Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Инфляция

Как мы уже отмечали, в самые первые мгновения истории космоса Вселенная вступила в короткую, но напряженную фазу невероятно быстрого расширения. По окончании этого периода расширения, происходившего со скоростями, превышающими скорость света, размер Вселенной увеличился в огромное число раз: возможно, в миллион триллионов триллионов (1030). По завершении этой, хотя и короткой, но изменившей Вселенную, эпохи космос немного успокоился, перейдя в состояние более монотонного расширения. Как и почему произошла эта инфляция?

Расширение Вселенной, распространенность легких элементов и существование поля космического фонового излучения объясняет традиционная теория Большого взрыва. Эта теория обладает еще одним преимуществом: она очень проста и изящна математически. Однако в своем первоначальном виде теория Большого взрыва не дает полного объяснения Вселенной. К счастью, многие из оставшихся свойств нашей Вселенной, а именно: ее большой размер, ее плоскостность и крайнюю однородность, — можно объяснить с помощью всего одной модификации. Эту дополнительную теорию, носящую название теории инфляции, выдвинул Алан Гус, который сейчас работает профессором в МТИ. Его плодотворный труд — The Inflationary Universe («Инфляционная Вселенная») — произвел переворот в космологических исследованиях.

Процесс инфляции легко объясняет, почему наша Вселенная такая большая и такая однородная. Инфляция также приводит геометрию пространства-времени к той степени плоскостности, которую мы наблюдаем сегодня в космосе. Основная идея инфляции проста: в очень ранний момент своей истории размер Вселенной внезапно увеличился в огромное число раз. Чтобы эволюционировать во Вселенную, напоминающую нашу собственную, со свойствами, которые мы наблюдаем сегодня, первичная Вселенная должна была увеличиться, как минимум, в 1028 раз. Чтобы хоть как-то представить себе всю необъятность этого числа, вспомните, что размер современной видимой Вселенной составляет около 1028 сантиметров. Так что инфляция подобна раздуванию одной гальки до размеров всей нашей видимой Вселенной, или даже больше, за крошечную долю секунды. Такое крайне быстрое расширение происходит, если в общей плотности энергии Вселенной доминирует плотность энергии вакуума. Этот достаточно таинственный тип энергии обладает любопытным свойством отрицательного давления. Если в общей энергии Вселенной доминирует энергия вакуума, отрицательное давление будет стимулировать постоянное увеличение скорости расширения. Это ускоряющееся расширение может раздуть Вселенную в огромное количество раз, которое необходимо, чтобы объяснить ее свойства.

На первый взгляд, концепция плотности энергии вакуума выглядит как терминологическое противоречие. Мы привыкли считать, что вакуум — это абсолютная пустота. Как же может нечто, будто бы пустое, вообще иметь энергию, не говоря уже о преобладании плотности этой энергии над всей остальной энергией Вселенной? На фундаментальном уровне вакуум должен подчиняться квантово-механическому описанию, а это означает, что на самом деле вакуум совсем не пуст. Вакуумом правит принцип неопределенности Гейзенберга, который назван в честь Вернера Гейзенберга, пионера квантовой механики. Эта фундаментальная концепция квантовой механики возникает из-за волновой природы физической реальности на малых расстояниях и приводит к возможности существования энергии вакуума.

Рассмотрим, например, электрон. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что невозможно одновременно измерить как импульс частицы, так и ее положение с произвольно высокой степенью точности. Поскольку нельзя точно измерить одновременно импульс и положение, неопределенности в значениях этих величин невозможно свести к минимуму в одно и то же время. Другими словами, сумма неопределенностей должна превышать некоторое число, обыкновенно обозначаемое h. Величина h — это фундаментальная постоянная природы, называемая постоянной Планка. Аналогичный закон гласит, что невозможно одновременно свести к минимуму неопределенность в измерении энергии и неопределенность в измерении времени. Из этого принципа неопределенности следует одна важная вещь: в природе закон сохранения энергии может нарушаться при условии, что сей криминальный акт несохранения происходит в течение достаточно короткого времени.

Постоянная h почти исчезающе мала, если ее рассматривать с перспективы повседневной жизни. Наблюдая за машиной, едущей по улице, вы без проблем можете определить как ее положение, так и ее скорость. Внутренняя неопределенность, связанная с принципом Гейзенберга, никак не влияет на стремление к точности при обычных измерениях (порядка одного дюйма при определении положения машины и одной мили в час при определении скорости).

Принцип неопределенности имеет важные следствия для концепции вакуума. С точки зрения квантовой механики, вакуум, в действительности, не может быть пустым. Вообразите область пространства, лишенную вещества, область, которую в обычных условиях мы сочли бы «пустой». Из-за принципа неопределенности это якобы пустое пространство заполнено частицами, которые рождаются и почти мгновенно умирают. Энергия, необходимая для образования таких частиц, берется из вакуума и быстро возвращается назад, после того как частицы аннигилируют друг с другом и вновь возвращаются в ничто. Эти частицы называют виртуальными, потому что у них нет реальной жизни. Время их жизни «взято взаймы», и они всегда аннигилируют сразу же после своего спонтанного появления из вакуума. Из-за спонтанного образования этих виртуальных частиц пространство, пустое во всех других отношениях, кишит этими призрачными объектами. И эти виртуальные частицы могут наделять вакуум реальной энергией, которой, в противном случае, он не имел бы. Таким образом, квантовое поведение естественным образом приводит к тому, что пустое пространство может обладать энергией.

Однако вакуум может не только обладать плотностью энергии, но и достигать различных энергетических уровней. Чтобы в самые первые мгновения Вселенная пережила инфляцию, необходимо, чтобы вакуум находился в состоянии достаточно высокой энергии. Но эта энергия вакуума значительно больше, чем его энергетический уровень в современной Вселенной. В настоящий момент вакуум не играет преобладающей роли в динамике Вселенной; в противном случае Вселенная расширялась бы совсем не так, как сейчас. Таким образом, чтобы работал инфляционный сценарий развития Вселенной, плотность энергии ее вакуума должна быть невероятно большой в ранний период ее истории и очень малой (или нулевой) сейчас. Однако если в настоящее время энергия вакуума не равна нулю, это будет иметь поразительные следствия в будущем, что мы увидим позднее.

В ранний период существования Вселенной, когда фоновая температура достаточно высока, вследствие чего сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия едины, во Вселенной может преобладать плотность энергии вакуума. Когда имеет место такое господство вакуума, Вселенная входит в фазу инфляции и быстро расширяется. Если результирующая инфляционная фаза расширения длится достаточно долго, Вселенная может расшириться в магические 1028 раз — число, необходимое, чтобы создать нашу современную Вселенную, или даже много больше.

Энергия вакуума может захватить господство во Вселенной различными способами. Многие теории частиц говорят о том, что в природе существуют так называемые скалярные поля. Эти квантово-механические поля в определенном смысле аналогичны электрическому потенциалу, порождающему гораздо более знакомую нам электрическую силу. Однако скалярные поля могут иметь действительно очень высокую энергию, значение которой намного превышает энергии, исследуемые в современных ускорителях частиц. В результате эти скалярные поля остаются чисто теоретическим построением, т. к. пока еще не придумали прямых экспериментов, которые могли бы подтвердить их существование. Потенциальные энергии скалярных полей могут сделать немыслимо большой вклад в энергию вакуума, настолько огромный, чтобы преобладать над плотностью энергии других областей Вселенной в очень ранние моменты времени. Например, при плотности энергии, связанной с великим объединением сил, в кубическом сантиметре вакуума содержалось бы больше энергии, чем во всей современной видимой Вселенной!

Большое значение энергии, связанной с вакуумом, очень сильно влияет на расширение Вселенной. Как свидетельствует знаменитая формула Эйнштейна Е = mc2, энергия эквивалентна массе, значит, эти огромные энергии вакуума должны создавать соразмерно огромные гравитационные эффекты. Высокое значение энергии предполагает большое количество массы, которая стягивает вещество и, как правило, не ускоряет расширение, а замедляет его. Однако у энергии вакуума имеется одно любопытное свойство — отрицательное давление. Это отрицательное давление больше массы-энергии, вследствие чего его действие стимулирует расширение. И хотя обычно мы не задумываемся о том, что давление имеет гравитационный эффект, этого, тем не менее, требует общая теория относительности. Обычное положительное давление направлено наружу, тогда как его гравитационное действие — вовнутрь. Гравитация же отрицательного давления действует от центра к поверхности, но ведь именно такое поведение заставляет Вселенную расширяться с возрастающей скоростью. В итоге это колоссальное отрицательное давление за крошечную долю секунды раздувает Вселенную до чудовищных размеров. По мере завершения этого процесса инфляции космос приобретает присущие ему свойства плоскостности и однородности, которые мы наблюдаем сегодня.