Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

Склонный к математике читатель должен заметить, что нетрудно увидеть, как возникает ускоренное расширение. Одно из уравнений Эйнштейна есть (d2a/dt2)/a = –4πG/3(ρ+3p), где а, ρ и p есть масштабный фактор вселенной (ее "размер"), плотность энергии и плотность давления, соответственно. Заметим, что если правая сторона этого уравнения положительна, масштабный фактор будет расти с возрастающим темпом: темп роста вселенной будет ускоряться со временем. Для Хиггсова поля, восседающего на плато, его плотность давления оказывается равной отрицательной величине его плотности энергии (то же самое справедливо для космологической константы), так что правая сторона в самом деле положительна.

10. Физика, лежащая в основании этих квантовых скачков, есть принцип неопределенности, затронутый в Главе 4. Я буду явно обсуждать применение квантовой неопределенности к полям в Главах 11 и 12, но, чтобы предварить этот материал, коротко отмечу следующее. Величина поля в данной точке пространства и темп изменения величины поля в этой точке играют ту же роль для полей, как положение и скорость (импульс) играют роль для частицы. Таким образом, точно так же, как мы не можем когда-либо знать сразу определенное положение и определенную скорость частицы, поле не может иметь определенную величину и определенный темп изменения этой величины в любой данной точке пространства. Чем более определена величина поля в данный момент, тем более неопределен темп изменения этой величины – это означает, тем более вероятно, что величина поля изменится моментом позже. А такое изменение, индуцированное квантовой неопределенностью, это то, что я имел в виду, когда ссылался на квантовые скачки величины поля.

11. Вклад Линде и Альбрехта со Стейнхардом абсолютно решающий, поскольку оригинальная модель Гута – сейчас называемая старой инфляцией – страдала фатальным пороком. Вспомним, что переохлажденное Хиггсово поле (или в терминологии, которую мы вводим, поле инфлатона) имеет величину, которая восседает на выпуклости его энергетической чаши однородно во всем пространстве. Так что, когда я описывал, как быстро переохлажденное поле инфлатона могло бы спрыгнуть к низшей величине энергии, вы могли бы спросить, будет ли этот квантово-индуцированный прыжок происходить везде в пространстве в одно и то же время. А ответ такой, что не будет. Вместо этого, как утверждал Гут, релаксация поля инфлатона к нулевой величине энергии имеет место через процесс, названный пузырьковым зародышеобразованием: инфлатон падает к своей нулевой величине энергии в одной точке пространства, и тут пробуждается распространяющийся вовне пузырек,чьи стенки двигаются со скоростью света, в котором инфлатон падает к нулевой величине энергии с прохождением через стенку пузырька. Гут вообразил, что много таких пузырьков с хаотически расположенными центрами в конце концов соберутся воедино, чтобы дать вселенную с нулевой энергией поля инфлатона везде. Проблема, однако, как Гут сам осознал, в том, что окружающее пузырьки пространство все еще заполнено полем инфлатона с ненулевой энергией, так что такие области будут продолжать подвергаться быстрому инфляционному расширению, растаскивая пузырьки друг от друга. Поэтому тут нет гарантии, что растущие пузырьки найдут друг друга и соединятся в большой, однородный пространственный простор. Более того, Гут утверждал, что энергия поля инфлатона не теряется, когда оно релаксирует к нулевой энергии, а конвертируется в обычные частицы материи и радиации, населяющие вселенную. Чтобы довести модель до соответствия с наблюдениями, однако, эта конверсия должна была бы давать однородное распределение материи и энергии по всему пространству. В механизме, который предложил Гут, эта конверсия должна была бы происходить через столкновения стенок пузырьков, но расчеты – проведенные Гутом и Эриком Вайнбергом из Колумбийского университета, а также Стивеном Хокингом, Ианом Моссом и Джоном Стюардом из Кембриджского Университета – обнаружили, что итоговое распределение материи и энергии было бы не однородным. Таким образом, оригинальная инфляционная модель Гута привела к существенным проблемам в деталях.

Прозрение Линде и Альбрехта со Стейнхардом – теперь называемое новой инфляцией – урегулировало эти досадные проблемы. Через замену формы чаши потенциальной энергии на ту, что на Рис. 10.2, эти исследователи обнаружили, что инфлатон мог бы релаксировать к своей нулевой величине энергии "скатываясь" с энергетического холма во впадину, постепенный и изящный процесс, который не требует квантовых прыжков, как предлагалось первоначально. И, как показали их расчеты, это слегка более постепенное скатывание с холма успешно пролонгирует инфляционное раздувание пространства, так что один отдельный пузырек легко вырастает достаточно большим, чтобы заключить в себе целую наблюдаемую вселенную. Таким образом, в этом подходе не требуется беспокоиться об объединении пузырьков. Что имеет равную важность, вместо конверсии энергии поля инфлатона в обычные частицы и радиацию при столкновениях пузырьков в новом подходе инфлатон постепенно завершает эту конверсию энергии однородно через все пространство через процесс подобный трению: когда поле скатывается с энергетического холма – однородно по пространству – оно передает свою энергию зацепляясь (взаимодействуя с) за более привычные поля частиц и излучения. Новая инфляция, таким образом, сохраняет все успехи подхода Гута, но оказывается способной уладить существенные проблемы, с которыми тот столкнулся.

Примерно через год после важного прогресса, предложенного новой инфляцией, Андрей Линде совершил другой прорыв. Чтобы новая инфляция успешно возникла, должно одновременно встать на свои места большое количество ключевых элементов: чаша потенциальной энергии должна иметь правильную форму, величина поля инфлатона должна начинаться с высокого положения в чаше (и, слегка более формально, сама величина поля инфлатона должна быть однородна в достаточно большой пространственной области). Наряду с тем, что для вселенной возможно достижение таких условий, Линде нашел способ генерации инфляционного взрыва при более простом, намного менее изощренном наборе условий. Линде осознал, что даже при простой чаше потенциальной энергии, такой как на Рис. 9.1а, и даже без точного расположения начальной величины поля инфлатона инфляция все еще может легко иметь место. Идея такова. Представьте, что в очень ранней вселенной вещи были "хаотическими" – например, представьте, что имелось поле инфлатона, чья величина хаотически скакала от одной величины к другой. В некоторых местах в пространстве его величина могла быть малой, в других местах его величина была средней, а еще в других местах в пространстве его величина могла быть высокой. Теперь, в местах, где величина поля была малой или средней ничего особенно достойного внимания не происходило. Но Линде осознал, что нечто фантастически интересное могло бы иметь место в областях, где полю инфлатона случилось достичь высокой величины (даже если область была мельчайшей, не более 10–33 сантиметра в поперечнике). Когда величина поля инфлатона высока, – когда она находится в вышине энергетической чаши на Рис. 9.1а, – устанавливается разновидность космического трения: величина поля пытается скатиться с холма к более низкой потенциальной энергии, но ее высокая величина дает вклад в тормозящую силу сопротивления, так что она скатывается очень медленно. Таким образом, величина поля инфлатона должна была быть возле постоянной величины и (почти как инфлатон на вершине холма потенциальной энергии в новой инфляции) должна была давать вклад в почти постоянную энергию и почти постоянное отрицательное давление. А нам теперь очень привычно, что это условия, требуемые чтобы двигать взрыв инфляционного расширения. Таким образом, не привлекая особо специальной энергетической чаши и не устанавливая поле инфлатона в специальную конфигурацию, хаотическое окружение ранней вселенной могло бы легко вызвать инфляционное расширение. Не удивительно, Линде назвал этот подход хаотической инфляцией. Многие физики рассматривают его как наиболее убедительное осуществление инфляционной парадигмы.

12. Те, кто близко знаком с историей предмета, осознают, что возбуждение по поводу открытия Гута было сгенерировано его решениями ключевых космологических проблем, таких как проблемы горизонта и плоскостности, как мы коротко описываем.

13. Вы можете поинтересоваться, может ли электрослабое Хиггсово поле или Хиггсово поле великого объединения выполнять двойную службу – играть роль, которую мы описали в Главе 9, а также одновременно двигать инфляционное расширение в более ранние времена, до формирования Хиггсова океана. Модели этого сорта предлагались, но они обычно подвержены техническим проблемам. Более убедительные реализации инфляционного расширения привлекают новое Хиггсово поле, чтобы играть роль инфлатона.