Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

Рис. 10.1. (а) Переохлаждённое поле Хиггса — это поле, величина которого захвачена на высокоэнергетическом плато энергетической чаши, как лягушка на выпуклости в центре чаши. (б) В типичном случае переохлаждённое поле Хиггса быстро найдёт путь вниз с плато и скатится к величине с меньшей энергией, как лягушка, спрыгнувшая с выпуклости

Рис. 10.2. Более гладкая и более пологая выпуклость позволяет величине поля Хиггса скатиться вниз в жёлоб с нулевой энергией легче и более однородно во всём пространстве

Второе отличие заключается в том, что, в то время как Эйнштейн произвольно подобрал значение космологической постоянной — количество энергии и отрицательного давления, которое она вносит в каждый объём пространства (так чтобы её отталкивающая сила в точности компенсировала силу притяжения, возникающую от обычной материи и излучения в космосе), Гут смог вычислить вклад в энергию и отрицательное давление от полей Хиггса, которые изучали они с Таем. И ответ, который он получил, был более чем в 10100 (единица и сто нулей) раз больше, чем величина, выбранная Эйнштейном. Эта величина, очевидно, огромна, так что отталкивание, которое создаёт отталкивающая гравитация поля Хиггса, грандиозно по сравнению с тем, что Эйнштейн исходно имел в виду для космологической постоянной.

Теперь, если мы объединим эти два наблюдения — что поле Хиггса будет находиться на плато в высокоэнергичном состоянии с отрицательным давлением только микроскопическое мгновение и что пока оно находится на плато, генерируемое им отталкивание будет гигантским, — что мы получим? Как осознал Гут, мы получим феноменальный кратковременный взрыв. Другими словами, мы получим в точности то, чего не хватает теории Большого взрыва: взрыв, и при этом большой. Вот почему открытие Гута так воодушевляет.{135}

Таким образом, космологическая картина, возникающая благодаря прорыву Гута, состоит в следующем. Очень давно, когда Вселенная была чудовищно плотной, носителем её энергии было поле Хиггса, имеющее значение, далёкое от низшей точки в его потенциальной чаше. Чтобы отличать это специальное поле Хиггса от других (таких как электрослабое поле Хиггса, отвечающее за появление массы у обычных семейств частиц, или поле Хиггса, которое возникает в теориях великого объединения){136} его обычно называют полем инфлатона. Вследствие своего отрицательного давления поле инфлатона генерировало гигантское гравитационное отталкивание, которое растаскивало каждую область пространства прочь от любой другой; на языке Гута инфлатон вызвал во Вселенной инфляцию (раздувание). Отталкивание длилось всего около 10−35 с, но оно было столь мощным, что даже за этот краткий момент Вселенная раздулась в гигантское число раз. В зависимости от деталей точной формы потенциальной энергии поля инфлатона Вселенная могла легко расшириться в 1030, 1050, 10100 раз или больше.

Эти числа потрясают. Коэффициент расширения 1030 — консервативная оценка — подобен увеличению размера молекулы ДНК приблизительно до размера нашей Галактики (Млечного Пути), и всё это за временной интервал много короче, чем миллиардная от миллиардной от миллиардной доли от времени, необходимого, чтобы моргнуть глазом. Для сравнения, даже эта консервативная оценка в миллиарды и миллиарды раз больше расширения, которое могло бы возникнуть в соответствии со стандартной теорией Большого взрыва за то же время, и это превышает полный фактор расширения, который был достигнут за последующие 14 млрд лет! Во многих моделях инфляции, в которых рассчитанный фактор расширения намного больше, чем 1030, результирующая пространственная протяжённость Вселенной настолько велика, что та область, которую мы можем видеть даже в самые мощные телескопы, является только крохотным кусочком всей Вселенной. В соответствии с этими моделями свет, испущенный в подавляющем большинстве областей Вселенной, до сих пор не смог достигнуть нас, и б́ольшая часть его не появится ещё очень долго после того, как исчезнут Солнце и Земля. Если весь космос уменьшить до размеров Земли, то часть, доступная нашим наблюдениям, будет намного меньше песчинки.

Примерно через 10−35 с после начала раздувания поле инфлатона нашло путь вниз с высокоэнергетического плато, и его величина во всём пространстве соскользнула на дно чаши, выключив отталкивание. И когда поле инфлатона скатилось вниз, оно передало свой запас энергии на рождение обычных частиц материи и излучения — подобно тому как туман оседает на траву утренней росой, — которые однородно заполнили расширяющееся пространство.{137} С этого момента история становится по существу историей стандартной теории Большого взрыва: пространство вследствие взрыва продолжает расширяться и охлаждаться, позволяя частицам материи собираться в структуры вроде галактик, звёзд и планет, которые медленно распространяются во Вселенной, которую мы видим в настоящее время, как показано на рис. 10.3.

Рис. 10.3. (а) Инфляционная космология вводит быстрое гигантское раздувание пространства в ранней истории Вселенной. (б) После раздувания эволюция Вселенной переходит в стандартную эволюцию, разработанную в модели Большого взрыва

Открытие Гута — названное инфляционной космологией — вместе с важными усовершенствованиями, внесёнными Линде, Альбрехтом и Стейнхардтом, объяснило, что́ именно с самого начала заставило пространство расширяться. Поле Хиггса, удерживаемое на величине, соответствующей энергии поля выше нуля, может обеспечить взрыв, заставивший пространство раздуваться. Гут снабдил Большой взрыв собственно взрывом.

Рамки инфляции

Открытие Гута было быстро оценено как крупное достижение и определило доминирующее направление космологических исследований. Но отметим два момента. Во-первых, в стандартной модели Большого взрыва сам взрыв произошёл как бы в момент времени «нуль», в самом начале Вселенной, так что он выглядит как акт творения. Но точно так же, как кусок динамита взрывается только когда его правильно подожгли, в инфляционной космологии взрыв произошёл только тогда, когда сложились подходящие условия, — когда имелось поле инфлатона, величина которого обеспечила энергию и отрицательное давление, инициировавшие взрыв отталкивающей гравитации, — и это вовсе не обязано совпадать с «творением» Вселенной. По этой причине инфляционный взрыв лучше всего представлять как одно из событий, которое пережила существовавшая и до него Вселенная, но не обязательно как именно то событие, которое создало Вселенную. Мы отметили это на рис. 10.3, сохранив некоторое размытое пятно от рис. 9.2, обозначив наше неведение относительно фундаментального начала. Более точно, если инфляционная космология верна, то пятно означает наше неведение относительно того, почему имелось поле инфлатона, почему чаша его потенциальной энергии имела форму, подходящую для того, чтобы произошла инфляция, почему имелись пространство и время, в рамках которых могло иметь место всё вышесказанное, и, как сказано в ещё более грандиозной фразе Лейбница, почему есть нечто, вместо ничто.

Второе наблюдение состоит в том, что инфляционная космология не является отдельной теорией. Скорее это некий космологический каркас, выстроенный вокруг понимания, что гравитация может быть отталкивающей и, следовательно, может привести к раздуванию пространства. Точные детали раздувания — когда оно произошло, как долго оно длилось, какова была отталкивающая сила, во сколько раз Вселенная увеличилась во время раздувания, каково количество энергии, которое инфляция вложила в обычную материю, когда раздувание подошло к концу и т. д. — зависят от деталей, которые в настоящее время находятся за пределами наших способностей определить их только из теории; больше всего они зависят от таких деталей, как размер и форма чаши потенциальной энергии поля инфлатона. Поэтому многие годы физики изучали разные возможности — различные формы потенциальной энергии, различное количество полей инфлатона, работающих в тандеме, и т. д. — и определяли, какие параметры дают лучшее соответствие теорий с астрономическими наблюдениями. Важно то, что имеются разделы инфляционных космологических теорий, которые не зависят от деталей и поэтому являются общими, по существу, для любой реализации. Само раздувание, по определению, является одним из таких свойств, и потому любая инфляционная модель приходит к взрыву. Но имеются и другие свойства, присущие всем инфляционным моделям, которые жизненно важны, поскольку решают проблемы, заведшие в тупик стандартную космологию Большого взрыва.