Вечная инфляция

В течение почти трёх десятилетий с момента открытия инфляция является основным инструментом космологических исследований. Но для получения точного вида всей исследовательской панорамы следует помнить, что инфляция — это способ осмысления космологии, а не какая-то конкретная теория. Исследования показали, что существует множество способов для воплощения инфляции; отличаются лишь детали, такие как число полей инфлатона, обеспечивающих отрицательное давление, конкретные кривые потенциальной энергии различных полей и так далее. К счастью, разнообразные реализации инфляции имеют общие черты, и поэтому можно сделать определённые выводы, даже не имея окончательной версии теории.

Среди разных сценариев инфляции есть один, изначально выдвинутый Александром Виленкиным25 из университета Тафтса и впоследствии разработанный другими исследователями, прежде всего Линде; он имеет первостепенную важность. Фактически именно поэтому я потратил первую половину этой главы, объясняя инфляционный сценарий.

Во многих вариантах инфляционной теории взрывоподобное пространственное расширение не является единомоментным событием. Наоборот, процесс, благодаря которому образовалась наша область Вселенной — быстрое расширение пространства и следующее за ним более обычное, более спокойное расширение, сопровождающееся рождением частиц, — может неоднократно повторяться в толще космоса. Если представить космос в целом, он будет изобиловать бесчисленным множеством далеко разбросанных областей, каждая из которых несёт след произошедшего инфляционного расширения. Наш мир, который мы издавна привыкли считать единственной вселенной, является одним из множества таких областей, парящих в неизмеримо большем пространстве. Если в других областях есть разумные существа, они бы также уверенно считали, что их вселенная единственна. Таким образом, инфляционная космология приводит нас к очередной вариации на тему параллельных миров.

Для понимания того, как возникает такая инфляционная мультивселенная, в мою аналогию с Колобком следует добавить два усложняющих обстоятельства.

Первое: образ Колобка, сидящего высоко на вершине холма, отражает поле инфлатона, обладающее значительной потенциальной энергией и отрицательным давлением и находящееся в неустойчивом равновесии. Но если Колобок сидит на вершине одного холма, поле инфлатона обладает значением в каждой точке пространства. В основу теории закладывается изначальное равенство значений поля инфлатона во всех точках исходной области. Поэтому чтобы более адекватно представить инфляционный сценарий, нам бы потребовалось вообразить нечто довольно странное: многочисленных клонов Колобка, забравшихся на многочисленные, близко расположенные, тождественные вершины гор во всём пространстве.

Второе: до сих пор мы почти никак не затрагивали квантовый аспект квантовой теории поля. Поле инфлатона, как и всё остальное в нашей квантовой вселенной, подвержено квантовой неопределённости. Это означает, что его значение будет испытывать случайные флуктуации, мгновенно немножко возрастая здесь и убывая немножко там. В обычной жизни квантовые флуктуации слишком малы, чтобы их заметить. Однако вычисления показывают, что чем больше энергия инфлатона, тем больше его флуктуации, возникающие из-за квантовой неопределённости. Поскольку энергия инфлатона во время инфляционного расширения крайне высока, то квантовые флуктуации в ранней Вселенной должны быть большими и доминирующими.26

Таким образом, следует представлять не просто целый отряд Колобков, забравшихся высоко на одинаковые горные вершины; также следует вообразить, что происходят случайные подземные толчки — тут сильнее, там слабее, а вот там очень сильно. Тогда можно понять, что произойдёт. Разные клоны Колобков будут удерживаться на своих горных вершинах в течение разного времени. Где-то сильное землетрясение свалит большинство Колобков вниз; где-то толчки будут не очень сильными, и им удастся свалить только часть Колобков; а где-то Колобки начали сваливаться вниз, но сильный толчок их может закинуть обратно на вершину. Через некоторое время вся местность поделится случайным образом на области (что похоже на то, как Соединённые Штаты разделены на отдельные штаты): в каких-то из них ни один из Колобков не удержался наверху, а в остальных Колобки спокойно сидят на своих вершинах.

Случайность квантовых флуктуаций приводит к похожему выводу для поля инфлатона. Исходно инфлатон находится на самом верху кривой потенциальной энергии в каждой точке некоторой области пространства. Затем квантовые флуктуации действуют как подземные толчки. По этой причине, как показано на рис. 3.2, пространство быстро разделяется на области: в некоторых квантовые флуктуации заставляют поле скатиться по кривой вниз, а в других оно остаётся наверху.

Рис. 3.2. Различные области пространства, где инфлатон уже скатился по склону (тёмно-серые), либо где он удерживается наверху (светло-серые)

Пока дела идут неплохо. Но теперь следите внимательнее, именно здесь начинается различие между Колобками и космологией. Поле, находящееся на вершине кривой потенциальной энергии, воздействует на окружение значительно сильнее, чем сидящие на вершинах Колобки. Вспоминая нашу присказку — что однородная энергия поля и отрицательное давление приводят к гравитационному отталкиванию, — мы понимаем, что область, заполненная полем инфлатона, расширяется с фантастической скоростью. Это означает, что эволюция поля инфлатона управляется двумя противоположными процессами. Квантовые флуктуации, стремящиеся сбросить поле с верхнего положения, уменьшают область пространства, заполненного большой энергией. Инфляционное расширение путём быстрого увеличения тех областей, где поле удерживается в верхнем положении, увеличивает объём пространства, заполненного большой энергией.

Какой из процессов возобладает?

В абсолютном большинстве предложенных вариантов инфляционной космологии увеличение происходит по-меньшей мере так же быстро, как уменьшение. Причина в том, что поле инфлатона, которое можно слишком быстро сбросить со своей вершины, как правило, создаёт очень небольшое инфляционное расширение для решения проблемы горизонта; таким образом, в космологически успешных вариантах инфляции увеличение превалирует над уменьшением, и поэтому полный объём пространства, в котором энергия поля велика, увеличивается со временем. Принимая, что подобные полевые конфигурации приводят к дальнейшему инфляционному расширению, мы видим, что однажды начавшись, инфляция не заканчивается никогда.

Это похоже на вирусную эпидемию, где для устранения угрозы необходимо уничтожить вирус быстрее, чем он сможет воспроизвести себя. Инфляционный вирус «воспроизводит» себя — большое значение поля порождает быстрое пространственное расширение и таким образом наполняет большую область с таким же большим значением поля — и это происходит быстрее, чем противоположный процесс успевает погасить этот эффект. Инфляционный вирус весьма успешно сопротивляется уничтожению.27