Книга Бытия. Общая история происхождения - Гвидо Тонелли

оставалась одна колоссальная трудность, чреватая новым кризисом и грозившая развалить все, словно карточный домик. Инфляция и в самом деле с необходимостью приводит Вселенную к состоянию с нулевой локальной кривизной, то есть ее пространство оказывается плоским. Кривизна пространства-времени зависит от плотности содержащихся в нем материи и энергии. При плотности, в точности равной критической, Вселенная оказывается плоской, ее локальная кривизна равна нулю, словно у ровной поверхности, а это означает, что расширение продолжается бесконечно. При плотности больше критической Вселенная замкнута, а ее локальная кривизна положительна, как у поверхности шара, и расширение должно в этом случае замедлиться, сменившись в какой-то момент сжатием, а потом и Большим сжатием. При плотности меньше критической локальная кривизна отрицательна, как у конского седла, и в этом случае расширение тоже будет продолжаться до бесконечности.

Если все действительно начиналось с инфляции, то Вселенная обязательно должна быть плоской; первичный пузырек должен был исхитриться расширяться как-то так, чтобы все его изначальные размеры растянулись до плоского состояния уже в первые мгновения безудержного расширения, и только первичная Вселенная с локальной кривизной, равной нулю, могла бы остаться плоской и спустя миллиарды лет.

Любое начальное отклонение от этого условия было бы безмерно усилено последующим расширением.

Другими словами, один из важнейших способов проверить справедливость теории инфляции следует из измерений локальной кривизны Вселенной или распределения плотности энергии или массы в ней. И тут-то начинаются проблемы.

О локальной кривизне пространства-времени можно судить также по космическому микроволновому фоновому излучению. Достаточно измерить угловой диаметр крошечной неоднородности распределения температуры, разницу в стотысячную долю градуса между соседними областями, наследницами первичных статистических флуктуаций. Но здесь экспериментальные данные совершенно безупречно воспроизводят теоретические предсказания, указывая на то, что Вселенная у нас плоская. И вот этот результат напрочь отказывался согласовываться с измерениями плотности энергии во Вселенной, которые, как представлялось до начала 1990-х годов, должны были означать, что Вселенная открыта, то есть у нее геометрия седла.

Это расхождение оставалось болевой точкой теории инфляции, провоцируя новые возражения ее противников. От нее отказывались, так как она с необходимостью предполагала, что плотность Вселенной равна критической, а из эксперимента получалось, что она недотягивает и до трети.

Открытие темной энергии в 1998 году вынудило отбросить этот аргумент. Из наблюдений следовало, что скорость разбегания далеких галактик растет со временем, а значит, следовало признать существование новой формы энергии, пронизывающей все пространство и делающей вклад в общую массу Вселенной, который равняется двум ее третям. И тогда полная масса оказывалась равной критической, что объясняло, почему у Вселенной плоская геометрия, и окончательно подтверждало справедливость инфляционной теории.

В поисках дымящегося пистолета

Несмотря на успехи теории и многочисленные экспериментальные подтверждения, все еще держится небольшая, но очень воинственная группа критиков, яростно оппонирующих теории инфляции.

Что совершенно нормально и типично для научного метода: все критиковать, во всем сомневаться, искать слабости, проверять альтернативные гипотезы – таковы обязательные составляющие профессиональной деонтологии ученых.

Тем не менее следует признать, что есть еще одна критическая точка, на которую скептикам легко показывать пальцем. Ведь в итоге инфляция рождается из скалярного поля, которое, в свою очередь, возникает из вакуума и его нестабильного потенциала, запустив расширение, но пока еще никому не удалось найти надежных следов инфлатона – элементарной частицы, ассоциированной с этим полем. В тот день, когда это случится, ни у кого больше не останется сомнений – это то же самое, что найти “дымящийся пистолет”, из которого выстрелила инфляция. Но этого еще не произошло, и охота на инфлатон продолжается.

Идея, от которой отталкивался сам Алан Гут, заключается в том, что запустить весь механизм мог бозон Хиггса. Неуловимая частица была в то время всего лишь гипотезой, ключевым элементом теории, и она запросто могла оказаться фантазией, как многие другие. Более того, теория не предсказывала ни массы этой частицы, ни других ее характеристик. Наличие бозона Хиггса в роли инфлатона легко объясняло, как начиналась инфляция, но гораздо труднее было найти механизм, который мог бы ее остановить.

В действительности и Гут, и другие ученые быстро придумали модели, в которых различные скалярные поля запускали один и тот же механизм. Роль замороженного потенциала, на которую предлагался бозон Хиггса, для создания состояния ложного вакуума мог сыграть любой слабо меняющийся потенциал, который бы медленно падал, пока первичный пузырек быстро расширялся. Так появилось целое семейство различных инфляционных моделей с характеристиками, принципиально зависящими от того, кто придет выступить в качестве инфлатона.

Некоторые дошли до того, что стали теоретизировать на тему вечной инфляции. Отталкиваясь от идеи, что квантовые флуктуации скалярного поля могут столкнуть кусочек этого самого поля в водоворот инфляционного пароксизма, чтобы из него родилась потом Вселенная и началась ее эволюция, они предполагают также, что оставшийся за пределами процесса материал может пригодиться для чего-то еще и тогда в процессе вечной инфляции будут рождаться все новые и новые вселенные, как то и следует из современной теории мультиверсума.

Только с открытием инфлатона будет возможно, с одной стороны, получить неопровержимое подтверждение истинности теории, а с другой стороны, разобраться с разнообразием предложенных моделей.

Когда в 2012 году после долгой охоты, длившейся почти пятьдесят лет, удалось наконец открыть бозон Хиггса и измерить все его характеристики, включая массу, немедленно возобновилась дискуссия о его возможной роли во время инфляционной фазы.

Вновь прибывший был первой фундаментальной скалярной элементарной частицей, и некоторые космологи сразу подумали, что он и есть инфлатон. У них появились и оппоненты, которые стали с ними спорить на том основании, что бозон Хиггса слишком тяжелый. И сейчас ищут похожую частицу, но полегче, которая могла бы появиться в некоторых редких распадах, вызванных столкновениями на Большом адронном коллайдере, или какую-нибудь другую скалярную частицу, близкого родственника бозона Хиггса, с которой он мог бы разделить тяжесть примордиальной ноши и разродиться целой Вселенной.

Мнения по этому поводу самые противоречивые, и решение может прийти только из новой серии экспериментов.

На ближайшие годы уже предусматриваются значительно более точные, чем прежде, измерения космического микроволнового фонового излучения, чтобы ясно реконструировать испаряющиеся следы, оставленные инфляцией. Благодаря недавнему открытию гравитационных волн возникла надежда довести чувствительность новых инструментов прямо-таки до такого уровня, чтобы они смогли идентифицировать реликтовые гравитационные волны – едва заметные возмущения пространства-времени, которые смогут напрямую рассказать нам, что же произошло во время первоначального инфляционного роста.

Проводимые на Большом адронном коллайдере эксперименты оставляют нам надежду на случайное открытие новой скалярной частицы со всеми характеристиками, точно соответствующими фотороботу главного подозреваемого.

Мифическая эра Великого объединения