Читать книгу "Вселенная на ладони - Колин Стюарт"

Устранение проблем Большого взрыва

К концу 1970-х годов многие из этих проблем с Большим взрывом стали очевидными. Было ясно, что определенного рода Большой взрыв все-таки имел место, так как трудно было просто игнорировать такие очевидные свидетельства, как реликтовое микроволновое излучение, ядерный синтез и квазары. Однако в чем-то надо было уступить.

Начиная с 1979 года и вплоть до начала 1980-х годов физики Алан Гут, Андрей Линде и Пол Стейнхардт занимались поисками способа совсем незначительно изменить идею Большого взрыва, чтобы все ее достоинства оставались бы незатронутыми. Их концепция получила название инфляции, и ее предпосылки невероятно просты: на своих ранних этапах Вселенная испытала период расширения, значительно более стремительного, чем все то, что происходило с ней позже.

Это можно представить, как расширение, предсказанное Хабблом, но только как если бы оно проходило под действием стероидов. В первую триллионную часть триллионной части триллионной части секунды Вселенная прошла от значительно меньшего, чем атом, размера до размера грейпфрута. Может показаться, что это не так уж много, но это соответствует фактору масштабирования, равному единице с семьюдесятью восьмью нулями. Если вы промасштабируете размер красной кровяной клетки на эту величину, то вы получите нечто в триллион триллионов триллионов раз более широкое, чем видимая часть Вселенной.

Наша лучшая иллюстрация истории Вселенной, с первоначального периода инфляции и до сегодняшней эры доминирования темной энергии

Если мы будем брать каждую из проблем Большого взрыва по очереди, мы сможем увидеть, как добавление раннего инфляционного периода стремительного расширения способно помочь их решению.

Как что-то может возникнуть из ничего?

Когда ранее мы рассматривали этот вопрос, мы говорили, что, возможно, Вселенная произошла не из ничего, а из квантового пузырька в пространстве-времени. Однако нам было необходимо объяснить, почему этот пузырек снова не исчез. Согласно теории инфляции, пузырек мог выжить, если он подвергся периоду стремительного расширения, аналогичному инфляции.

Что происходило до Большого взрыва?

Наше понимание Большого взрыва вытекает из рассмотрения той скорости, с которой космическое пространство расширяется в настоящее время, затем мы идем в обратном направлении, возвращаясь к точке, с которой началось расширение. Строго говоря, это расширение – в той его части, которое подчиняется закону Хаббла, – началось только после того, как инфляция завершилась. Таким образом, инфляция – это и есть то, что происходило до Большого взрыва. Многие теоретики утверждают, что нет никакой необходимости в сингулярности до инфляции, особенно, если действительно существует теория всего. Независимо от того, что было в этой области до того, как она подверглась инфляции и образовалась Вселенная, вполне возможно, оно существовало здесь вечно.

Магнитные монополи

Период инфляции мог бы привести к разбросу любых магнитных монополей в разные стороны на значительно большие расстояния, чем предполагала первоначальная картина Большого взрыва. К настоящему времени они должны быть так далеко разбросаны во все стороны, что неудивительно, как мы никогда не сталкивались с ними.

Вариации температур в РМИ

Известно, что на мельчайшем уровне всегда существуют виртуальные частицы, внезапно появляющиеся и так же внезапно исчезающие. Такие квантовые флуктуации вызывают временные изменения в количестве энергии в любой точке пространства. В течение инфляции они могли быть увеличены до астрономического масштаба, приводя к областям новой Вселенной с большим или меньшим количеством энергии, чем в среднем.

Это объясняет, почему реликтовое микроволновое излучение характеризуется незначительными вариациями температур. При сравнении ожидаемых величин квантовых флуктуаций, подвергшихся инфляции, с величинами температурных вариаций в РМИ физики обнаруживают хорошее соответствие между ними. Как мы уже видели, эти вариации стали теми зернами, вокруг которых позже образовывались сверхскопления и сверхпустоты. Следовательно, инфляция также способна объяснить, почему структура современной Вселенной выглядит именно так.

Проблема горизонта

Вначале инфляция побуждала Вселенную расширяться намного быстрее, чем это предполагалось в первоначальной версии теории Большого взрыва. Это означает, что обе области пространства могли изначально находиться на значительно более близком расстоянии друг от друга, и все равно оказаться так далеко, как сейчас. Если бы все точки в космическом пространстве были значительно ближе друг к другу до наступления инфляции, они могли бы достичь термального равновесия до того, как были разбросаны во все стороны.

Проблема плоской Вселенной

Одно из решений проблемы плоской Вселенной состоит в том, что вначале космическое пространство было растянуто настолько, что видимая нам часть вселенной оказалась плоской. Даже в том случае, когда у более широкой Вселенной могут быть определенные искривления (во многом так же, как Земля могла бы казаться плоской, если смотреть на нее с небольшой части ее поверхности).

Проблема в том, что, как мы уже отмечали, одного только Большого взрыва было бы недостаточно, чтобы растянуть Вселенную так сильно. Однако все станет понятнее, если предположить, что был период инфляции, вызвавший большее расширение, чем мы прежде думали. Инфляция должна была сгладить любые искривления, существовавшие в видимой части Вселенной.

Точная настройка и вечная инфляция

Остается только одна проблема – проблема точной настройки, и для ее решения была выдвинута гипотеза вечной инфляции.

Идея инфляции дает нам в руки привлекательное решение основных проблем, связанных с концепцией Большого взрыва. Вместе с тем, если вы намерены заявить, что период стремительного расширения Вселенной действительно существовал, вам необходимо дать объяснение того, почему она подверглась инфляции и как преобразовалась во Вселенную, описанную в концепции Большого взрыва.

Для поиска ответа теоретики концепции инфляции прибегли к идее существования инфляционного поля. В рамках физики поле – это пространство, в пределах которого действуют определенные силы. Например, Земля обладает гравитационным полем. Ее сила по всей поверхности Земли варьируется – она сильнее над горами и слабее ниже, в долинах. По мнению физиков, инфляционное поле также варьируется. Инфляция происходит в областях, где оно достаточно сильное, и прекращается там, где слабое. В момент прекращения инфляции энергия, запертая в инфляционном поле, конвертируется в вещество и радиацию: происходит Большой взрыв.

Однако сторонники этой концепции получили бы возможность обосновать переход энергии инфляционного поля во что-то, что в точности напоминало бы Большой взрыв, только при условии принятия идеи о том, что этот переход осуществляется не одномоментно, не сразу. Тогда каждый раз при частичном переходе энергии вы получаете очередной Большой взрыв, создающий новую изолированную область космического пространства, в то время как инфляция где-то в другой области пространства продолжается. Это вечная инфляция, и она влечет за собой фундаментальные последствия.