Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

Инфляция и структура

Вначале считалось, что инфляционная модель только усугубила проблему структуры. В конце концов, одним из триумфов инфляционной модели стало объяснение необычайной однородности реликтового излучения. Тогда как же объяснить очевидную неоднородность окружающей нас видимой материи — галактик, звезд, планет, Скалистых гор?

Я уже отмечал, что еще до появления инфляционной космологии несколько авторов предположили, что формирование структуры Вселенной произошло вследствие первичных флуктуации плотности в ранней Вселенной. Но, не имея никаких данных о природе первичной материи, они могли только строить необоснованные догадки.

Инфляционные космологи осознали, что небольшие возмущения в плотности вещества, вызванные квантово-механическими нулевыми флуктуациями в инфлятонном поле, были усилены на много порядков в процессе инфляционного расширения и могли вызвать различия в плотности, необходимые для группирования вещества под воздействием гравитации и формирования галактик.

Используя различные инфляционные модели, космологи 1980-х пытались рассчитать различия в плотности, вызванные квантовыми флуктуациями в инфлятонном поле. Гут описывает организованный Стивеном Хокингом и Гэри Гиббонсом трехнедельный семинар по ранней Вселенной, проводившийся в Кембридже с 21 июня по 9 июля 1982 года, и то, как каждый предлагал свои оценки, большинство из которых были на много порядков ниже значений, необходимых для того, чтобы образовались галактики{260}. Однако вскоре в работе, вышедшей в 1983 году, Джеймс Барден, используя новаторскую технику вычислений, не зависящую от модели, утверждал, что флуктуация плотности порядка 10-3–10-4 представляется вполне правдоподобной для инфляционной модели{261}.

Несмотря на неопределенность порядка величин, ожидалось, что флуктуации в инфляционной модели будут хотя бы приблизительно масштабно-инвариантны. Эти флуктуации, как мы выяснили в главе 11, считаются необходимым условием для формирования структуры Вселенной. В простейшей модели, где инфлятонное поле представлено однородным скалярным полем в де-ситтеровской Вселенной, масштабная инвариантность следует из трансляционной инвариантности времени экспоненциального решения. Отдельные инфляционные модели намного сложнее, но все они дают в результате что-то очень близкое к масштабной инвариантности. На самом деле мы вскоре увидим, что эти модели, включая модель хаотической инфляции, предсказывают небольшое, но статистически значимое отклонение от масштабной инвариантности, которое становится еще одним рискованным испытанием для инфляционной модели.

В период инфляционного расширения крошечные квантовые флуктуации плотности инфлятонного поля увеличились на много порядков. Когда инфляция прекратилась, Вселенная представляла собой скопление горячего сверхплотного газа, состоящего из элементарных частиц, после чего наступила стадия более спокойного хаббловского расширения. Флуктуации заставили расширяющийся газовый шар вибрировать, испуская звуковые волны, которые начали распространяться во все стороны. Поскольку вибрирующая среда состояла преимущественно из фотонов, скорость звука обязана была равняться скорости света, деленной на √3. В более сложных моделях, о которых мы поговорим позже, скорость света может варьироваться по мере изменения соотношения между числом барионов и фотонов, позволяя тем самым вычислять их относительные доли.

По мере того как Вселенная продолжала расширяться и остывать, происходили разнообразные процессы, описанные в главе 10. В течение всего этого периода частицы были тесно связаны квазиравновесным состоянием с четко определенной температурой, которая понижалась по мере расширения Вселенной от значения 1027 градусов, соответствующего концу стадии инфляции, в линейной зависимости, показанной в логарифмическом масштабе на графике, изображенном на рис. 10.2.

Вспомните искусственное разграничение, которое астрономы проводят между излучением и материей. И то и другое состоит из материальных частиц, но излучение имеет выраженные релятивистские свойства (v >> с), в то время как материя их не проявляет (v << c). Излучение состоит из фотонов, которые преобладали во Вселенной на протяжении 57 тыс. лет, из-за чего этот период называют эпохой преобладания излучения. Однако из-за красного смещения, вызванного расширением Вселенной, плотность энергии излучения падает быстрее, чем плотность энергии вещества, поэтому Вселенная перешла от эпохи преобладания излучения к эпохе преобладания материи. Как мы вскоре выясним, эпоха преобладания материи закончилась около 5 млрд. лет назад. С тех пор во Вселенной все сильнее доминирует так называемая темная энергия, по свойствам очень напоминающая космологическую постоянную, которая вызывает ускоряющееся расширение Вселенной.

Сейчас мы ведем речь о плотности массы/энергии, а не о численной плотности. В эпоху преобладания материи безмассовые фотоны и нейтрино с очень маленькой массой все еще численно превосходили другие виды частиц. Затем, на 380 000-м году, температура упала до значения, при котором могли образоваться атомы. Этот процесс называется рекомбинацией[19]. Рекомбинация избавила Вселенную от большинства заряженных частиц, поскольку положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны нейтрализовали друг друга, образовав атомы. Кроме того, и это наиболее важно, поскольку не осталось таких заряженных частиц, с которыми могли бы сталкиваться фотоны, последние рассеялись среди оставшейся части Вселенной, ставшей для них прозрачной. За последующие 13,8 млрд. лет эти фотоны остыли до 2,725 К и сформировали космический микроволновой фон (реликтовое излучение), который мы наблюдаем сегодня.

В наши дни фотоны все еще численно превосходят атомы в соотношении 1 млрд/1. Нейтрино рассеялись намного раньше, на второй секунде, сформировав собственный реликтовый фон температурой 1,95 К. Хотя на каждый кубический сантиметр приходятся сотни нейтрино, они не вызывают измеримых эффектов (по крайней мере, на нынешнем уровне развития техники мы не можем их зафиксировать) и в общем случае не принимаются в расчет. Как мы вскоре выясним, они вряд ли являются составными частями темной материи.

Рассеяние фотонов привело также к тому, что давление света на материю, которое противодействовало гравитации и предотвращало коллапс, исчезло и смог начаться процесс формирования структуры Вселенной путем гравитационного слияния. Этому способствовала темная материя, которая была там все это время, но не участвовала в электромагнитных взаимодействиях; ранее удерживавших фотоны и заряженные частицы в состоянии равновесия. Итак, каким бы ни был вибрационный паттерн этого фотонного шара, в момент последнего рассеяния эти вибрации зафиксировались навсегда. Области более высокой плотности были горячее, а менее плотные — холоднее, так что температурные флуктуации в газе следовали за флуктуациями плотности. Сегодня этот паттерн можно увидеть в колебаниях температуры РИ в разных частях неба.

Возвращаясь к началу

К 80-м годам XX века осознание того, что РИ содержит информацию о самых первых моментах Вселенной, стимулировало множество попыток провести более точные измерения любых возможных отклонений от обнаруженного немногим ранее гладкого распределения этого излучения во всех областях неба. Инфляционная модель объясняла эту однородность, но она также предполагала существование небольших, примерно на уровне 0,00001 градуса, различий в температуре, или «морщин». Поиск этих анизотропии стал для инфляционной теории критическим испытанием, которое могло подтвердить ее или опровергнуть.

Одним из лидеров в области этих исследований стал Джордж Смут, специалист по физике элементарных частиц из Калифорнийского университета в Беркли. Работая вместе с нобелевским лауреатом Луисом Альваресом и другими учеными в Национальной лаборатории имени Лоуренса (в те годы я часто там бывал, занимаясь другими исследованиями), Смут и его коллеги разработали избирательный микроволновой радиометр, с помощью которого можно было измерить различие в температуре РИ, идущего из двух разных направлений.

В 1976 году этот прибор несколько раз брали на борт самолета-разведчика «Локхид У-2». В ходе таких полетов на скорости 600 м/с удалось зафиксировать различия в температуре, обусловленные движением Млечного Пути, воздействующим в том числе на наше Солнце и Землю сквозь фоновое поле реликтового излучения. Это так называемая дипольная анизотропия, заключающаяся в том, что под влиянием доплеровского эффекта частота РИ смещается в синюю сторону с той стороны, в которую мы движемся, и в красную — со стороны, от которой удаляемся{262}.