Помоги проекту - поделись книгой:
Тепло – это хаотическое движение микроскопических частиц, таких как молекулы газа. Поскольку чёрные дыры могут нагреваться и остывать, разумно предполагать, что они включают в себя частицы – в общем, имеют микроскопическую структуру. А поскольку чёрная дыра – это всего-навсего пустое пространство (согласно общей теории относительности, поглощаемая материя проходит через горизонт событий, но не может не исчезнуть), её частицы должны быть частицами самого пространства. Чёрная дыра, простая настолько, насколько может быть простым простор пустого пространства, скрывает в себе беспредельную сложность.
Даже теории, провозглашающие свою приверженность обычному пониманию пространства-времени, в конечном итоге приходят к выводу, что за этим безликим фасадом что-то скрывается. Например, в конце 1970-х годов Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), ныне работающий в Техасском университете в Остине (University of Texas at Austin), стремился дать описание гравитации, похожее на описание других сил природы. Однако и он вынужден был отметить, что пространство-время, если брать его в том масштабе, в каком оно проявляет себя максимально ярко, выглядит весьма и весьма необычно.
Первоначально физики изображали микроскопическое пространство в виде мозаики, сложенной из маленьких кусков. Считалось, что взглянув на него в масштабе Планка, то есть имея дело с умопомрачительно малой единицей длины, составляющей 10−35 метров, мы увидим нечто вроде шахматной доски. Однако, на самом деле, картина пространства будет несколько иной. И, прежде всего, следует отметить, что в сетке этой шахматной доски разные направления неравноценны, в результате чего имеют место асимметрии, противоречащие специальной теории относительности. Например, скорость света может зависеть от его цвета – точь-в-точь как в стеклянной призме, расщепляющей свет на цвета радуги. И эти нарушения относительности будут бросаться в глаза, хотя обычно, имея дело с малыми масштабами, трудно наблюдать какие-либо эффекты.
Кроме того, термодинамика чёрных дыр заставляет усомниться в том, что пространство представляет собой простую мозаику. Измеряя тепловое поведение любой системы, вы можете более или менее точно рассчитать число входящих в неё частей. Вбросьте в систему энергию и посмотрите на термометр. Если температура взлетела, вброшенную энергию получило сравнительно небольшое количество молекул. В сущности, то, что вы измеряете, – это энтропия. Она характеризует микроскопическую сложность системы.
Если вы имеете дело с обычной материей, с увеличением изучаемого объёма растёт число молекул. Тут всё закономерно: увеличьте радиус пляжного мяча в 10 раз – и внутри него окажется в 1000 раз больше молекул. Однако, увеличив в 10 раз радиус чёрной дыры, вы получите всего лишь стократное увеличение числа её «молекул». Количество частиц, из которых состоит дыра, пропорционально площади её поверхности, а не её объёму. Чёрная дыра выглядит трёхмерной, а ведёт себя, как двухмерная.
Этот странный эффект называют голографическим принципом, потому что он ассоциируется с голограммой. Глядя на голограмму, мы видим трёхмерный объект, хотя, на самом деле, перед нами двухмерный лист плёнки. Если голографический принцип учитывает микроскопические частицы пространства и его содержание, – а с этим согласны многие физики-теоретики, – то для создания пространства мало простого объединения маленьких кусочков.
Во всяком случае, отношение части к целому редко бывает простым. Молекула H2O – это не просто частица воды. Вспомним известные нам свойства данной жидкости: она течёт, образует капли, рябь и волны, замерзает и кипит. Отдельная молекула H2O ничего такого не делает: молекул должно быть много. Аналогично, кирпичики пространства могут не быть пространственными. «Атомы пространства не являются мельчайшими частицами пространства, – говорит Даниэле Орити (Daniele Oriti) из Института гравитационной физики Общества Макса Планка (
Что именно представляют собой эти кирпичики, зависит от теории. В теории петлевой квантовой гравитации это – кванты объёма, взаимодействующие на основе квантовых принципов. В теории струн это – родственные электромагнитным поля, живущие в плоскости, образуемой движущейся струной – нитью или петлёй энергии. В М-теории, которую можно рассматривать как фундамент теории струн, это – особый тип частиц: мембрана, сжатая в точку. В теории причинностного множества (causal sets theory) это – события, связанные сетью причины и следствия. В теории амплитуэдра и некоторых других теоретических схемах никаких кирпичиков, образующих пространство, нет вообще – по крайней мере, в том смысле, в каком их обычно понимают.
Во всех этих теориях, несмотря на разные принципы их построения, используется так называемый «реляционизм» немецкого философа XVII—XVIII веков Готфрида Лейбница. С точки зрения реляционизма, пространство возникает из определённой структуры корреляций между объектами. Выходит, оно – своеобразный пазл. Вы начинаете с большой кучи кусочков, смотрите, какие между ними связи, и соответственно складываете из этих кусочков какую-то картину. Если два кусочка имеют что-то схожее, например цвет, их, по-видимому, следует разместить рядом; если же они сильно отличаются друг от друга, вы постараетесь разместить их так, чтобы между ними было большое расстояние. Выражаясь языком физики, это – сеть с определённой структурой связности. Отношения здесь задаются законами квантовой теории или другими принципами, и на этой основе образуется пространство.
Ещё одна общая для разных теорий тема – фазовые переходы. Пространство, которое складывается из кирпичиков, можно и разобрать. Затем из его кирпичиков можно создать нечто, совсем непохожее на пространство. «Подобно тому, как вещество имеет разные фазовые состояния, такие как лёд, вода и водяной пар, у атомов пространства, благодаря их способности перенастраиваться, тоже есть разные фазы», – утверждает Тхану Падманабхан (Thanu Padmanabhan) из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики (Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics) в Индии. С этой точки зрения, чёрные дыры могут быть местами исчезновения пространства в ходе фазового перехода. Привычные теории рушатся, и нужна более фундаментальная теория для описания нового фазового состояния атомов пространства. Физика продолжает работать даже там, где исчезает пространство.
Запутанные сети
Большой интеллектуальный прогресс последних лет, разрушивший старые границы физических теорий, состоит в осознании того, что изучаемые физикой отношения могут быть связаны с квантовой запутанностью. Будучи сверхмощным типом корреляции, который исследуется в рамках квантовой механики, запутанность, по-видимому, первичнее пространства. К примеру, экспериментатор может сделать так, чтобы две частицы полетели в противоположных направлениях. Если эти частицы запутаны, то, каким бы огромным ни было разделяющее их пространство, между ними сохранится координация.
Обычно в разговорах о «квантовой» гравитации обсуждали квантовую дискретность, квантовые флуктуации, кучу других квантовых эффектов, но только не квантовую запутанность. Ситуация изменилась, когда в эти разговоры вмешались чёрные дыры. Пока существует чёрная дыра, в неё попадают запутанные частицы. Их партнёры, не поглощённые дырой, с её исчезновением остаются запутанными… ни с чем. «Хокинг назвал бы это проблемой запутанности», – говорит Самир Матур (Samir Mathur) из Университета штата Огайо (The Ohio State University).
Даже в вакууме, при отсутствии частиц, электромагнитные и другие поля демонстрируют внутреннюю запутанность. Измеряя поле в двух разных местах, вы увидите, что показания вашего прибора колеблются случайным, но скоординированным образом. И если вы разделите какую-то область на две части, эти части будут коррелировать друг с другом со степенью корреляции, зависящей от единственной общей для них геометрической величины – площади их контакта. В 1995 году Джекобсон заявил, что запутанность обеспечивает связь между наличием вещества и геометрией пространства-времени, а значит, может объяснить закон гравитации. «Чем больше запутанности, тем слабее гравитация, то есть жёстче пространство-время», – утверждает он.
В настоящее время целый ряд концепций квантовой гравитации – и, прежде всего, теория струн – отводит запутанности решающую роль. Теория струн применяет голографический принцип не только к чёрным дырам, но и ко всей Вселенной. При этом получился рецепт создания пространства – по крайней мере, некоторых его видов. Например, структурированные особым образом поля, пронизывая двухмерное пространство, генерируют дополнительное измерение. С появлением третьего измерения исходное двухмерное пространство превращается в границу более роскошного царства, известного как объёмное пространство. И то, что объединяет объёмное пространство в сопредельное целое, это – запутанность.
Для обоснования данной гипотезы Марк ван Раамсдонк (Mark Van Raamsdonk) из Университета Британской Колумбии (University of British Columbia) в 2009 году провёл элегантное доказательство. Предположим, что поля на границе не запутаны. Образуя пару некоррелирующих систем, они соответствуют двум автономным вселенным. Путешествовать из одной в другую невозможно. Когда системы запутываются, между автономными вселенными возникает нечто похожее на туннель или лаз, благодаря чему космический корабль получает возможность пролететь из одной вселенной в другую. С усилением запутанности туннель всё короче и короче, вселенные всё ближе и ближе друг к другу, и, наконец, их сближение достигает такой фазы, на которой говорить о них как о двух вселенных уже бессмысленно. «Появление большого пространства-времени напрямую связано с запутыванием степеней свободы, имеющихся у полей», – считает ван Раамсдонк. Наблюдаемые нами корреляции в электромагнитных и других полях являются остатком запутанности, обеспечивающей единство пространства.
По-видимому, запутанность определяет не только сопредельность пространства, но и многие другие его свойства. Ван Раамсдонк и Брайан Свингл (Brian Swingle), ныне работающий в Мэрилендском университете в Колледж-Парке, объясняют универсальный характер гравитации – то, что она затрагивает все объекты и не поддаётся экранированию, – вездесущностью запутанности. Что касается чёрных дыр, то Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) из Стэнфордского университета (Stanford University) и Хуан Мальдацена (Juan Maldacena) из Института перспективных исследований (Institute for Advanced Study) в Принстоне, штат Нью-Джерси, считают, что запутанность между чёрной дырой и её излучением создаёт лаз – чёрный вход в дыру. Возможно, это поможет физике чёрных дыр решить проблему сохранения информации и обратимости.
Данные идеи теории струн работают только в рамках конкретных геометрий и реконструируют только одно измерение пространства. Некоторые исследователи попытались объяснить, как всё пространство может возникнуть с чистого листа. К примеру, Чуньцзюнь Цао (ChunJun Cao), Спиридон Михалакис (Spyridon Michalakis) и Шон М. Кэрролл, все из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), начинают с минималистского квантового описания системы, введённой без прямой ссылки на пространство-время и даже на материю. Если система имеет правильную структуру корреляций, её можно расщепить на составные части, которые могут быть идентифицированы как разные области пространства-времени. В этой модели степень запутанности определяет понятие пространственного расстояния.
Не только в физике, но и в других естественных науках пространство и время – основа всех теорий. Однако мы не можем наблюдать пространство-время непосредственно. Мы выводим его существование из нашего повседневного опыта. Мы предполагаем, что некий механизм, действующий в пространстве-времени, – это наиболее экономичное объяснение наблюдаемых нами явлений. Но главный урок, который следует извлечь из теории квантовой гравитации, состоит в следующем: не все явления аккуратно вписываются в пространство-время. Физикам нужно найти какой-то новый фундамент, и, найдя его, они смогут завершить
революцию, начатую чуть более века назад Альбертом Эйнштейном.
РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ
ГЛАВА 4
Я думаю многие слышали о том, что Вселенная расширяется. У моих читателей возникает множество вопросов связанных с этим. В этой книге я постарался ответить на наиболее типичные из них.
Как работает расширение вселенной?
Когда мы смотрим на отдаленные объекты, мы можем заметить, что они отдаляются от нас, при этом чем дальше от нас находится объект, тем быстрее он отдаляется. К примеру объекты находящиеся от нас на расстоянии 13.8 миллиардов световых лет (
Казалось бы происходит нарушение теории относительности, которая запрещает сверхсветовое движение, но на самом деле это не так. Так отдаленные галактики отдаляются от нас не за счет собственного движения, а за счет того, что между нами и ними пространство расширяется настолько быстро, что для расстояние увеличивается быстрее скорости света.
Почему отдаленные галактики удаляются быстрее?
Потому, что пространство расширяется везде и повсеместно равномерно во всех точках. К примеру если во вселенной каждый метр пространства увеличится на 1 сантиметр за 1 секунду, то тогда объекты расположенные на расстоянии 1 километр друг от друга отдалятся за 1 секунду друг от друга на 10 метров. А на расстоянии 100 километров – на 1000 метров. А на расстоянии 1000 километров – на 10 000 метров и так далее – чем больше расстояние между объектами, тем больше пространства между ними возникает за единицу времени.
Почему все галактики удаляется от нас? Значит ли это, что мы находимся в центре расширения? В центре вселенной? Нет, не значит. Так как пространство расширяется повсеместно и равномерно то какую бы галактику вы не выбрали, как точку обзора, из нее все будет выглядеть так, как будто это она находится в центре расширения, но по сути никакого центра расширения просто нет.
На расстоянии примерно 46.5 миллиардов световых лет находится граница наблюдаемой вселенной. Все что находится за ней мы никогда не сможем увидеть. Просто потому, что фотоны испущенные объектами находящимися за границей наблюдаемой вселенной никогда не достигнут нас – пространство между ними и нами будет возникать быстрее, чем фотоны будут успевать преодолевать его. Это расстояние еще называют
Куда расширяется вселенная?
Теперь возникает следующий вопрос – куда же расширяется вселенная? Ответ на него донельзя прозаичен – никуда. Все дело в том, что вселенная бесконечна и не имеет границ. Более того вселенная всегда была бесконечна, даже в момент Большого Взрыва. Когда физик или астроном говорит, что в момент большого взрыва вселенная была сжата до микроскопического размера речь идет о размерах наблюдаемой вселенной, а не всей вселенной.
Расширение вселенной таким образом является внутренним процессом, а не внешним. Во вселенной увеличиваются расстояния между объектами, но сама вселенная, как была так и остается бесконечной. Вселенной не нужно никакое внешнее пространство в которое она бы расширялась.
Почему случаются столкновения галактик?
Если мы расширяемся, почему тогда наша галактика столкнется с галактикой Андромеда через 4 с небольшим миллиарда лет, да и другие галактики сталкиваются – тому есть подтверждения? Все просто – чем ближе друг к другу объекты – тем меньше пространства между ними возникает в ходе расширения.
Расстояние между некоторыми близкими галактиками достаточно мало, чтобы за счет сил гравитационного притяжения они приближались друг к другу быстрее, чем успевает расширяться пространство между ними.
Так что, так и будет расширяться бесконечно?
В целом да, но возможно три допустимых финала: большое схлопывание, большой разрыв и большое замерзание (тепловая смерть вселенной).
Если верна теория большого схлопывания, то в какой-то момент силы гравитации материи остановят расширение вселенной и начнется ее сжатие обратно в сингулярность. Затем последует новый большой взрыв и новое расширение – так вселенная и существует постоянно то расширяясь, то сжимаясь.
Второй сценарий – большой разрыв состоит в том, что ускоренное расширение вселенной приведет к тому, что расстояние между элементарными частицами увеличится настолько, что станут невозможными какие-либо виды взаимодействий между ними. Это может случится примерно через 22 миллиарда лет.
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ
ГЛАВА 5
Черная дыра – удивительное явление, встречающееся во Вселенной. Оно представляет большой интерес для ученых, однако в процессе его изучения они сталкиваются со многими трудностями. Тем не менее, современные технологии позволяют не только построить теории об устройстве черных дыр, но и проверить их на практике.
Что такое черная дыра?
Это может показаться странным, но черные дыры являются самыми простыми объектами во Вселенной в плане характеристик. У них есть лишь два параметра: скорость вращения и масса. В астрофизике считается, что они являются финальным этапом эволюции звезд. Когда жизненный цикл светила подходит к концу, оно взрывается, а его центр превращается в черную дыру. Поверхность новообразованного небесного тела называется горизонтом событий. Но нужно понимать, что у черной дыры отсутствует физическая оболочка. Под данным термином подразумевается лишь пространство на определенном расстоянии от центра, где заканчивается действие силы притяжения. Когда объект или свет пересекает горизонт событий, он уже не может выбраться из черной дыры, поскольку оказывается в сильном гравитационном поле
Почему черные дыры так называются?
Изначально данные космические объекты назывались коллапсарами. Однако в XX веке журналисты научных изданий начали использовать словосочетание “черная дыра”. Оно так сильно понравилось физику Джону Уиллеру, что он вывел его на уровень официального обозначения. Черные дыры получили такое название, поскольку полностью поглощают свет, из-за чего их нельзя увидеть. Разглядеть объект можно лишь в том случае, если вокруг горизонта событий находится оболочка из определенного вещества, например, газа. Также черная дыра хорошо заметна, если она впитывает вещество и энергию из расположенной рядом звезды. В противном случае обнаружить ее не удасться, поскольку она будет невидима для человеческого глаза и приборов.
Хоть данные объекты и поглощают свет полностью, никак его не отражая, есть гипотеза, что они могут обладать излучением. Во время своего существования черная дыра способна испускать в пространство разные простейшие частицы, большую часть которых составляют фотоны. С физической точки зрения этот процесс напоминает постепенное испарение. На данный момент это явление не доказано, и существует лишь гипотетическая модель. Ученые называют его излучением Хокинга. Видимыми черные дыры становятся, когда сталкиваются друг с другом. От них в пространство начинают исходить заметные гравитационные волны. Как появляются черные дыры?
Появление черных дыр напрямую зависит от их массы. По этому параметру они разделяются на две категории: околосолнечные – их вес равен нескольким Солнцам, и массивные – у них данный параметр в миллионы раз больше.
Исследования показывают, что околосолнечные черные дыры имеют большой возраст и скорее всего появились на ранних этапах формирования Вселенной. Они образовались в результате сжатия звезд, размеры которых в 25-70 раз превышают габариты Солнца. Когда светило прекращало уменьшаться, оно взрывалось, а его центр превращался в черную дыру. Массивные объекты в большинстве случаев образуются из гигантских газовых облаков. Массы последних как раз хватает, чтобы сформировалась черная дыра больших размеров, которая весит в миллионы раз больше Солнца. На территории Млечного Пути существует одна из таких под названием Стрелец А*. Она находится в 26 тысячах световых лет от Солнечной системы. Эта черная дыра появилась примерно в то же время, что и галактика, и располагается в ее центре. Основным материалом для нее послужило газовое облако, которое сжалось до малых размеров. Также есть версия, что черная дыра в Млечном Пути появилась после взрыва звезды гигантских размеров.
На протяжении своего существования оба вида объектов притягивают из пространства вещества, которые пересекают их горизонт событий. Из-за этого габариты черной дыры постепенно увеличиваются. Более того, если поглощение происходит лишь с одной стороны, она начинает вращаться в определенную сторону.
Какой формы черная дыра?
Все черные дыры вращаются вокруг своей оси. И от скорости напрямую зависит их внешний вид. Если движение происходит медленно, то форма объекта будет сферической. Но когда черная дыра вращается с большой скоростью, ее полюса сплющиваются, из-за чего она становится овальной.
Все черные дыры вращаются вокруг своей оси. И от скорости напрямую зависит их внешний вид. Если движение происходит медленно, то форма объекта будет сферической. Но когда черная дыра вращается с большой скоростью, ее полюса сплющиваются, из-за чего она становится овальной.
На данный момент современных технологий хватает на то, чтобы определить форму объекта. Но ученым до сих пор не удается узнать, что находится в центре черной дыры. Известно, что там не действуют физические законы, а кривизна пространства стремится к бесконечности. Пока самым распространенным мнением считается, что внутри черной дыры находится сингулярность.
РОЖДЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ
ГЛАВА 6
Космология, строение Вселенной, прошлое, настоящее и будущее нашего мира – эти вопросы всегда занимали лучшие умы человечества. Для развития космологии, да и науки в целом, крайне важно понимание Вселенной как единого целого. Особую роль играют экспериментальная проверка абстрактных построений, подтверждение их наблюдательными данными, осмысление и сопоставление результатов исследований, адекватная оценка тех или иных теорий. Сейчас мы находимся на середине пути, который ведет от решения уравнений Эйнштейна к познанию тайны рождения и жизни Вселенной.
Очередной шаг на этом пути сделал создатель теории хаотической инфляции, воспитанник Московского государственного университета, ныне профессор Стэнфордского университета Андрей Дмитриевич Линде, внесший существенный вклад в понимание самой ранней стадии развития Вселенной. Многие годы он проработал в одном из ведущих академических российских институтов – Физическом институте им. Лебедева Академии наук (ФИАН), занимался следствиями современных теорий элементарных частиц, работая вместе с профессором Давидом Абрамовичем Киржницем.
В 1972 г. Киржниц и Линде пришли к выводу, что в ранней Вселенной происходили своеобразные фазовые переходы, когда различия между разными типами взаимодействий вдруг исчезали: сильные и электрослабые взаимодействия сливались в одну единую силу. (Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий, осуществляемых кварками и лептонами посредством обмена безмассовыми фотонами (электромагнитное взаимодействие) и тяжелыми промежуточными векторными бозонами (слабое взаимодействие), создана в конце 1960-х гг. Стивеном Вайнбергом, Шелдоном Глэшоу и Абдусом Саламом.) В дальнейшем Линде сосредоточился на изучении процессов на еще более ранних стадиях развития Вселенной, в первые 10–30 с после ее рождения. Раньше казалось маловероятным, что до нас может дойти эхо событий, происходивших в первые миллисекунды рождения Вселенной. Однако в последние годы современные методы астрономических наблюдений позволили заглянуть в далекое прошлое.
Проблемы космологии
Рассматривая теорию Большого взрыва, исследователи сталкивались с проблемами, ранее воспринимавшимися как метафизические. Однако вопросы неизменно возникали и требовали ответов.
Что было тогда, когда ничего не было? Если Вселенная родилась из сингулярности, значит, когда-то ее не существовало. В «Теоретической физике» Ландау и Лифшица сказано, что решение уравнений Эйнштейна нельзя продолжить в область отрицательного времени, и потому в рамках общей теории относительности вопрос «Что было до рождения Вселенной?» не имеет смысла. Однако вопрос этот продолжает волновать всех нас.
Пересекаются ли параллельные линии? В школе нам говорили, что нет. Однако когда речь заходит о космологии, ответ не столь однозначен. Например, в замкнутой Вселенной, похожей на поверхность сферы, линии, которые были параллельными на экваторе, пересекаются на северном и южном полюсах. Так прав ли Евклид? Почему Вселенная кажется плоской? Была ли она такой с самого начала? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо установить, что представляла собой Вселенная на самом раннем этапе развития.
Почему Вселенная однородна? На самом деле это не совсем так. Существуют галактики, звезды и иные неоднородности. Если посмотреть на ту часть Вселенной, которая находится в пределах видимости современных телескопов, и проанализировать среднюю плотность распределения вещества в космических масштабах, окажется, что она одинакова во всех направлениях с точностью до 10–5. Почему же Вселенная однородна? Почему в разных частях Вселенной действуют одни и те же законы физики? Почему Вселенная такая большая? Откуда взялась энергия нужная для ее возникновения?
Сомнения возникали всегда, и чем больше ученые узнавали о строении и истории существования нашего мира, тем больше вопросов оставалось без ответов. Однако люди старались о них не думать, воспринимая большую однородную Вселенную и непересекающиеся параллельные линии как данность, не подлежащую обсуждению. Последней каплей, заставившей физиков пересмотреть отношение к теории ранней Вселенной, явилась проблема реликтовых монополей.
Существование магнитных монополей было предложено в 1931 г. английским физиком-теоретиком Полем Дираком. Если такие частицы действительно существует, то их магнитный заряд должен быть кратен некоторой заданной величине, которая, в свою очередь, определяется фундаментальной величиной электрического заряда. Почти на полвека эта тема была практически забыта, но в 1975 г. было сделано сенсационное заявление о том, что магнитный монополь обнаружен в космических лучах. Информация не подтвердилась, но сообщение вновь пробудило интерес к проблеме и способствовало разработке новой концепции.
Согласно новому классу теорий элементарных частиц, возникшему в 70-е гг., монополи могли появиться в ранней Вселенной в результате фазовых переходов предсказанных Киржницем и Линде. Масса каждого монополя в миллион миллиардов раз больше массы протона. В 1978–1979 гг. Зельдович, Хлопов и Прескилл обнаружили, что таких монополей рождалось довольно много, так что сейчас на каждый протон приходилось бы по монополю, а значит, Вселенная была бы очень тяжелой и должна была быстро сколлапсировать под своим собственным весом. Тот факт, что мы до сих пор существуем, опровергает такую возможность.
Пересмотр теории ранней Вселенной
Ответ на большую часть перечисленных вопросов удалось получить только после возникновения инфляционной теории.
Инфляционная теория имеет долгую историю. Первую теория такого типа предложил в 1979 году член-корреспондент РАН Алексей Александрович Старобинский. Его теория была довольно сложной. В отличие от последующих работ, она не пытались объяснить, почему Вселенная большая, плоская, однородная, изотропная. Тем не менее, она имела многие важные черты инфляционной космологии.
В 1980 г. сотрудник Массачусетского технологического института Алан Гус (
Теория Гуса была основана на теории фазовых переходов в ранней Вселенной развитой Киржницем и Линде. В отличие от Старобинского, Гус ставил своей целью с помощью одного простого принципа объяснить, почему Вселенная большая, плоская, однородная, изотропная, а также почему монополей нет. Стадия инфляции могла бы решить эти проблемы.
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.
В новом сценарии Линде показал, что разогрев после раздувания происходит за счет рождения частиц во время колебаний скалярного поля (см. ниже). Таким образом, соударения стенок пузырьков, порождающих неоднородности, стали не нужны, и тем самым была решена проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной.
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. Напряжение в электрических сетях США – 110 В, а в России – 220 В. Если бы человек одной рукой держался за американский провод, а другой – за российский, его бы убила разница потенциалов. Если бы напряжение везде было одинаковым, не было бы разницы потенциалов и ток бы не тек. Так вот в постоянном скалярном поле разницы потенциалов нет. Поэтому мы не можем увидеть постоянное скалярное поле: оно выглядит как вакуум, который в некоторых случаях может обладать большой плотностью энергии.
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.
Рассмотрим простейшее скалярное поле, плотность потенциальной энергии которого пропорциональна квадрату его величины, подобно тому как энергия маятника пропорциональна квадрату его отклонения от положения равновесия:
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.
Поделиться книгой: