Почему мы живем не в пустом пространстве? 3 страница

она растягивает небольшой участок пространства, делая его плоским и гладким

и решая таким образом проблемы плоскостности и горизонта. Кроме того, она

избавляет нас от нежелательных пережитков прошлого, таких как магнитные

монополи. Но как это все в действительности работает?

Очевидно, что фокус с инфляцией зависит от наличия врéменной формы

темной суперэнергии, которая в течение какого-то времени стимулирует рас-

ширение Вселенной, а затем внезапно исчезает. Такое поведение может казать-

ся нелогичным, ведь определяющим свойством темной энергии является

почти полное ее постоянство в пространстве и времени. По большей части это

действительно так, но могут также происходить неожиданные скачки ее плот-

ности — «фазовые переходы», при которых значение темной энергии резко

падает, как при схлопывании пузыря. Фазовый переход подобного рода предо-

ставляет секретный ключик к пониманию инфляции.

 

Глава 14. Инфляция и Мультиленная

 

 

Возможно, вы задаетесь вопросом, что же в конце концов порождает эту

темную суперэнергию, стимулирующую инфляцию. Ответ — квантовое поле,

точно такое же, как поля, вибрации которых обнаруживаются в форме окру-

жающих нас частиц. К сожалению, ни одно из известных нам полей — поле

нейтрино, электромагнитное поле и т. д. — не подходит для этой работы. Так

что космологи попросту предположили, что должно существовать какое-то

совершенно новое поле, приводящее к инфляции, и недолго думая нарекли его

«инфлатоном». Придумывать новые поля на пустом месте — занятие не на-

столько постыдное, как может показаться; правда в том, что инфляция предпо-

ложительно происходит при энергиях, намного превышающих те, которые мы

в состоянии напрямую воссоздать в лабораторных условиях здесь, на Земле.

Без сомнения, при таких энергиях может существовать любое количество

новых полей, пусть даже мы не не знаем, что это за поля; вопрос только в том,

обладают ли какие-либо из них подходящими свойствами, чтобы выполнить

функции инфлатона (то есть инициировать врéменную фазу темной супер-

энергии, которая расширяет Вселенную до невероятных размеров, а затем

распадается и исчезает).

Пока в наших обсуждениях квантовых полей мы делали акцент на том, что

вибрации этих полей порождают частицы. Если поле везде постоянно, а вибра-

ции отсутствуют, то мы и не видим никаких частиц. Если бы нас беспокоили

исключительно частицы, то фоновое значение поля — среднее значение, кото-

рое оно принимает, если вообразить, что все вибрации сглажены, — не играло

бы никакой роли, так как оно не поддается непосредственному наблюдению.

Однако фоновое значение поля можно измерить косвенно: в частности, оно

способно нести энергию и, следовательно, влиять на кривизну пространства—

времени.

Энергия, связанная с полем, может возникать разными способами. Обычно

она связана с тем, что от одной точки пространства—времени к другой поле

меняется; это энергия растяжения, соответствующая меняющимся значениям

поля, подобно тому как существует энергия, связанная со скручиваниями

и вибрациями резинового листа. Но в дополнение к этому поля способны об-

ладать энергией даже тогда, когда они просто принимают постоянное значение,

без каких-либо колебаний. Такой тип энергии, соответствующий самому зна-

чению поля, а не его изменениям от одной точки пространства к другой или

от одного момента времени к другому, называется потенциальной энергией.

Совершенно плоский резиновый лист обладает большей энергией тогда, когда

он поднят высоко над землей, чем в том случае, когда он лежит на ее поверх-

ности; мы знаем это, потому что можем извлечь эту энергию, взяв лист и бросив

 

 

Часть IV. Из кухни в Мультиленную

 

его вниз. Потенциальная энергия может быть преобразована в другие виды

энергии.

В ситуации с резиновым листом (или с любым другим объектом, находя-

щимся в гравитационном поле Земли) потенциальная энергия ведет себя до-

статочно прямолинейно: чем выше мы подняли объект, тем выше его потенци-

альная энергия. Однако с полями все намного сложнее. Если вы изобретаете

новую теорию физики элементарных частиц, то вам необходимо задать зави-

симость потенциальной энергии от значения каждого поля. Базовых правил,

которыми вы могли бы руководствоваться, не так много; просто каждому

возможному значению каждого поля присваивается некоторое значение по-

тенциальной энергии, и это часть формулировки теории. На рис. 14.6 показан

пример потенциальной энергии какого-то гипотетического поля как функции

значения поля.

 

Рис. 14.6. Изменение потенциальной энергии в зависимости от фонового значения какого-

то гипотетического поля, например инфлатона. Поля стремятся к тому, чтобы скатываться

в нижние точки энергетической кривой; на данном графике точки A, B и C представляют

разные фазы, в которых может находиться вакуум. Самое низкое значение энергии в фазе B,

так что это «истинный вакуум», тогда как A и C — это «ложные вакуумы»

Поле, у которого нет ничего, кроме потенциальной энергии (ни вибраций,

ни движения, ни скручивания), просто существует, не изменяясь. Следователь-

но, его потенциальная энергия на кубический сантиметр остается постоянной,

даже если Вселенная расширяется. Мы понимаем, что это значит: это энергия

вакуума. (Точнее, это один из многих возможных вкладов в полную энергию

вакуума.) Поле можно представлять себе как мяч, катящийся вниз по склону

холма; он стремится к тому, чтобы остановиться в покое во впадине между

 

Глава 14. Инфляция и Мультиленная

 

 

холмами, где значение энергии ниже всего, — по крайней мере, ниже, чем лю-

бое другое соседнее значение. Разумеется, возможны и другие значения поля,

которым соответствует еще более низкая энергия, но эти, более глубокие

«впадины» разделены «холмами». На рис. 14.6 поле может счастливо жить

при любом значении: A, B или C, но только в точке B энергия на самом деле

минимальна. Значения A и C известны как «ложные вакуумы», и они кажутся

состояниями с самой низкой энергией лишь тогда, когда для сравнения вы

берете только соседние значения. «Истинный вакуум», где энергия на самом

деле меньше всего, — это B. (Для физика «вакуум» — это не упражнение для

укрепления брюшного пресса и даже не обязательно «пустое пространство».

Это просто «состояние теории с самой низкой энергией». Посмотрите на

кривую потенциальной энергии для какого-то поля: дно каждой впадины со-

ответствует отдельному вакуумному состоянию.)

Гут совместил эти идеи в своем сценарии инфляционной Вселенной. Вооб-

разите, что гипотетическое поле инфлатона пребывает в точке A, в одном из

ложных вакуумов. Поле вносит существенный вклад в энергию вакуума, вследствие

чего Вселенная ускоренно расширяется. Теперь нам остается лишь объяснить,

как поле сумело переместиться из ложного вакуума A в истинный вакуум B,

в котором мы сейчас живем, — как случился этот фазовый переход, превращаю-

щий энергию, запертую в поле, в обычную материю и излучение. Изначально Гут

предположил, что это произошло, когда в ложном вакууме появились пузыри

истинного вакуума, которые затем увеличились и, столкнувшись с другими пу-

зырями, заполнили все пространство. Как выясняется, такой вариант, известный

сегодня под названием старой инфляции, не работает; переход случается либо

слишком быстро, и тогда инфляционного расширения не хватает, либо слишком

медленно, и тогда инфляция никогда не заканчивается.

К счастью, вскоре после публикации первоначальной статьи Гута было

сделано альтернативное предположение: представьте себе, что инфляция не

застряла во «впадине» ложного вакуума, а начинается на возвышенном пла-

то — длинном и почти плоском. Поле медленно катится вниз по плато, сохра-

няя почти постоянную энергию, и в конце концов падает с обрыва (фазовый

переход). Это называется новой инфляцией, и в настоящее время это самая

популярная среди космологов реализация идеи инфлатирующей Вселенной.9

Однако этим дело не ограничивается. Помимо решения проблем горизон-

та, плоскостности и монополей, к инфляции также прилагается совершенно

неожиданный бонус: она способна объяснить истоки небольших флуктуаций

плотности ранней Вселенной, которые впоследствии выросли в звезды и галак-

тики.

 

 

Часть IV. Из кухни в Мультиленную

 

 

Рис. 14.7. Кривая потенциальной энергии, соответствующая «новой инфляции». Поле

никогда не застревает во впадине, а просто очень медленно катится вниз с возвышенного

плато, прежде чем рухнуть в минимум. Плотность энергии в течение этой фазы не постоянна,

но близка к тому

Механизм прост и неизбежен: квантовые флуктуации. Инфляция старается

изо всех сил, для того чтобы сделать Вселенную как можно более однородной,

но ей не преодолеть фундаментальный предел, определяемый квантовой меха-

никой. Конфигурация не может стать слишком однородной, иначе мы нарушим

принцип неопределенности Гейзенберга, описав состояние Вселенной слишком

точно. Неизбежная квантовая нечеткость в плотности энергии от места к месту

во время инфляции оставляет свой отпечаток на плотности материи и излучения,

в которые инфляция преобразуется, а это можно перевести в очень точные

и конкретные предсказания того, какие типы возмущений плотности мы должны

увидеть в ранней Вселенной. Это те самые начальные возмущения, приводящие

к температурным флуктуациям микроволнового фонового излучения и вы-

растающие в конечном итоге в звезды, галактики и кластеры. Пока предсказанные

инфляцией типы возмущений прекрасно согласуются с данными наблюдений.10

Дух захватывает, когда смотришь на небо, на все эти галактики, рассыпанные по

пространству, и понимаешь, что все они зародились в квантовых флуктуациях,

когда Вселенной была всего лишь доля секунды от роду.

 

Вечная инфляция

После того как инфляция была предложена, космологи рьяно взялись за изуче-

ние ее свойств в самых разных моделях. В ходе этих исследований российско-

американские физики Александр Виленкин и Андрей Линде заметили кое-что

 

Глава 14. Инфляция и Мультиленная

 

 

интересное: стоит инфляции начаться, и она, судя по всему, никогда не оста-

навливается.11

Для того чтобы понять это, проще всего на самом деле вернуться к идее

старой инфляции, хотя данное явление так же характерно и для новой инфляции.

В старой инфляции инфляционное поле застряло в ложном вакууме, а не ка-

тится медленно по склону холма. Поскольку больше в пространстве ничего нет,

Вселенная во время инфляции принимает форму пространства де Ситтера

с очень высокой плотностью энергии. Главный фокус в том, как выбраться из

этой фазы — как остановить инфляцию и заставить пространство де Ситтера

превратиться в горячую расширяющуюся Вселенную традиционной модели

Большого взрыва. Нам нужно каким-то образом преобразовать энергию, хра-

нящуюся в состоянии ложного вакуума инфляционного поля, в обычную ма-

терию и излучение.

Поле, застрявшее в ложном вакууме, хочет распасться в истинный вакуум,

обладающий более низкой энергией. Но оно не делает это одномоментно;

ложный вакуум распадается посредством формирования пузырей, точно так

же, как жидкая вода кипит, превращаясь в водяной пар. Через случайные ин-

тервалы времени в ложном вакууме появляются небольшие пузырьки истин-

ного вакуума, представляющие собой квантовые флуктуации. Каждый пузырь

растет, и пространство внутри него расширяется. Однако пространство сна-

ружи пузыря расширяется еще быстрее, так как там все еще доминирует высо-

коэнергетический ложный вакуум.

И мы наблюдаем состязание: пузыри истинного вакуума появляются и ра-

стут, но пространство между ними также растет, расталкивая сами пузыри. Что

победит? Все зависит от того, как быстро пузыри создаются. Если это проис-

ходит достаточно быстро, то все пузыри сталкиваются между собой и энергия

ложного вакуума преобразуется в материю и излучение. Однако мы не хотим,

чтобы пузыри формировались слишком быстро, — ведь в этом случае Вселенная

не успеет расшириться настолько, чтобы справиться с космологическими за-

гадками.

К несчастью для сценария старой инфляции, подходящего компромисса

здесь не существует. Если мы настаиваем, что инфляция решает наши космо-

логические загадки, то выясняется, что пузыри при этом формируются так

редко, что заполнить все пространство им не удастся никогда. Отдельные пу-

зыри могут сталкиваться — исключительно по стечению обстоятельств; но все

множество пузырей не сможет расшириться и врезаться друг в друга достаточ-

но быстро, чтобы превратить весь ложный вакуум в истинный вакуум. Между

пузырями всегда будет оставаться пространство, застрявшее в ложном вакууме

 

 

Часть IV. Из кухни в Мультиленную

 

и расширяющееся с необычайно высокой скоростью. И хотя пузыри продолжат

формироваться, общий объем ложного вакуума продолжит увеличиваться, так

как пространство расширяется быстрее, чем создаются пузыри.

В результате получается совершеннейший сумбур: хаотичное фрактальное

распределение пузырей истинного вакуума, окруженное невероятно быстро

расширяющимися областями ложного вакуума. Это совершенно не похоже на

однородную, плотную раннюю Вселенную, которая нам хорошо знакома, по-

этому идея старой инфляции была отправлена на свалку, как только подоспела

новая инфляция.

Однако и здесь есть лазейка: а что, если наша наблюдаемая Вселенная со-

держится внутри одного пузыря? Тогда то, что пространство за пределами пу-

зыря очень неоднородное, с фрагментами ложного вакуума и кусками истин-

ного вакуума, не играет никакой роли — в нашем пузыре все выглядит

однородным, и мы не в состоянии увидеть, что происходит снаружи, просто

потому что ранняя Вселенная непрозрачна.

Существует веская причина, почему Гут не рассматривал такую возмож-

ность, когда впервые заговорил о старой инфляции. Если начать с простейших

примеров пузыря истинного вакуума, появляющегося внутри ложного вакуу-

ма, то станет понятно, что внутренность такого пузыря составляют не материя

и излучение — он абсолютно пуст. Следовательно, это не переход от простран-

ства де Ситтера с высокой энергией вакуума к традиционной космологии

Большого взрыва; это переход прямо к пустому пространству, имеющему

форму пространства де Ситтера с более низким значением энергии вакуума

(если энергия истинного вакуума положительная). И это не та Вселенная,

в которой мы живем.

Лишь намного позже космологи осознали, что этот вывод немного скоро-

палителен. Действительно, существует способ «заново нагреть» внутренность

пузыря истинного вакуума, для того чтобы создать условия модели Большого

взрыва: реализовать эпизод новой инфляции внутри пузыря. Вообразим, что

поле инфлатона внутри пузыря не достигает сразу же самой низкой точки

своего потенциала, соответствующей истинному вакууму; вместо этого оно

приземляется на промежуточное плато, с которого затем медленно скатывает-

ся в минимум. В этом случае фаза новой инфляции может происходить в каждом

пузыре; плотность потенциальной энергии инфлатона, пока он находится на

плато, позднее может преобразоваться в материю и излучение, и в результате

мы получим совершенно правдоподобную Вселенную.12

Итак, старая инфляция, стоит ей начаться, никогда не заканчивается. Могут

возникать пузыри истинного вакуума, похожие на нашу Вселенную, но область

 

Глава 14. Инфляция и Мультиленная

 

 

Рис. 14.8. Распад пространства де Ситтера, соответствующего ложному вакууму, на пузы-

ри истинного вакуума в старой инфляции. Никогда не происходит так, чтобы все пузыри

столкнулись и заполнили все пространство, так как объем пространства в фазе ложного

вакуума увеличивается быстрее. В действительности инфляция никогда не останавливается

ложного вакуума снаружи не прекратит расти. Будет появляться все больше

и больше пузырей, и процесс никогда не прервется. Это идея «вечной инфля-

ции». Так происходит не в каждой инфляционной модели; наличие или от-

сутствие подобного поведения зависит от характеристик инфлатона и его по-

тенциала.13 Но необходимости проводить тонкую подстройку теории, для того

чтобы получить вечную инфляцию, нет; она происходит в значительной части

инфляционных моделей.

 

Мультиленная

Про вечную инфляцию можно говорить еще долго, но давайте сфокусируем-

ся на одном ее следствии: хотя Вселенная, которую мы видим, на больших

масштабах выглядит очень однородной, на еще больших (ненаблюдаемых)

масштабах она далека от однородности. Крупномасштабное единообразие

нашей наблюдаемой Вселенной иногда склоняет космологов к предположению

о том, что Вселенная должна бесконечно продолжаться в том же духе во всех

направлениях. Однако это всегда было лишь предположением, упрощающим

нашу жизнь, а не результатом скрупулезно выверенной цепочки доказательств.

Сценарий вечной инфляции предсказывает, что Вселенная не сохраняет одно-

родность на всем своем протяжении; очень далеко за пределами нашего на-

блюдаемого горизонта картина в конце концов кардинально меняется.

 

 

Часть IV. Из кухни в Мультиленную

 

Несомненно, где-то там, далеко, инфляция все еще продолжается. Такой

сценарий кажется нам сейчас довольно умозрительным, но важно помнить,

что Вселенная на ультрабольших масштабах, скорее всего, очень сильно от-

личается от крохотного участка Вселенной, к которому у нас есть непосред-

ственный доступ.

Данная ситуация привела к появлению нового словаря и ошибочному

употреблению части старого. Каждый пузырь истинного вакуума, если все

организовано правильно, приближенно напоминает нашу наблюдаемую Все-

ленную: потенциальная энергия инфлатона превращается в обычную материю

и излучение, и мы обнаруживаем горячее, плотное, однородное, расширяюще-

еся пространство. Наблюдатель, проживающий внутри одного пузыря, не видит

никакие другие пузыри (если только они не сталкиваются) — в ранние време-

на его собственного пузыря он обнаруживает условия, схожие с Большим

взрывом. Эта картина вообще-то представляет простейший пример Мульти-

ленной — каждый пузырь, эволюционируя отдельно от остальных, сам по себе

эволюционирует как Вселенная.

Очевидно, что здесь мы достаточно вольно обращаемся со словом «Все-

ленная». Если бы мы были осторожнее, то использовали бы его для обозна-

чения всего сущего, независимо от того, способны мы это увидеть или нет

(и иногда мы так и делаем, чтобы вам жизнь не казалась слишком простой).

Но большая часть космологов злоупотребляет терминологией уже так давно,

что если мы планируем общаться с другими учеными, нам следует научиться

говорить на их языке. Мы слышим заявления вроде «нашей Вселенной че-

тырнадцать миллиардов лет» настолько часто, что нам просто не хочется

возвращаться к истокам и поправлять их, добавляя «по крайней мере, на-

блюдаемой части нашей Вселенной». Однако вместо этого люди просто

обозначают словом «Вселенная» участок пространства—времени, напо-

минающий нашу наблюдаемую Вселенную, который зародился в горячем,

плотном состоянии и расширился из него. Алан Гут предложил термин

«карманные Вселенные» (pocket universes), чуть более точно отражающий

суть идеи.

Таким образом, Мультиленная — это просто набор карманных Вселенных

(областей истинного вакуума, расширяющихся и охлаждающихся после эф-

фектного рождения) и фоновое инфлатирующее пространство—время, в ко-

торое они заключены. Если задуматься, это довольно-таки приземленная

концепция идеи Мультиленной. Всего лишь множество различных областей

пространства, которые все эволюционируют аналогично нашей наблюдаемой

Вселенной.

 

Глава 14. Инфляция и Мультиленная

 

 

В последнее время большое внимание привлекает интересное свойство

Мультиленной такого типа: во всех этих карманных Вселенных локальные за-

коны физики могут быть совершенно разными. На графике потенциальной

энергии инфлатона на рис. 14.6 мы показали три разных состояния вакуума:

A, B, C. Но совершенно не обязательно мы должны ограничиваться этим. Как

мы вскользь упомянули в главе 12, теория струн, судя по всему, предсказывает

существование огромного количества вакуумов — как минимум 10500, а может

быть, еще больше. Каждое из этих состояний представляет собой отдельную

фазу, в которой может пребывать пространство—время. Это означает разные

типы частиц, с разными массами и взаимодействиями — по сути, совершенно

новые законы физики в каждой Вселенной. И снова мы допускаем определен-

ные терминологические вольности, ведь базовые законы (теория струн или что

угодно еще) остаются теми же; тем не менее они проявляют себя разными

способами, так же как вода может быть твердой, жидкой или газообразной.

Сегодня ученые, занимающиеся исследованием теории струн, используют такой

термин, как «ландшафт» возможных вакуумных состояний.14

Однако одно дело, когда ваша теория допускает множество различных ва-

куумных состояний, каждое с собственными законами физики, и совсем дру-

гое — заявлять, что все эти разнообразные состояния на самом деле существу-

ют где-то в Мультиленной. Здесь в игру вступает вечная инфляция. Мы

рассказали историю, в которой инфляция зарождается в состоянии ложного

вакуума, а заканчивается (в каждой карманной Вселенной), эволюционируя

в истинный вакуум, — либо путем образования пузырей, либо медленно ска-

тываясь с холма вниз. Но если инфляция продолжается вечно, то ничто не за-

прещает ей эволюционировать в разные состояния вакуума в разных карманных

Вселенных; и действительно, именно этого от нее и можно ожидать. Поэтому

вечная инфляция предлагает способ взять все эти возможные Вселенные и сде-

лать их реальными.

Такой сценарий — если он верен — приводит к важным следствиям. Самое

очевидное из них то, что если вы лелеяли надежду научиться на основе Теории

Всего Сущего уникальным образом предсказывать свойства наблюдаемых нами

физических объектов и явлений (массу нейтрино, заряд электрона и т. д.), то

с этими мечтами можно распрощаться. Локальные проявления законов физики

от Вселенной к Вселенной будут очень сильно разниться. Возможно, вы также

надеетесь на возможность каких-то статистических предсказаний, основанных

на антропном принципе: «шестьдесят три процента наблюдателей в Мульти-

ленной обнаружат три семейства фермионов» или что-то в этом роде. И мно-

гие ученые упорно пытаются получить подобные предсказания. Но нет никакой

 

 

Часть IV. Из кухни в Мультиленную

 

ясности относительно того, возможно ли это вообще, особенно если учесть,

что количество наблюдателей, воспринимающих определенные свойства сво-

его окружения, во многих случаях становится бесконечно большим — ведь

инфляция во Вселенной продолжается бесконечно.

В этой книге мы очень интересуемся Мультиленной, но нам не настолько

интересны детали ландшафта множества различных вакуумов или попытки

выковать из антропного принципа набор практичных предсказаний. Наша

проблема — низкая энтропия наблюдаемой Вселенной вскоре после зарожде-

ния — настолько ужасающа и драматична, что не стоит и надеяться решить ее

с помощью антропного принципа; жизнь, определенно, могла бы существовать

и во Вселенной с намного более высокой энтропией. Нам требуется нечто

лучшее, и все же идея Мультиленной кажется шагом в правильном направлении.

Как минимум касательно Вселенной она предполагает, что доступное нашему

взору может оказаться далеко не полной картиной мира.

 

Чего хорошего в инфляции?

Давайте соберем все в одну кучу. История об инфляции, которую космологи

придумали для себя,15 звучит примерно так:

Нам неизвестно, какими были условия в ранней Вселенной сразу после ее

рождения. Предположим, что она была плотная и скученная, но необяза-

тельно однородная; то тут, то там могли наблюдаться сильные флукту-