получиться в итоге, и потом сравнивать с результатами непосредственных наблюдений и экспериментов.

Да, звучит смешно и даже как–то глупо, натуральное "шило на мыло", но это оказался реальный прорыв. Это шаг вперед по сравнению с тотальным "я не знаю", начертанным на бетонной стене, это уже серьезная заявка на успех, на обход, на подкоп или хотя бы на лестницу.

Однако самое смешное, что фокус со скалярным полем у Алана Гута удался, а вот формулы как раз не заладились. Алан принес в науку идею скалярного поля и его инфляции (о механизме инфляции чуточку позже), но верно описать свои мысли сухим языком математики у него не получилось. Ряды расходились, все снова начинало делиться на ноль, короче полный провал.

И лишь через год подпритухший факел инфляционной модели высоко поднял Андрей Линде , советский ученый, временно проживающий в США и возглавляющий кафедру физики в Стэнфордском университете.

Он исправил ошибки теории Алана Гута, заставил формулы сходиться и давать предсказуемый и проверяемый результат, но попутно открыл настоящий ящик Пандоры, о котором упомяну в самом конце поста, оставлю его на сладкое.

Суть инфляционной модели Вселенной (коротенько так, образно и туманно) такова:

Мы помним, что протоВселенная, предшественница нашей Вселенной, была заполнена неким скалярным полем, о котором нам ничего не известно, кроме наличия самого поля и его "скалярности". Скалярное, не скалярное, но принципы квантовой механики никто не отменял! Вот уже сто лет, как никому, включая самого Альберта Эйнштейна, ни разу не удавалось принципы квантовой механики. Что означает, что даже если это поле изначально было однородным (а оно, в принципе, не обязательно должно быть изначально однородным), все равно со временем, под действием квантовых флуктуаций в нем таки появятся мелкие неоднородности, которые по указанию его величества Квантового Случая, могут накладываться друг на друга, образовывая неоднородности крупные.

Ну, крупные–то по квантовым меркам. Все равно это все еще милли–милли–милли–...(и еще 10 раз милли–) Джоули, метры и килограммы, ни о какой нашей Вселенной, с триллионами звезд и галактик речь пока не идет.

И тут внезапно выясняется, что поле у нас не абы какое, а весьма хитрое! В обычном поле, в котором нет трения, неоднородности просто рано или поздно "замкнутся и коротнут " сами на себя. Например возьмем известное и понятное электромагнитное поле. Если где–то возникла разность потенциалов, которая продолжает увеличиваться, то рано или поздно, но закоротит обязательно. Пробежит разряд, возникнет мини–искра (или мега–молния, если разность потенциалов была большая как в грозу) и неоднородность нивелируется.

Кстати, во–первых, внимательный читатель со звездочкой (*) , тут должен заявить, что электромагнитное поле, не есть поле скалярное, а как раз наоборот - векторное поле, причем весьма замороченное. Но в данном конкретном примере это роли вообще не играет. И в том и в том поле коротнет практически одинаково, по одному сценарию. Ну, и во–вторых, нельзя сказать, что прям непременно тут же коротнет, заряды могут накапливаться годами и даже миллионами лет. Все зависит от тысячи разных условий, но если прождать достаточно долго (например вечность), то короткое замыкание неоднородностей непременно случится. Естественно, это все не более чем аналогия, причем в этом месте не очень прямая, я лишь пытаюсь на пальцах ™ объяснить поведение непонятного скалярного поля на примере понятного электромагнитного.

Так вот, в электромагнитном поле практически нет трения , если можно так выразиться. У электронов есть конечная скорость передвижения и они испытывают прямое сопротивление среды, которое мы и называем сопротивлением электрического тока , но изменения поля передаются со скоростью самого электромагнитного поля, т.е. со скоростью света. Если отойти от темы слишком далеко, то читатель с двумя звездочками (**) должен знать, что даже полный и абсолютный вакуум имеет некий аналог "сопротивления" электромагнитным волнам, но это уже совсем глубокие дебри силы Казимира и прочих эффектов вакуумных флуктуаций, нам туда пока не стоит углубляться, хоть такие посты из серии на пальцах ™ планируются в неизвестном, но обозримом будущем.

Короче, можно сказать, что у электромагнитного поля нет внутреннего трения, или оно пренебрежимо мало. Ну, коротнуло и коротнуло в мгновение ока. Если наложить аналогию на аналогию, можно сказать, что замыкание электромагнитного поля это словно бы гора, находящаяся в области высокого потенциала, на которой лежит мячик, а область низкого потенциала это яма под горой, куда этот мячик в конце концов упадет. Так как трения почти нет, мяч несется вниз со всей скорости, фактически со скоростью света. Бац, и упал.

При падении обязательно выделится какая–то энергия, которая пойдет на нагревание окружающего пространства, земли и мячика. В случае электромагнитного поля происходит натуральный разряд поля, т.е. молния . Если дело происходило под водой (а электрические разряды могут коротить и под водой), то в этом месте образуется крохотный пузырек воздуха, когда вода распадется на составляющие ее кислород и водород. Разряд в буквальном смысле молниеносный, разность потенциалов падает быстро, пузырек воздуха получается совсем маленький.

Теперь вернемся к нашему гипотетическому скалярному полю. Так как оно все еще гипотетическое, фантазировать про него и его свойства можно как угодно. Предположим, что в этом поле существует внутреннее трение и оно очень большое. Очень–очень большое. Перекладываясь на аналогию с мячом, он будет падать с горы не в вакууме или там воздухе, а в очень вязкой и тягучей жидкости, например в подсолнечном масле или мёде.

Стало быть сила тяжести тянет мячик вниз, а сила трения мешает ему быстро падать и тянет его назад вверх. И вместо того, чтобы стремительно нестись к подножью (а мы помним, что это лишь аналогия того, как быстро разряжается неравномерность напряженности поля ), мячик плавно, практически с постоянной скоростью, т.е. почти равномерно опускается вниз. Разряжение скалярного поля ответственно за создание вакуума, т.е. нашего родимого пространства–времени, падение его потенциала словно бы надувает воздушный шарик, только вместо воздуха там вакуум, а вместо шарика - наша Вселенная. Если бы все происходило без трения, напряженность скалярного поля упала бы очень быстро и у нас получился бы маленький пузырек вакуума в огромном безбрежном океане протоВселенной. Но трение (а по сути само скалярное поле) не дает напряженности падать быстро, мешает и тянет само себя назад . Из–за этого, в то время как напряженность медленно снижается, фактически стоит на месте, "сила надувания", т.е. сила, которая распирает образующийся вакуум во все стороны остается постоянной, и продолжает накачивать с прежним усилием, не смотря на то, что размеры новорожденной Вселенной все увеличиваются и увеличиваются.

Ученые знают, а вы можете мне на слово поверить, а можете проверить и погуглить, что в данном случае у нас получается уравнение, решением которого является экспонента. Т.е. получается натуральное экспоненциальное расширение Вселенной . В миллиарды миллиардов миллиардов раз. За не очень большой, весьма короткий промежуток времени. Все зависит от того, какие коэффициенты у нас входят в экспоненту, т.е. какова была начальная напряженность скалярного поля, какова была сила трения и т.д.

Расчеты показывают, если "сила распирания" не падает со временем, за какие–то 10 –36 доли секунды новая с пылу с жару Вселенная (т.е. этот изначальный пузырек вакуума) может расшириться в 10 26 раз. Да, это на многие порядки превосходит скорость света, но тут нет никакого парадокса. Теория Относительности запрещает любой материи передвигаться в пространстве быстрее скорости света, но совсем не запрещает самому пространству (т.е. пустоте) расширяться в стороны с любой скоростью.

Выходит, что никакого Большого Взрыва как "взрыва" вовсе не было. Было быстрое, очень быстрое, взрывообразно или экспоненциально быстрое "надувание и расширение" пузырька нашей Вселенной, именно что инфляция , от английского слова inflate - "накачивать", "раздувать".

Но тут хитрый момент! Расширяется–то вакуум, т.е. абсолютная пустота, откуда же взялась вся та энергия и материя, что составляет сейчас все наши звезды, галактики и прочий контент современного космоса? И почему Вселенная была раньше горячая, чему там быть горячему, пустому вакууму что–ли?

Здесь опять сложная фиговина с зубодробильными формулами, постараюсь разъяснить ее при помощи чего бы вы думали? Аналогии на пальцах™ , ну конечно!

Вы знаете, что если у нас что–то очень быстро расширяется, то это что–то так же стремительно теряет энергию, в смысле так же быстро размазывает ее по всему расширяющемуся объему, и в каждой отдельной точке или кубометре пространства энергии становится все меньше и меньше. Это вам не хухры–мухры, это между прочим первое начало термодинамики!

У нас же получается наоборот. Если очень быстро растянуть пузырек Вселенной, он начнет мгновенно накапливать энергию. Ведь гравитационная энергия всегда идет со знаком минус. Если разнести в пространстве два тела, или, скажем, поднять тяжелый груз над поверхностью Земли, потенциальная, а следовательно и общая энергия системы увеличится ! А так как все происходит быстро (напомню, очень–очень–очень–... и еще 26 раз очень быстро), то в случае с каким–нибудь газом, например воздухом, он резко охлаждается, образует туман и находящийся в нем водяной пар выпадает в осадок, образуя натуральный снег или лед. Все видели, если открыть клапан баллона со сжиженным газом, баллон тут же покрывается инеем.

А в случае со Вселенной, наоборот температура резко повышается, случается фазовый переход и высвободившаяся энергия "выпадает в осадок" в виде собственно энергии (фотонов) и материи (электронов, протонов и прочих элементарных частиц). Вот почему по окончанию инфляции, которая начиналась не такой уж и горячей, Вселенная быстро разогревается до беспредельных энергий и температур, которые раньше считалось вырвались наружу прямо из точки сингулярности. А дальше, когда мячик долетел до дна ямы и период экспоненциального расширения закончился, все продолжается по старому сценарию классического Большого Взрыва, Вселенная расширяется, но уже не экспоненциально, а медленно так, по инерции. Но теперь все это выходит без самого Большого Взрыва и его сингулярности.

Звучит непривычно, звучит каким–то обманом, но если задуматься, все логично - увеличившаяся потенциальная энергия, энергия гравитации со знаком минус в точности компенсируется энергией кинетической, энергией движения (температурой) и энергией покоя (массой) "выпавших в осадок" частиц материи. Общая энергия Вселенной продолжает оставаться равна нулю, минус сто да плюс сто дает в результате ноль. Как минус миллиард и плюс миллиард.

Если быть до конца точным, там не совсем ровно ноль получается в итоге, ведь напряженность первоначального скалярного поля, с которого все началось, в этом месте таки упала почти до нуля. Но абсолютная величина данного падения, какие–то там доли Джоуля (или в чем там у нас измеряется напряженность поля инфлатонов? ), все равно остается в пределах пусть и крупных, но все еще квантовых эффектов. Это не идет ни в какое сравнение с трилли–миллиардами (точнее 10 50 и так далее) килограммами народившейся материи и такими же порядками запасенной гравитационной энергии. Мышь родила гору, в прямом смысле этого слова. Точнее гору и яму рядом для равновесия.

Еще раз для понятности повторю предыдущий абзац немного другими словами. Когда в результате падения напряженности скалярного поля в нем появился маленький пузырек нашего пространства–времени, т.е. обычного вакуума, это пространство–время оказывается "немножечко погнутым". Почему? Потому что именно так любая энергия влияет на пространство. Ньютон думал, что гравитация есть сила притяжения двух масс. А Эйнштейн сказал, что гравитация есть лишь гнутость пространства. Если пространство "гнутое" в нем уже запасена какая–то гравитационная энергия, даже если это пространство абсолютно пустое и в нем нет массы. Что у нас гнет пространство? Его гнет энергия (правильнее говорить - тензор энергии–импульса). Масса это тоже энергия, много энергии, но можно обойтись и вовсе без массы, вообще любая энергия гнет пространство. Когда под действием падения энергии скалярного поля "надулся маленький пузырик вакуума", в нем уже есть энергия скалярного поля, вакуум в нем уже "гнутый". Если этот пузырь быстро растянуть в стороны, гравитационная энергия резко возрастет, что вызовет "выпадение в осадок" массы, которая с одной стороны добавляет Вселенной энергии (т.к. E=mc 2) со знаком плюс, а с другой - добавляет во Вселенную гравитации этой массы со знаком минус, а значит и дальше продолжится гонка–состязание горы и мыши.

Да, напоминаю, если кто позабыл, что все это происходит в рамках мысленного эксперимента по избавлению от сингулярности! Это пока всего лишь гимнастика ума, наукой здесь еще не очень пахнет, хотя сам мысленный эксперимент - обязательный атрибут научного метода. Чтобы подняться в ранге хотя бы до гипотезы, не говоря уже о теории, нужно много пройти и многое объяснить.

Повторяю, мы все еще в процессе обмена шила на мыло. Мы никуда не ушли от непонятной первоначальной сингулярности, всего–то назвали ее немного по другому и в результате встали с ног на голову. Однако конкретные детали теории инфляционного расширения Вселенной, в отличие от классической теории Большого Взрыва, позволяют найти объяснения многим наблюдаемым феноменам (проблема начальных условий, проблема однородности и изотропности наблюдаемой Вселенной, проблема плоскости наблюдаемой Вселенной, проблема с магнитными монополями и много чего еще), перед которыми сингулярность Большого Взрыва пасовала. Это делает инфляционную модель весьма привлекательной, но совершенно не доказывает ее и не объявляет верной. В состоянии "молодой и перспективной", но "недоказанной и немного фантастической" теории инфляционная модель находилась с 80–х годов последнего века прошлого тысячелетия (это я так "30 лет назад" замысловато сказал), покуда в 2014 году не появились первые, все еще робкие, неподтвержденные и весьма косвенные улики , в смысле результаты экспериментов ее подтверждающие. А здесь уже не просто заявка, тут получается реальный успех!

Что это за эксперименты, каковы их результаты, что такое "гравитационные волны" как они связаны с инфляцией и почему их открытие тянет на нобелевскую премию, которую, я думаю, Алану Гуту и Андрею Линде таки вручат в конечном итоге, а так же все прочие технические подробности собираются в кучу и будут описаны особо, во второй части данного повествования, они тянут на полноценный отдельный пост. Здесь я лишь изложил суть инфляционной теории, остановив ее на этапе 2013 года - интересной, заманчивой, но ничем не подтвержденной.

А теперь обещанное сладкое.

Да, пока еще рано говорить с твердой уверенностью. Да, все это еще весьма вилами по воде писано, и совсем не обязательно обязано быть. Да, впереди еще долгая–предолгая дорога расчетов, ошибок и экспериментов, но.

Самая вкуснота в том, что инфляционная теория Алана Гута, а точнее как раз математические выкладки Андрея Линде подразумевают совершенно замечательную и крышесносящую штуку.

Дополнения Линде официально называются "хаотическая теория инфляции" . Центральная ее часть, сама эссенция теории говорит о том, что данные "разряды скалярного поля" просто обязаны хаотически , т.е. случайно, происходить везде и всюду в изначальной протоВселенной. А это значит, что наш конкретный Большой Взрыв (который, как мы уже знаем из текущего поста, был совсем не взрыв), приведший к образованию нашей конкретной Вселенной - лишь один разряд, отдельный конкретный пузырь образовавшегося пространства, что мы зовем нашим космосом. А вокруг не просто "может быть", а по формулам прямо–таки "обязательно" должны плавать миллиарды и миллиарды других пузырей, других вселенных. В каждой из этих вселенных (уже с маленькой буквы) скалярное поле падало/разряжалось чуточку иначе, а следовательно законы физики в этих вселенных могут существенно отличаться от наших. Звезды и галактики там могли и вовсе не образоваться, или наоборот, там могло образоваться такое, что нам и не снилось в самых диких фантазиях.

Весь этот конгломерат раздувающихся пузырей–вселенных принято называть мультивселенная , хотя сам Линде предпочитает говорить по–русски "Многоликая Вселенная". Получается, что современное научное понимание происхождения и устройства нашего мира сейчас таково:

Существует бесконечная или как минимум очень большая мультивселенная, заполненная неким скалярным полем. Как долго она существует, откуда сама появилась, каковы условия в этой мультивселенной - мы понятия не имеем. Даже на полшишечки. Но ученые довольно сильно уверены, что в некоторых местах этой мультивселенной скалярное поле начинает падать, надувая пузыри обычных вселенных и образовывая в них привычное нам пространство–время. Наш конкретный пузырь начал надуваться около 13.8 миллиардов лет назад, и скалярное поле в нашей Вселенной, кстати, никуда не делось, теперь оно находится почти в минимуме, но не равно нулю! То, что расталкивает галактики нашей Вселенной в стороны, и что мы называем Темной Энергией, это и есть то самое "скалярное поле", точнее сказать, лишь часть его. Тут между прочим должно быть несколько абзацев объясняющих, что давно искомое поле Хиггса, образованное вроде бы недавно найденным бозоном Хиггса, тоже является порождением скалярного поля, а именно его внуком, потому что между скалярным и хиггсовым есть, вернее должно бы быть , еще некое суперХиггсово поле, в которое вырождается скалярное и которое в свою очередь вырождается в хиггсово. Но это не совсем доказано, и уже совсем в сторону от нашего текущего разговора, так что, пожалуй, хватит об этом.

Вокруг пузыря нашей Вселенной находятся пузыри других вселенных, которые образуются от падения скалярного поля в тех конкретных местах. Где–то их собственный местечковый большой взрыв (тоже с маленькой буквы) только–только начинается, а где–то все уже давно закончилось, а "между" этими вселенными находится просто скалярное поле в своем высоком энергетическом состоянии. Мультивселенная становится похожа на швейцарский сыр, где сам сыр это скалярное поле, а дырки в нем - мириады и мириады вселенных, одна из которых наша.

Можно ли пробурить тоннели сквозь это скалярное поле, чтобы попасть в другие "параллельные" вселенные? Неизвестно.
Как далеко от нашего пузыря до соседнего, и можно ли пробраться туда через высшие измерения? Неизвестно.
Существуют ли они вообще в действительности эти другие вселенные вокруг нашей или все это лишь фантазии? Неизвестно, но теперь в науке этому есть очень сильная уверенность.

Разве не замечательно?

UPD: Продолжение поста читайте в статье .