Модели возникновения вселенной

  К сожалению, после распада ложного  вакуума в модели Гуса Вселенная  оказывалась либо очень неоднородной, либо пустой. Дело в том, что распад ложного вакуума, как кипение  воды в чайнике, происходил за счет образования пузырьков новой фазы. Для того чтобы выделяемая при этом энергия перешла в тепловую энергию Вселенной, необходимо было столкновение стенок огромных пузырей, а это должно было бы приводить к нарушению однородности и изотропности Вселенной после инфляции, что противоречит поставленной задаче.

  Несмотря  на то, что модель Гуса не работала, она стимулировала разработку новых  сценариев раздувающейся Вселенной.

  Новая инфляционная теория

  В середине 1981 г. Линде предложил первый вариант нового сценария раздувающейся  Вселенной, основывающийся на более  детальном анализе фазовых переходов  в модели Великого объединения. Он пришел к выводу, что в некоторых теориях  экспоненциальное расширение не заканчивается  сразу после образования пузырьков, так что инфляция может идти не только до фазового перехода с образованием пузырьков, но и после, уже внутри них. В рамках этого сценария наблюдаемая  часть Вселенной считается содержащейся внутри одного пузырька.

  Новый сценарий содержал два ключевых момента: во-первых, свойства физического состояния  внутри пузырьков должен меняться медленно, чтобы обеспечивалось раздувание внутри пузырька; во-вторых, на более поздних  стадиях должны происходить процессы, обеспечивающие разогрев Вселенной  после фазового перехода. Спустя год исследователь пересмотрел свой подход, предложенный в новой инфляционной теории, и пришел к выводу, что фазовые переходы вообще не нужны, равно как переохлаждение и ложный вакуум, с которого начинал Алан Гус. Это был эмоциональный шок, т. к. предстояло отказаться от считавшихся истинными представлений о горячей Вселенной, фазовых переходах и переохлаждении. Необходимо было найти новый способ решения проблемы. Тогда была выдвинута теория хаотической инфляции.

  Хаотическая инфляция

  Идея, лежащая в основе теории хаотической  инфляции Линде, очень проста, но для  того чтобы ее объяснить, нужно ввести понятие скалярного поля. Существуют направленные поля — электромагнитное, электрическое, магнитное, гравитационное, но может быть по крайней мере еще одно — скалярное, которое никуда не направлено, а представляет собой просто функцию координат.

  Самым близким (хотя и не точным) аналогом скалярного поля является электростатический потенциал. Считается, что без полей такого типа очень трудно создать реалистичную теорию элементарных частиц. В последние годы были обнаружены практически все частицы, предсказанные теорией электрослабых взаимодействий, кроме скалярной. Поиск таких частиц — одна из основных целей огромного ускорителя, строящегося сейчас в ЦЕРНе, Шейцария.

  Скалярное поле присутствовало практически во всех инфляционных сценариях. Гус предложил  использовать потенциал с несколькими  глубокими минимумами. Новой инфляционной теории Линде требовался потенциал  с почти плоской вершиной, но позже, в сценарии хаотической инфляции, оказалось, что достаточно взять  обычную параболу, и все срабатывает.

  Рисунок.

  Маленькое поле ничего не будет знать про  Вселенную и станет колебаться вблизи своего минимума. Однако если поле будет  достаточно велико, то оно будет  скатываться вниз очень медленно, разгоняя Вселенную за счет своей  энергии. В свою очередь, скорость движения Вселенной (а не какие-либо частицы) будет затормаживать падение  скалярного поля.

  Таким образом, большое скалярное поле приводит к большой скорости расширения Вселенной. Большая скорость расширения Вселенной мешает полю спадать и  тем самым не дает плотности потенциальной  энергии уменьшаться. А большая  плотность энергии продолжает разгонять  Вселенную со все большей скоростью. Этот самоподдерживающийся режим и приводит к инфляции, экспоненциально быстрому раздуванию Вселенной.

  Раньше  считалось, что Вселенная была горячей  с самого начала. К этому выводу приходили, изучая микроволновое излучение, которое интерпретировали как следствие  Большого взрыва и последующего остывания. Затем стали думать, что сначала  Вселенная была горячей, потом произошла  инфляция, и после нее Вселенная  вновь стала горячей. Однако, в теории хаотической инфляции первая горячая стадия оказалась ненужной. Но зачем нам понадобилась стадия инфляции, если в конце этой стадии Вселенная все равно стала горячей, как и в старой теории Большого взрыва?

  Экспоненциальное  расширение

  Есть  три простейшие модели Вселенной: плоская, открытая и замкнутая. Плоская Вселенная похожа на поверхность ровного стола; параллельные линии в такой Вселенной всегда остаются параллельными. Открытая Вселенная похожа на поверхность гиперболоида, а замкнутая Вселенная похожа на поверхность шара. Параллельные линии в такой Вселенной пересекаются на ее северном и южном полюсах.

  Предположим, что мы живем в замкнутой Вселенной, которая сначала была маленькой  как шарик. По теории Большого взрыва, она вырастала до порядочных размеров, но все равно оставалась относительно небольшой. А согласно инфляционной теории, крошечный шарик в результате экспоненциального взрыва за очень  короткое время стал огромным. Находясь на нем, наблюдатель увидел бы плоскую  поверхность.

  Представим  себе Гималаи, где существует множество  различных уступов, расщелин, пропастей, ложбин, каменных глыб, т. е. неоднородностей. Но вдруг кто-то или что-то совершенно невероятным образом увеличил горы до гигантских размеров, или мы уменьшились, как Алиса в Стране чудес. Тогда, находясь на вершине Эвереста, мы увидим, что она совершенно плоская — ее как бы растянули, и неоднородности перестали иметь какое-либо значение. Горы остались, но для того чтобы подняться хотя бы на один метр, нужно уйти невероятно далеко. Таким образом, может быть решена проблема однородности. Этим же объясняется, почему Вселенная плоская, почему параллельные линии не пересекаются и почему не существуют монополи. Параллельные линии могут пересекаться, и монополи могут существовать, но только так далеко от нас, что мы не можем этого увидеть.

  Возникновение галактик

  Маленькая Вселенная стала колоссальной, и  все стало однородным. Но как же быть с галактиками? Оказалось, что в ходе экспоненциального расширения Вселенной маленькие квантовые флуктуации, существующие всегда, даже в пустом пространстве, из-за квантово-механического принципа неопределенности, растягивались до колоссальных размеров и превращались в галактики. Согласно инфляционной теории, галактики — это результат усиления квантовых флуктуаций, т. е. усиленный и замерзший квантовый шум.

  Впервые на эту поразительную возможность  указали сотрудники ФИАН Вячеслав Федорович  Муханов и Геннадий Васильевич Чибисов в работе, основанной на модели, предложенной в 1979 г. Старобинским. Вскоре после этого, аналогичный механизм был обнаружен в новом инфляционном сценарии и в теории хаотической инфляции.

  Небо  в крапинку

  Квантовые флуктуации приводили не только к  рождению галактик, но и к возникновению  анизотропии реликтового излучения  с температурой примерно 2,7 К, приходящего к нам из дальних областей Вселенной.

  Исследовать реликтовое излучение ученым помогают современные искусственные спутники Земли. Самые ценные данные удалось  получить с помощью космического зонда WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), названного так в честь астрофизика Дэвида Уилкинсона (David Wilkinson). Разрешающая способность его аппаратуры в 30 раз больше, чем у его предшественника — космического аппарата COBE.

  Ранее считалось, что температура неба всюду равна 2,7 К, однако WMAP смог измерить ее с точностью до 10–5 К с высокой угловой разрешающей способностью. Согласно данным, полученным за первые 3 года наблюдений, небо оказалось неоднородным: где-то горячее, а где-то холоднее. Простейшие модели инфляционной теории предсказали рябь на небе. Но пока телескопы не зафиксировали его пятнистость, наблюдалось только трехградусное излучение, служившее мощнейшим подтверждением теории горячей Вселенной. Теперь же выяснилось, что теории горячей Вселенной не хватает.

  Удалось получить фотографии раздутых квантовых  флуктуаций, которые появились спустя 10–30 с после рождения мироздания и сохранились до наших дней. Исследователи  не только обнаружили пятнистость неба, но и изучили спектр пятен, т. е. интенсивность  сигнала на разных угловых направлениях.

  Результаты  проведенных с помощью WMAP высокоточных измерений поляризации излучения  подтвердили теорию расширения Вселенной  и позволили установить, когда  произошла ионизация межгалактического  газа, вызванная самыми первыми звездами. Полученная со спутника информация подтвердила  положение инфляционной теории о  том, что мы живем в большой  плоской Вселенной.

  График.

  В области, где скалярное поле мало, оно осциллирует, и Вселенная  не расширяется экспоненциально. В  области, где поле достаточно велико, оно медленно спадает, и на нем  возникают маленькие флуктуации. В это время происходит экспоненциальное расширение и идет процесс инфляции. Если бы скалярное поле было еще  больше (на графике отмечено голубым цветом), то за счет огромного трения оно бы почти не уменьшалось, квантовые флуктуации были бы огромны, и Вселенная могла стать фрактальной.

  Представим, что Вселенная быстро расширяется, а в каком-то месте скалярное  поле, вместо того чтобы катиться к  минимуму энергии, из-за квантовых флуктуаций подскакивает вверх (см. выше). В том месте, где поле подскочило, Вселенная расширяется экспоненциально быстрее. Низкорасположенное поле вряд ли подскочит, но чем выше оно будет находиться, тем больше вероятность такого развития событий, а значит, и экспоненциально большего объема новой области. В каждой из таких ровных областей поле тоже может подскочить наверх, что приводит к созданию новых экспоненциально растущих частей Вселенной. В результате этого, вместо того чтобы быть похожей на один огромный растущий шар, наш мир становится похожим на вечно растущее дерево, состоящее из многих таких шаров.

  Инфляционная  теория дает нам единственное известное  сейчас объяснение однородности наблюдаемой  части Вселенной. Парадоксальным образом  эта же теория предсказывает, что  в предельно больших масштабах  наша Вселенная абсолютно неоднородна  и выглядит как огромный фрактал.

     Рисунок.

  Свойства  пространства-времени и законы взаимодействия элементарных частиц друг с другом в разных областях Вселенной могут  быть различны, равно как и размерности  пространства, и типы вакуума.

  Этот  факт заслуживает более детального объяснения. Согласно простейшей теории с одним минимумом потенциальной  энергии, скалярное поле катится  вниз к этому минимуму. Однако более  реалистические версии допускают множество  минимумов с разной физикой, что  напоминает воду, которая может находиться в разных состояниях: жидком, газообразном и твердом. Разные части Вселенной  также могут пребывать в разных фазовых состояниях; это возможно в инфляционной теории даже без учета  квантовых флуктуаций.

  Следующим шагом, основанным на изучении квантовых  флуктуаций, является теория самовосстанавливающейся  Вселенной. В этой теории учитывается  процесс постоянного воссоздания  раздувающихся областей и квантовые  скачки из одного вакуумного состояния  в другое, перебирающие разные возможности  и размерности.

  Так Вселенная становится вечной, бесконечной  и многообразной. Вся Вселенная  никогда не сколлапсирует. Однако это не означает, что отсутствуют сингулярности. Напротив, значительная часть физического объема Вселенной все время находится в состоянии, близком к сингулярному. Но так как различные объемы проходят его в разное время, единого конца пространства-времени, после которого все области исчезают, не существует. И тогда вопрос о множественности миров во времени и в пространстве приобретает совершенно другое звучание: Вселенная может самовоспроизводиться бесконечно во всех своих возможных состояниях.

  Это утверждение, в основе которого лежали работы Линде сделанные им в 1986 году, прибрело новое звучание несколько  лет назад, когда специалисты  по теории струн (лидирующий кандидат на роль теории всех фундаментальных  взаимодействий) пришли к выводу что  в этой теории возможно 10100–101000 различных  вакуумных состояний. Эти состояния  отличаются за счет необычайного разнообразия возможного устройства мира на сверхмалых расстояниях.