Космологические коаны. Путешествие в самое сердце физической реальности - Энтони Агирре Страница 64

СФЕРЫ, прекрасно учитывает раннюю стадию развития той вселенной, которую мы можем наблюдать. В первом варианте инфляционной модели за невероятно короткое время порядка 10-36 секунд пространство увеличивалось вдвое примерно 85 раз подряд. При этом росла небесная сфера, ограничивающая доступную для наблюдения вселенную, а ее размер увеличился от триллионной доли радиуса протона до размера медного шара Али (внутри которого находимся мы, разглядывающие прошлое и будущее). Что ответственно за это расширение, и почему оно происходит так быстро?

На сегодняшний день это проще всего объяснить, постулировав, что в течение какого-то периода времени в космической среде преобладала энергия вакуума, то есть энергия, присущая пространству в отсутствие частиц или волн. Это странная идея. Мы привыкли, что энергия возникает благодаря частицам, волнам и их взаимодействию. Но давайте рассмотрим фотон. Он имеет свойства как частицы, так и волны, однако в любом случае фотон — только возмущение электромагнитного поля. Это электромагнитная волна, но, когда энергия такой волны принимает дискретные значения и проявляются другие свойства частиц, то мы называем фотон частицей. Когда мы говорим «нет фотона», мы имеем в виду, что нет возбуждений электромагнитного поля — колебания электромагнитного поля вообще отсутствуют. Но само поле по-прежнему есть! То же самое справедливо и для других частиц: электрон — возбуждение электронного поля, а другие частицы — возбуждения других полей. Поэтому «пустое пространство», в котором отсутствуют фотоны, электроны, протоны и т. д., на самом деле означает отсутствие возбуждений соответствующих полей, хотя сами поля есть! И точно так же, как спокойная вода может обладать большой массой, поле даже в невозбужденном состоянии может нести энергию. На самом деле нет особо веских причин полагать, что в невозбужденном состоянии какое-либо из известных нам полей обладает равной нулю энергией (не считая того, что эмпирически мы знаем — эта энергия достаточно мала)[103].

Основное отличие энергии вакуума состоит в следующем: если, растягивая, увеличивать объем пространства, плотность энергии вакуума остается постоянной. Иначе говоря, чем больше объем пространства, тем больше запасено в нем энергии. Оказывается, это как раз то, что надо: применяя к такому веществу уравнения Эйнштейна, можно показать, что именно это свойство обуславливает «расталкивание» объектов в пространстве-времени и является причиной его экспоненциального расширения. Итак, космологи, отдающие предпочтение модели инфляции, полагают, что вначале поведение космической среды определялось главным образом энергией вакуума какого-то поля. К сожалению, хотя известные нам в природе поля и способны нести энергию вакуума, на самом деле ни одно из них нужными свойствами не обладает. Поэтому, чтобы все сошлось, необходимо ввести новое поле, получившее название инфлатон. На самом раннем этапе энергия вакуума такого поля должна была быть велика настолько, чтобы требуемая инфляция космического объема привела к почти (но не совсем!) однородной постинфляционной вселенной.

Однако и тут есть загвоздка. Если поле инфлатона обладает такой большой энергией вакуума, почему мы ее не видим? Куда она делась? Пространство-время, заполненное такой энергией вакуума, должно было бы всегда экспоненциально расширяться, и с ним не происходило бы ничего интересного. Это значит, что для того, чтобы стать составной частью космологии, поле инфлатона должно эволюционировать так, чтобы в какой-то момент плотность энергии вакуума могла исчезнуть или перейти в какие-нибудь другие формы энергии. Действительно, те варианты теории инфляции, к которым космологи относятся серьезно, включают в себя механизм, позволяющий энергии вакуума одновременно и эволюционировать так, что в настоящий момент она практически равна нулю, и превращаться в энергию других частиц и полей, которые мы знаем и любим. На этой более поздней стадии энергия вакуума превращается в невероятно горячий и почти однородный резервуар фотонов и других частиц — именно в тот космический файербол, с которого начинается космология большого взрыва. С этой точки зрения большой взрыв, если мы используем данное понятие для описания горячего, плотного и почти однородного состояния сгустка материи (то есть файербола), скорее не начало Вселенной, а конец инфляции и начало нашей локальной постинфляционной вселенной, напоминающей ту, которая образовалась бы в результате большого взрыва.

Но есть еще одна проблема. Оказывается, очень сложно организовать все так, чтобы во всей расширяющейся вселенной инфляция остановилась одновременно (и не важно, как мы определяем, что значит «одновременно»). Сбой может произойти из-за того, что ответственный за остановку инфляции физический процесс — это процесс случайный и идущий по-разному в разных местах. Или, даже если прекращение инфляции везде происходит одинаково, те же квантовые флуктуации, которым обязана своим существованием постинфляционная неоднородность, приведут и к изменениям самого процесса инфляции, включая момент его окончания.

Это может показаться не таким уж важным, но на самом деле возможность «сбоя» приводит к фундаментальному пересмотру наших представлений о крупномасштабной структуре Вселенной.

Присмотримся повнимательнее к плавучему лотосовому саду на озере Дал, площадь которого удваивается каждую неделю. Садовник усердно старается разными способами избавиться от растений. Давайте предположим, что, перебрав в отчаянии самые разные возможности, он наконец понимает, как ему каждую неделю уничтожать четверть лотосов. И действительно, поначалу это позволяет достаточно быстро взять ситуацию под контроль. Но представьте себе, что лотосы занимают 4 квадратных метра. Садовник за неделю уничтожит 1 квадратный метр, однако за эту же неделю оставшиеся 3 квадратных метра удвоятся и превратятся в 6 квадратных метров. В следующую неделю, работая еще старательнее, садовник избавится от одной четверти растений, то есть освободит 1,5 квадратных метра, но оставшиеся растения удвоят занятую ими площадь, которая теперь достигнет примерно 10 квадратных метров. Несчастный садовник опять столкнется все с тем же, идущим вопреки всем его усилиям, экспоненциальным ростом. Ему удается только немного замедлить процесс.

То же происходит при инфляции. Если за время удвоения объема пространства какой-то процесс может остановить инфляцию в объеме, который меньше половины объема расширяющегося пространства, инфляция никогда не кончится. Такой сценарий вполне возможен. Один из хорошо изученных механизмов окончания инфляции связан с образованием «пузыря» (буквально — маленького шарика), где инфляции нет. Благодаря квантовым процессам такой пузырек может появиться спонтанно, а потом он начинает расти, «поедая» расширяющийся (тот, где идет инфляция) объем снаружи. Однако, хотя пузырь и растет, можно показать, что он в состоянии поглотить только фиксированную часть того пространства, где происходит инфляция. Таким образом, точно так же, как покрытая лотосами часть озера, инфлирующий объем продолжает увеличиваться экспоненциально — разве что чуть медленнее, чем в отсутствие процесса образования пузырей остановки инфляции. И в точности, как на озере, области, где идет инфляция, и те, где ее нет, образуют со временем сложную структуру[104] разных состояний пространства-времени (рис. на