Старая и новая инфляция

В 1980 году несколько физиков и астрофизиков начали независимо друг от друга разрабатывать сценарий развития ранней Вселенной, который должен был в конечном итоге представить возможное решение проблем, связанных с общепринятой моделью Большого взрыва. В том же году, 11 января, российский физик Алексей Старобинский, работавший со Стивеном Хокингом в Кембридже, отправил в журнал Physics Letters статью, в которой доказывал, что квантовые эффекты в ранней Вселенной могли привести к появлению пространства де Ситтера, а значит, к экспоненциальному расширению Вселенной, называемому теперь инфляцией.

В 1970 году Хокинг и Роджер Пенроуз применили общую теорию относительности, чтобы доказать, что наша Вселенная вначале представляла собой сингулярность, бесконечно малую точку бесконечно высокой плотности^{241}. С тех пор этот вывод используется богословами в качестве доказательства того, что наша Вселенная имела начало и, хотя это и не является следствием, что у нее должен был быть единоличный Творец^{242}. Старобинский доказал, а Хокинг и Пенроуз согласились, что квантовые эффекты в ранней Вселенной уничтожили сингулярность. Общая теория относительности не относится к квантовым теориям и перестает действовать на расстояниях меньше планковской длины — 10^-35 м^{243}.

5 мая 1980 года знакомый астрофизик Демосфен Казанас из Центра космических полетов имени Годдарда отправил в Astrophysical Journal статью, озаглавленную «Динамика Вселенной и спонтанное нарушение симметрии»^{244}. В ней он утверждает, что фазовый переход в ранней Вселенной, связанный со спонтанным нарушением симметрии, приведет к экспоненциальному расширению, которое может объяснить наблюдаемую изотропность Вселенной. Я считаю, что это была первая опубликованная работа, прямым текстом признающая экспоненциальное расширение в качестве решения одной из главных проблем с общепринятой моделью Большого взрыва, а именно проблемы горизонта.

9 сентября 1980 года японский физик Кацухико Сато отправил в «Ежемесячный обзор Королевского астрономического общества» (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) статью, в которой также доказывал, что фазовый переход первого рода может привести к экспоненциальному расширению Вселенной^{245}. Он предположил, что происхождение галактик может объясняться флуктуациями, но не упомянул другие проблемы, связанные с моделью Большого взрыва.

Однако решающей работой по инфляционной теории стала статья, отправленная в Physical Review 1 августа 1980 года физиком Аланом Гутом, в ту пору получившим докторскую степень и занимавшимся исследованиями на Стэнфордском линейном ускорителе^{246}. Гут осознал всю значимость раннего периода экспоненциального расширения Вселенной, подчеркнув, каким образом это решает проблемы горизонта и плоской Вселенной, а также предложил возможное решение проблемы монополей.

Как вскоре понял Гут, проблемы плоской Вселенной и горизонта, вне всяких сомнений, были самыми важными. Любая из них могла опровергнуть модель Большого взрыва, если для нее не найдется возможного решения. В то же время проблема магнитных монополей не была критически важной. Магнитные монополи не существуют ни в классической, ни в квантовой электродинамике, и ни один монополь так и не удалось зарегистрировать в природе. В лучшем случае они добавляют симметрии электричеству и магнетизму, однако их существование требуется только в рамках теорий великого объединения.

В своей замечательной популярной книге «Инфляционная Вселенная» (The Inflationary Universe)^{247}, вышедшей в 1997 году, Гут рассказывает, как проблема монополя подтолкнула его к идее инфляционной модели Вселенной, и признает, что в то время он мало знал о космологии. О проблеме горизонта он впервые услышал в декабре 1979 года. Но он быстро учился и ко времени написания работы полностью осознавал всю глубину значимости как проблемы плоской Вселенной, так и проблемы горизонта.

В этой книге Гут прекрасно объясняет свою оригинальную модель, но и он, и остальные вскоре поняли, что она требует корректировки. Вместо того чтобы приводить здесь эту весьма сложную для понимания неспециалистом историю, я просто скажу, что экспоненциальная инфляция Вселенной является естественным следствием из общей теории относительности.

Если записать уравнения Фридмана для де-ситтеровской Вселенной с положительной космологической постоянной, достаточно математики на уровне первого курса, чтобы доказать, что решение представляет собой экспоненциальное расширение. Независимо от конкретной модели, теория инфляционного расширения решает проблемы плоской Вселенной, горизонта и монополей, а также закладывает основы для решения проблемы структуры.

Проблема плоской Вселенной решена

Вспомните, в главе 8 я описывал расширяющееся трехмерное пространство с помощью традиционной аналогии расширяющейся двухмерной поверхности надувающегося шарика[17]. Представьте себе шарик, который вначале имеет небольшие размеры, но затем расширяется на много порядков. Отдельные маленькие участки его поверхности станут очень плоскими. Вселенная, находящаяся в пределах нашего светового горизонта, подобна этому маленькому участку, который вследствие инфляции действительно стал очень плоским.

Сейчас это принято трактовать таким образом: Вселенная имеет ? = 1, то есть плотность р в точности равна критическому значению ?_c, для которого действует геометрия Евклида. Вспомним, что в этом случае космологический коэффициент кривизны k = 0. Текущее экспериментально определенное значение ? = 1,002 ± 0,011. Если ? будет лишь совсем немного меньше, чем ?_c, скажем на 1/10¹⁰⁰, то наша Вселенная будет иметь небольшую отрицательную кривизну k = -1, а также будет бесконечно расширяться.

В то же время, если ? хотя бы чуть-чуть больше, чем ?_c, скажем на 1/10¹⁰⁰, наша Вселенная будет иметь небольшую положительную кривизну k = +1. В классической космологии, когда космологическая постоянная принималась за ноль, k = +1 означало «закрытую Вселенную», которая однажды схлопнется в ходе Большого сжатия. Однако, как мы вскоре увидим, даже «закрытая Вселенная», в которой действует положительная космологическая постоянная, продолжит расширяться.

Позже станет ясно, что модель, в которой k = +1, заключает в себе вполне правдоподобный механизм происхождения нашей Вселенной, полностью согласующийся с имеющимися данными и разработанный сугубо математическим путем.

Ранее в этой главе я упомянул, что христианские апологеты Динеш Д'Суза, Уильям Лейн Крейг и другие цитируют Стивена Хокинга, пишущего, что скорость расширения Вселенной точно равняется «одной на сто тысяч миллионов миллионов». Это цитата из «Краткой истории времени», глава 8. Однако они просто проигнорировали объяснение, которое Хокинг дал спустя всего несколько страниц:

«Кроме того, скорость расширения Вселенной стала бы автоматически очень близка к критическому значению, определяемому плотностью энергии во Вселенной. Тогда такую близость скорости расширения к критической можно было бы объяснить, не делая предположения о тщательном выборе начальной скорости расширения Вселенной»^{248}.

Иными словами, инфляционная модель Вселенной объясняет тот факт, что скорость расширения Вселенной равняется критической скорости с точностью до 60 знаков после запятой.

Проблема горизонта решена

Проблема горизонта вытекает из факта высокой однородности реликтового излучения в разных частях неба с одинаковыми спектром черного тела и температурой. Как можно увидеть на рис. 12.1, фотоны, наблюдаемые в противоположных частях неба, согласно модели Большого взрыва, в которой хаббловское расширение экстраполировали назад во времени до рождения Вселенной, никогда не имели причинной связи.

Как показано на рис. 12.2, инфляционная модель решает эту проблему. В период времени после рождения Вселенной, но до начала ее инфляционного расширения точки A и B находились ближе друг к другу, и таким образом между ними установилось тепловое квазиравновесие. Инфляция Вселенной увеличила расстояние между ними на множество порядков, так что фотоны, идущие из этих точек, сегодня формируют взаимосвязанные сигналы, идущие с противоположных сторон небосвода.

Рис. 12.2. Как инфляционная модель решает проблему горизонта. Флуктуация в небольшой области пространства посылает фотоны в противоположных направлениях. Инфляция увеличивает расстояние между ними, так что они формируют взаимосвязанные сигналы, идущие с противоположных сторон небосвода. Авторская иллюстрация

Проблема монополий решена

Как уже упоминалось, Гут пришел к идее об инфляционном расширении Вселенной, пытаясь решить проблему монополей в рамках ТВО. Однако, поскольку монополи все равно до сих пор никем не наблюдались, это исключительно теоретическая проблема, связанная с теориями Великого объединения. Провал попытки экспериментально обнаружить монополи мог опровергнуть ТВО в случае невозможности найти решение, однако модели Большого взрыва он бы не повредил.

Гут не утверждал в своей оригинальной работе, что решил проблему монополей, однако он предложил ее возможное решение. Гут и его коллега Генри Тай пришли к мысли, что произошло сверхохлаждение, отодвинувшее завершение фазового перехода ТВО и нуклеацию монополей. Сверхохлаждение и сверхнагревание — явления, хорошо известные как в термодинамике, так и в повседневной жизни, по сути представляющие собой наиболее распространенные виды фазовых переходов, называемых фазовыми переходами первого рода. На знакомом примере это можно объяснить так: когда вы нагреваете воду, она не сразу превращается в пар, но вначале формирует пузырьки. Нужно много времени, чтобы вся вода превратилась в пар. Если поставить в микроволновку чашку очень чистой воды, вы сможете нагреть ее свыше точки кипения, не вскипятив, — это и есть сверхнагревание. Затем, если ее потревожить, например тронув чашку, вся вода одновременно превратится в пар (осторожнее, из-за этого явления люди получали серьезные ожоги). Аналогично, если вы охладите воду до температуры ниже точки замерзания, нуклеация кристаллов льда произойдет, если в воде присутствует какая-то примесь, способная стать центром кристаллизации. Но если вода очень чиста, происходит гомогенная нуклеация и образуется однородный кусок льда, похожий на стекло.

На тот момент ученые уже установили, что фазовый переход ТВО определенно был переходом первого рода. Пузырьки фазы ТВО, образовавшиеся во время фазового перехода, не образуют монополи моментально, поскольку поля остаются перемешанными, пока температура не опустится достаточно низко. Гут и Тай предположили, что за время фазы суперохлаждения эти «пузырьки» расширятся достаточно для того, чтобы, когда монополи наконец образуются, они были очень сильно рассредоточены.

Вначале Гут предполагал, что наша Вселенная сформировалась, когда пузырьки столкнулись и их энергия, сконцентрированная в стенках, превратилась в частицы. Но расчеты Гута и Эрика Вайнберга показали: поскольку пространство между пузырями продолжало расширяться, они никогда не смогли бы сформировать единую массу, но вместо этого образовали отдельные скопления^{249}. Они рассмотрели возможность того, что Вселенная находилась внутри одного такого пузыря, однако предварительно сделали вывод, что он был бы слишком пустым, чтобы походить на какую-либо существующую Вселенную^{250}.

Но это так только в случае модели Гута — Вайнберга. Выбрать модель, не имея никаких экспериментальных данных, можно только путем догадок, пусть и основанных на научных знаниях. В то же самое время российский физик Андрей Линде^{251} и американские физики Андреас Альбрехт и Пол Стейнхардт^{252} предложили собственные модели. Эти модели доказывали возможность того, что наша Вселенная образовалась из одного такого пузырька. Они получили название новых инфляционных моделей. Их я также не буду описывать подробнее, поскольку Линде вскоре предложил идею получше.