У чому суть інфляційної моделі виникнення всесвіту. Інфляційний Всесвіт, що самовідтворюється

Загальновизнана теорія Великого Вибуху має багато проблем щодо раннього Всесвіту. Навіть якщо залишити осторонь дивина сингулярного стану, що не піддається жодному фізичному поясненню, прогалин не меншає. І з цим доводиться зважати. Іноді дрібні проблеми призводять до заперечення всієї теорії. Тому зазвичай з'являються доповнюючі та допоміжні теорії, покликані прояснити вузькі місця та розрулити напруженість ситуації. У разі теорія інфляції грає цю роль. Отже, подивимось у чому проблема.

Речовина та антиречовина мають рівні права на існування. Тоді як пояснити, що Всесвіт практично повністю складається із речовини?

За фоновим випромінюванням встановлено, що температура у Всесвіті приблизно однакова. Але окремі її частини було неможливо перебувати у контакті під час розширення. Тоді як встановилася теплова рівновага?

Чому маса Всесвіту саме така, що може уповільнити та зупинити хабблівське розширення?

У 1981 році американський фізик і космолог, доктор філософії Алан Харві Гут, ад'юнкт Массачусетського університету, який займається математичними проблемами фізики елементарних частинок, припустив, що через десять в мінус тридцять п'ятої ступеня секунди після Великого Вибуху надщільна і гаряча речовина, лептонів, зазнало квантовий перехід, подібний до кристалізації. Сталося це при відділенні сильних взаємодій із єдиного поля. Алан Гут зміг показати, що при поділі сильних і слабких взаємодій відбулося стрибкоподібне розширення, як у воді, що замерзає. Це розширення, набагато швидше хаббловского, назвали інфляційним.

Приблизно за десять в мінус тридцять другого ступеня секунди Всесвіт розширився на 50 порядків - був меншим за протон, став розміром з грейпфрут. До речі, вода розширюється лише на 10%. Це стрімке інфляційне розширення вирішує дві проблеми із трьох позначених. Розширення нівелює кривизну простору, яка залежить від кількості матерії та енергії у ній. І не порушує теплової рівноваги, яка встигла скластися на початок інфляції. Проблему антиречовини пояснюють тим, що на початковому етапі формування виникло кілька звичайних частинок більше. Після анігіляції утворився шматочок звичайної матерії, з якої сформувалася речовина Всесвіту.

Інфляційна модель освіти Всесвіту.

Протовселення було заповнене скалярним полем. Спочатку було однорідним, але виникли квантові флуктуації й у ньому виникли неоднорідності. При накопиченні цих неоднорідностей відбувається розрядження із створенням вакууму. Скалярне поле підтримує напруженість і пухирець, що утворився, все збільшується, роздуваючись на всі боки. Процес іде експонентом, за дуже короткий час. Тут визначальну роль відіграють початкові характеристики поля. Якщо сила постійна в часі, то за проміжок часу десять мінус тридцять шостого ступеня секунди початковий пляшечку Вакуума може розширитися в десять в двадцять шостому ступені разів. І це узгоджується з теорією відносності, йдеться про рух самого простору в різні боки.

У результаті виходить, що Вибуху не було, було дуже швидке надування і розширення бульбашки нашого Всесвіту. Термін інфляція від англійської inflate - накачувати, роздмухувати. Але чи розширювався вакуум, звідки взялися енергія та матерія, які утворили зірки, галактики? І чому вважають, що Всесвіт був гарячим? Чи може порожнеча бути високотемпературною?

При розтягуванні бульбашки Всесвіту він починає накопичувати енергію. Внаслідок фазового переходу температура різко підвищується. Після закінчення періоду інфляції Всесвіт виявляється сильно нагрітим, вважають, завдяки сингулярності. Енергію вакууму повідомила вигнутість простору. За Ейнштейном гравітація є сила тяжіння двох мас, а вигнутість простору. Якщо простір вигнутий, у ньому вже є енергія, навіть немає маси. Будь-яка енергія згинає простір. Те, що розштовхує галактики в різні боки і що ми називаємо темною енергією, є частиною скалярного поля. І шукане поле Хіггса породжене цим скалярним полем.

До критиків теорії інфляції належить сер Роджер Пентроуз, англійський математик, фахівець у галузі загальної теорії відносності та квантової теорії, завідувач кафедри математики Оксфордського університету. Він вважав, що всі міркування про інфляцію надумані і підлягають доказу. Тобто очевидна проблема початкових значень. Як довести, що в ранньому Всесвіті неоднорідності були такі, що змогли породити однорідний світ, який зараз спостерігається? А якщо спочатку була велика кривизна, її залишкові явища повинні спостерігатися і в даний час.

Однак, проведені дослідження в рамках Supernova Cosmology Project показали, що зараз спостерігається інфляція на пізній стадії еволюції Всесвіту. Чинник, що викликає це явище, отримав назву темної енергії. Нині теорію інфляції внесено доповнення Лінде як хаотичної інфляції. Не слід поспішати скидати її з рахунків, теорія інфляційного Всесвіту ще послужить космології.

Інформація:

Окунь Л.Б. "Лептони та кварки", М., Наука, 1981

www.cosmos-journal.ru

Що б трапилося, якби в далекому минулому простір Всесвіту знаходився у стані хибного вакууму? Якщо щільність матерії в ту епоху була меншою, ніж потрібно для врівноваження Всесвіту, тоді домінувала б гравітація, що відштовхує. Це викликало б розширення Всесвіту, навіть якби спочатку він не розширювався.

Щоб зробити наші уявлення більш певними, вважатимемо, що Всесвіт замкнутий. Тоді вона роздмухується подібно до повітряної кулі. Зі зростанням обсягу Всесвіту матерія розріджується, і її щільність падає. Однак густина маси помилкового вакууму є фіксованою константою; вона завжди залишається однаковою. Так що дуже швидко щільність матерії стає зневажливо малою, ми залишаємося з однорідним морем фальшивого вакууму, що розширюється.

Розширення викликається натягом хибного вакууму, що перевершує тяжіння, пов'язане із щільністю його маси. Оскільки жодна з цих величин не змінюється з часом, темп розширення залишається високою точністю постійним. Цей темп характеризують пропорцією, у якій Всесвіт розширюється за одиницю часу (скажімо, за секунду). За змістом ця величина дуже схожа темп інфляції економіки - відсоткове збільшення цін протягом року. 1980 року, коли Гут вів семінар у Гарварді, рівень інфляції у США становив 14%. Якби це значення залишалося незмінним, ціни подвоювалися б кожні 5.3 роки. Аналогічно, постійний темп розширення Всесвіту має на увазі, що існує фіксований інтервал часу, протягом якого розмір Всесвіту збільшується вдвічі.
Зростання, яке характеризується постійним часом подвоєння, називають експоненціальним. Відомо, що дуже швидко призводить до гігантським числам. Якщо сьогодні шматок піци коштує 1 долар, то через 10 циклів подвоєння (53 роки в нашому прикладі) його ціна становитиме $10^(24)$ долара, а через 330 циклів досягне $10^(100)$ доларів. Це колосальне число, одиниця, за якою слідує 100 нулів, має спеціальну назву - гугол. Гут запропонував використати в космології термін інфляція для опису експоненційного розширення Всесвіту.

Час подвоєння для всесвіту, заповненого помилковим вакуумом, неймовірно короткий. І чим вища енергія вакууму, тим вона коротша. У разі електрослабкого вакууму всесвіт розшириться в гугол разів за одну тридцяту мікросекунди, а в присутності вакууму Великого об'єднання це станеться в $10^(26)$ разів швидше. За таку коротку частку секунди область розміром з атом роздмухується до розмірів, що набагато перевершують весь Всесвіт, що спостерігається сьогодні.

Оскільки помилковий вакуум нестабільний, він зрештою розпадається, і його енергія запалює вогненну кулю частинок. Ця подія позначає кінець інфляції та початок звичайної космологічної еволюції. Тим самим, з крихітного вихідного зародка ми отримуємо величезних розмірів гарячий Всесвіт, що розширюється. А як додатковий бонус у цьому сценарії дивним чином зникають проблеми горизонту та плоскої геометрії, характерні для космології Великого вибуху.

Суть проблеми горизонту полягає в тому, що відстані між деякими частинами Всесвіту, що спостерігається, такі, що вони, мабуть, завжди були більші за відстань, пройдену світлом з моменту Великого вибуху. Це передбачає, що вони ніколи не взаємодіяли один з одним, тоді важко пояснити, як вони досягли майже точної рівності температур і щільностей. У стандартній теорії Великого вибуху шлях, пройдений світлом, зростає пропорційно до віку всесвіту, тоді як відстань між областями збільшується повільніше, оскільки космічне розширення сповільнюється гравітацією. Області, які не можуть взаємодіяти сьогодні, зможуть впливати одна на одну в майбутньому, коли світло покриє відстань, що розділяє їх. Але в минулому пройдена світлом відстань стає ще коротшою, ніж треба, тож якщо області не можуть взаємодіяти сьогодні, вони тим більше не були здатні до цього раніше. Корінь проблеми, таким чином, пов'язаний з природою, що притягує гравітації, через яку розширення поступово сповільнюється.

Однак у всесвіті з хибним вакуумом гравітація відштовхує, і замість того, щоб уповільнювати розширення, вона прискорює його. У цьому становище змінюється протилежне: області, які можуть обмінюватися світловими сигналами, у майбутньому втратить цю можливість. І, що важливіше, ті області, які сьогодні недосяжні одна одній, мали взаємодіяти у минулому. Проблема обрію зникає!
Проблема плоского простору дозволяється так само легко. Виявляється, що Всесвіт віддаляється від критичної щільності, тільки якщо її розширення сповільнюється. У разі прискореного інфляційного розширення все навпаки: Всесвіт наближається до критичної щільності, а значить, стає більш плоским. Оскільки інфляція збільшує Всесвіт у колосальне число разів, нам видно лише крихітну її частину. Ця область, що спостерігається, виглядає плоскою подібно до нашої Землі, яка теж здається плоскою, якщо дивитися на неї, перебуваючи поблизу поверхні.

Отже, короткий період інфляції робить Всесвіт великим, гарячим, однорідним і плоским, створюючи саме такі початкові умови, які потрібні для стандартної космології Великого вибуху.
Теорія інфляції почала підкорювати світ. Що ж до самого Гута, то його перебування у статусі постдоку закінчилося. Він прийняв пропозицію від своєї альма-матер, Массачусетського технологічного інституту, де й продовжує працювати досі.

Уривок із книги А. Віленкіна "Many Worlds in One: The Search for Other Universes"

Теорія інфляції стала основною темою моєї роботи невдовзі після того семінару в Гарварді, де я вперше про неї почув. Треба сказати, що якби я був схильніший до містики, то міг би помітити ознаки цього ще до семінару Гута. Певні вказівки на гравітацію, що відштовхує, були якраз у тій роботі, якою я займався в університеті Тафтса.

Кампус Тафтса, що стоїть на пологому схилі пагорба і оточений тінистими в'язами, сповнений атмосфери витонченості та спокою. Піднімаючись сходами на пагорб, до ядра кампуса, і проходячи повз укриту вербами каплиці в романському стилі, можна помітити дивний пам'ятник. Велика гранітна плита піднімається вертикально із землі подібно до старовинного надгробка. Напис на ній говорить:

"Цей монумент споруджено Роджером У. Бебсоном, засновником Фонду досліджень гравітації. Він покликаний нагадувати студентам про прекрасне майбутнє, коли будуть відкриті напівізолятори, здатні приборкати гравітацію як вільну енергію та скоротити кількість авіакатастроф".

Це горезвісний антигравітаційний камінь, знак моєї долі.

Роджер Бебсон, засновник Бебсонівського коледжу, був живим свідченням того, як проникливість в управлінні бізнесом може мирно уживатися з ненауковими ідеями. Він стверджував, що, спираючись на закони механіки Ньютона, передбачив біржовий крах 1929 року і Велику депресію, що послідувала за ним. З Ньютоновою допомогою він сколотив величезний стан і в подяку серу Ісааку викупив приміщення, що служило останнім місцем проживання Ньютона в Лондоні, а також яблуню з нащадків того знаменитого дерева, яке росло біля рідного будинку Ньютона в Лінкольнширі. Згідно з легендою, саме з нього впало яблуко, яке навело Ньютона на думку про гравітацію. І, як ви могли здогадатися, саме гравітація займала центральне місце у всесвіті Бебсона.

Одержимість Бебсона гравітацією перегукується з часів його дитинства, коли його сестра потонула у річці. Він звинувачував її смерті гравітацію і вирішив звільнити людство від її фатального тяжіння. У своїй книзі "Гравітація - наш ворог номер один" Бебсон описує переваги, які б приніс ізолятор, який протидіє гравітації. Він би зменшив вагу літаків і підвищив їхню швидкість; його застосування в підошвах взуття знизило б вагу під час ходьби. Знаменитий винахідник Томас Едісон, з яким Бебсон дружив все життя, навів його на думку, що в шкірі птахів може міститися певна антигравітаційна речовина, і Бебсон негайно придбав колекцію з п'яти тисяч пташиних опудал. Неясно, що саме він з ними потім робив, але, очевидно, цей напрямок досліджень не приніс успіху.

На честь Бебсона треба визнати, що він справді вкладав гроші в те, про що говорив. Він зробив пожертвування кільком університетам, включаючи Тафтський, щоб сприяти антигравітаційним дослідженням. Єдиною умовою цього гранту була установка в кампусі цього монумента з написом.

Дивна споруда бентежила адміністрацію Тафтса і стала приводом для численних студентських забав. Час від часу воно зникає, а потім з'являється там, де його найменше очікують знайти. Одного разу воно перегородило вхід опікунській раді та президенту університету у день вручення дипломів. Іншим разом здавалося, що камінь справді зник, але чудесним чином він з'явився на своєму місці через десять років. Виявилося, що група студентів закопала його десь на території кампуса, а потім викопала та повернула на місце на ювілейній зустрічі випускників. Однією тільки гравітації було явно не під силу утримати камінь на постаменті, так що врешті-решт його закріпили у землі за допомогою цементу.

Оскільки мало хто з учених стверджуватиме, що веде активні дослідження з антигравітації, отримати гроші Бебсона виявилося дуже непросто. Не те, щоб ніхто цього не пробував: президент університету Джин Мейєр, дієтолог за фахом, безуспішно намагалася довести, що втрата ваги – це антигравітація. Після багатьох років дискусій та юридичних доказів гроші нарешті пішли на заснування Інституту космології Тафтса.

Як у будь-якої академічної організації, що поважає себе, у нашого інституту є свій унікальний ритуал - церемонія "інавгурації", що отримують докторський ступінь з космології. Після захисту дисертації на голову нового лікаря, що стоїть навколішки перед антигравітаційним каменем, кидають яблуко. Воно падає з руки наукового керівника роботи і має бути з'їдене новоспеченим лікарем.

На момент заснування Інституту космології Бебсон вже давно помер, а його Фонд гравітаційних досліджень перетворився на респектабельну установу, яка видає гранти на дослідження з гравітаційної тематики. Ніхто, природно, не чекав, що космологи Тафтса вивчатимуть антигравітацію, але, як це не дивно, вони зайнялися саме цим. Більшість досліджень в інституті пов'язана з помилковим вакуумом і гравітацією, що відштовхує, яку природно вважати антигравітацією. Отже, я думаю, містер Бебсон не зміг би знайти кращого застосування своїм грошам. Навіть незважаючи на те, що ми так і не досягли успіху в скороченні числа авіакатастроф.

Розділ 8. Вічна інфляція

Я думаю, найімовірніша відповідь на питання про те, що було до інфляції, – ще більша інфляція.

Через інфляцію простір між цими островами швидко розширюється, створюючи місце народження всіх нових острівних всесвітів. Таким чином, інфляція - це процес, що йде врознос, який зупинився в наших околицях, але продовжується в інших частинах Всесвіту, змушуючи його розширюватися в шаленому темпі, постійно вимітаючи нові острівні всесвіти, подібні до нашої.

Енергія розпаду хибного вакууму запалює гарячу вогненну кулю з елементарних частинок, запускає процес утворення гелію та всі наступні події стандартної космології Великого вибуху. Таким чином, момент закінчення інфляції грає у цьому сценарії роль Великого вибуху. Якщо їх ототожнити, то нам уже не треба вважати Великий вибух миттєвою подією в нашому минулому. Безліч таких вибухів відгриміло до нього у віддалених частинах Всесвіту, і безліч інших ще відбудеться всюди в майбутньому.

МТІ займає величезний комплекс споруд, де я неодноразово безнадійно губився. Можна йти коридором третього поверху корпусу шість і раптом виявити, що вже знаходишся на четвертому поверсі корпусу шістнадцять. Я вирішив не ризикувати і вибрав найпростіший, хоч і найдовший шлях до мети - через головний вхід (що виділяється поруч коринфських колон і увінчаний зверху зеленим куполом). Пройшовши весь Нескінченний Коридор і піднявшись на кілька сходових прольотів, я досяг досяг офісу Гута.

Я розповів Алану про випадкове блукання скалярного поля та про те, як описати його математично. І тут, у самій середині опису моєї нової дивовижної картини світу, я помітив, що Алан почав засинати. Через багато років, дізнавшись його краще, я зрозумів, що він взагалі дуже сонливий. Ми організували спільний семінар для космологів Бостона та околиць, і на кожному засіданні Алан мирно засинав через кілька хвилин після початку доповіді. Дивним чином, коли виступ закінчувався, він прокидався і ставив найглибші питання. Алан заперечував наявність у нього будь-яких надприродних здібностей, але не всі в це вірили.

Озираючись назад, я розумію, що мав продовжувати, але в той час, не знаючи про чарівну здатність Алана, я швидко закруглився. Інші колеги у своїх відгуках теж не виявляли ентузіазму. Фізика - це наглядова наука, говорили вони, тому ми повинні утримуватися від тверджень, які не допускають перевірки. Неможливо спостерігати інші великі вибухи, ні віддалені області, де триває інфляція. Всі вони лежать за нашим обрієм, і як нам переконатися в їхньому реальному існуванні? Я був сильно розчарований таким холодним прийомом і вирішив включити цю роботу як розділ у статтю з іншої теми, вважаючи, що вона не заслуговує на окрему самостійну публікацію.

Для пояснення ідеї вічної інфляції у цій статті я використав аналогію прогулянки п'яниці на вершині пагорба. Через кілька місяців мені надійшов лист від редактора, в якому говорилося, що стаття прийнята, за винятком того, що обговорення п'яниць "неприйнятне для такого солідного журналу як The Physical ReviewЯ чув, що подібний інцидент стався раніше з Сіднеєм Коулманом. У його статті була діаграма, яка виглядала як гурток з хвилястим хвостиком. Коулман називав її "діаграмою-головастиком". , Редактор визнав і цей термін неприйнятним. У результаті без подальших коментарів було прийнято вихідну версію статті. Я прикинув можливість застосувати тактику Коулмана, але зрештою відмовився від неї - не хотілося вплутуватися в бійку.

Я не повертався до теорії вічної інфляції майже 10 років. Якщо не рахувати одного епізоду…

Миттєвість вічності

Я перейшов на роботу, пов'язану з іншими моїми науковими інтересами, і поступово мені самому стало здаватися дивним, що я був так одержимий світами, які не спостерігали. Але, по правді сказати, спокуса кинути погляд за обрій Всесвіту нікуди не поділася. У 1986 році, не в змозі йому більше чинити опір, ми з моїм аспірантом Мукундою Арьялом (Mukunda Aryal) розробили комп'ютерну модель вічного інфляційного Всесвіту.

Мені важко даються технології, і я в житті не написав жодного рядка програмного коду. Але я добре розумію, як "думають" комп'ютери, і керував кількома великими обчислювальними проектами моїх аспірантів. Оскільки я не міг перевіряти їх код (а навіть якби міг, не думаю, що це приносило б мені хоч якесь задоволення), я завжди побоювався прихованих помилок і ставився до результатів з великою обережністю. Тому я змусив Мукунду виконати велику кількість перевірок, запускаючи моделювання для тривіальних випадків, де ми знали відповідь заздалегідь. Нарешті, переконавшись, що все працює чудово, ми розпочали справжню роботу.

Моделювання почалося з невеликої ділянки помилкового вакууму, представленого світлим прямокутником на екрані комп'ютера. Через деякий час почали з'являтися перші темні острівці істинного вакууму. У міру того, як межі цих острівних всесвітів просувалися в морі інфляції, вони швидко зростали в розмірах. Однак інфлююча область розширювалася ще швидше, так що інтервали, що розділяють острівні всесвіти, збільшувалися, а в новоствореному просторі виникали нові острівні всесвіти.

На картині, що відкрилася після деякого часу моделювання, видно великі острівні всесвіти, оточені меншими, навколо яких розташовувалися ще менші, і так далі. Це нагадувало вигляд архіпелагу з літака – візерунок, який математики називають фрактальним. На рис. 8.3 показаний результат схожого, але складнішого моделювання, виконаного пізніше моїми студентами Віталієм Ванчуріним та Сергієм Вінницьким (Vitaly Vanchurin and Serge Winitzki).

Ми з Мукундою опублікували результати моделювання у європейському журналі Physics Letters. Моя цікавість щодо неспостережуваних всесвітів була задоволена і я переключився на інші роботи. А цим питанням тим часом впритул зайнявся Андрій Лінде.

Хаотична інфляція Лінде

Лінде - справжній герой інфляції, людина, яка врятувала теорію за допомогою винаходу плескатого енергетичного пагорба для скалярного поля. З 1983 року він працював над ідеєю про те, що Всесвіт починається зі стану первинного хаосу. Скалярне поле у ​​цьому стані безладно змінюється від точки до точки. У деяких областях воно опиняється на вершині енергетичного пагорба, й у таких місцях відбувається інфляція.

Лінде зрозумів, що полю не обов'язково стартуватиме у верхній точці енергетичного ландшафту. Воно може починати скочуватися вниз і з якоїсь іншої точки на схилі. Фактично енергетичний пагорб може і не мати верхньої точки, здіймаючись вгору без обмежень (рис. 8.4). У такого позбавленого вершини – так би мовити, топлес – пагорба є дно – справжній вакуум, але немає певного місця для хибного вакууму. Його роль може грати будь-яка точка на схилі, куди поле потрапило у вихідному хаотичному стані, аби це було досить високо щоб забезпечити необхідний для інфляції час скочування. Лінде описав ці ідеї у статті під назвою "Хаотична інфляція".

Ще через кілька років Лінде вивчив вплив квантових флуктуацій на скалярне поле у ​​цьому сценарії. Несподівано виявилося, що вони теж можуть призводити до вічної інфляції, незважаючи навіть на те, що енергетичний пагорб не має плоскої вершини.

Ключове спостереження Лінде полягало в тому, що на висотах квантові флуктуації стають сильнішими і можуть штовхати поле вгору проти сил, що тягнуть його вниз по схилу. Тож якщо поле стартує високо, воно не звертає великої уваги на схил і здійснює випадкові блукання, як би знаходилося на вершині пагорба. Коли блукання заносять їх у низини енергетичного ландшафту квантові флуктуації слабше, поле починає впорядковано котитися до стану справжнього вакууму. Щоб це трапилося, потрібно набагато більше часу, ніж на інфляційне подвоєння, так що області, що розширюються, розмножуються швидше, ніж розпадаються, що знову ж таки призводить до вічної інфляції.

Тут я маю зупинитися і прояснити термінологічне непорозуміння, пов'язане з цією темою. Вічну інфляцію часто плутають із хаотичною, хоча це зовсім різні речі. Назва "хаотична" вказує на випадковість початкового стану та не має жодного відношення до вічного характеру інфляції. Лінде показав, що хаотична інфляція також може бути вічною, але цим зв'язок між теоріями вичерпується. Для ясності я надалі обмежусь обговоренням початкової моделі інфляції з плескатим енергетичним пагорбом. Вічна інфляція на безверхому пагорбі виглядає схожим чином.

Стаття Лінде про вічну інфляцію викликала не більше ентузіазму, ніж моя, опублікована трьома роками раніше. Однак його реакція була іншою. Він не здавав позицій, продовжував дослідження з цього напряму і неодноразово виступав із доповідями про свої результати. Проте фізичне співтовариство не піддавалося його тиску. Потрібно було майже двадцять років, щоб успіх повернувся обличчям до вічної інфляції.

Розділ 9. Небеса, що говорять

Коли 1980 року Алан Гут запропонував теорію інфляції, це була лише спекулятивна гіпотеза. Але до кінця 1990-х вона вже була близькою до того, щоб стати наріжним каменем сучасної космології. Нові спостереження, що з'явилися, підтвердили передбачення теорії, причому вельми несподіваним способом.

Повернення космологічної постійної

Найголовніше прогноз інфляції полягає в тому, що спостерігається область Всесвіту повинна бути плоскою, тобто мати евклідову геометрію. Всесвіт загалом цілком може бути сферичним або мати більш складну форму, але наш обрій охоплює лише крихітну її частину, і тому ми не можемо відрізнити її геометрію від плоскої. Як мовилося раніше у розділі 4, це твердження еквівалентно з того що середня щільність Всесвіту має бути з дуже високої точністю дорівнює критичної.

У період появи теорії інфляції астрономи належали до її пророцтв дуже скептично. Звичайна речовина, що складається з протонів, нейтронів та електронів, забезпечує лише кілька відсотків від критичної густини. Існує також набагато більша кількість так званої темної матерії, що складається з якихось невідомих частинок. Відповідно до її назви темну матерію не можна спостерігати безпосередньо, але її присутність проявляється гравітаційним тяжінням, що діє на видимі об'єкти. Спостереження за рухом зірок і галактик говорять про те, що маса темної матерії приблизно в десять разів більша за масу звичайної. І все-таки, навіть якщо скласти обидва ці види маси, у Всесвіті набирається лише близько 30 відсотків критичної щільності, до потрібного значення не вистачає ще 70 відсотків.

Такі були уявлення до 1998 року, коли дві незалежні дослідницькі групи оголосили про разюче відкриття. Вони виміряли яскравість вибухів наднових у далеких галактиках та використали ці дані для уточнення історії космологічного розширення. На превеликий подив, вони виявили, що замість уповільнення під дією гравітації швидкість розширення насправді зростає. Це відкриття говорило про те, що Всесвіт заповнений якоюсь гравітаційно-відштовхувальною субстанцією. Найпростіша можливість полягає в тому, що справжній вакуум, в якому ми живемо, має ненульову густину маси. Як ми знаємо, вакуум є гравітаційно відштовхуючим, і якщо його густина перевищує половину густини маси речовини, сумарним результатом буде відштовхування.

Щільність маси справжнього вакууму - те, що Ейнштейн називав космологічної постійної, ідея, що він сам оголосив своєї найбільшої помилкою. Вона була похована майже на 70 років, але сьогодні, схоже, не виглядає такою вже невдалою. Як побачимо далі, несподіване повернення космологічної постійної призвело до глибокої кризи у фізиці елементарних частинок. Проте задля теорії інфляції це стало надзвичайно сприятливим поворотом подій. Щільність маси вакууму, оцінена за величиною космологічного прискорення, становить близько 70 відсотків критичної щільності - точно стільки, скільки потрібно, щоб зробити Всесвіт плоским!

Цей висновок був підтверджений спостереженнями космічного мікрохвильового випромінювання. Замість покладатися на фрідманівський зв'язок між геометрією Всесвіту і його щільністю, мікрохвильові спостереження дозволяють безпосередньо визначити геометрію простору - по суті, шляхом вимірювання суми кутів величезного вузького трикутника одна вершина якого знаходиться на Землі, а дві інші - у точках випромінювання мікрохвиль, що приходять до нам від двох близьких точок на небі. (Довгі сторони цих трикутників мають сьогодні протяжність навколо 40 мільярдів світлових років.) У плоскому просторі, як відомо ще зі шкільних уроків геометрії, сума кутів має становити 180 градусів. Більше значення суми трьох кутів буде вказувати на замкнутий Всесвіт зі сферичною геометрією (рис. 9.1), а менше - на відкритий з сідлоподібним. Мікрохвильові спостереження показують, що насправді сума кутів дуже близька до значення, яке відповідає плоскому простору. Ці результати можна висловити інакше, використовуючи фрідманівське співвідношення між геометрією та щільністю. Останні виміри в такому випадку вказують на те, що щільність Всесвіту дорівнює критичній з точністю не гірше 2 відсотків - вражаючий успіх інфляційної космології.

Образи палаючого минулого

Іншим тріумфом інфляції було пояснення невеликих обурень щільності, ледь помітної брижі, яка пізніше перетворилася на галактики. Теорія інфляції дала чітке передбачення: величина збурень має бути приблизно однаковою всіх астрофізичних масштабах довжини - від характерних міжзоряних відстаней (у кілька світлових років) і до розмірів всього видимого Всесвіту. На початку 1990-х спостерігачі були готові перевірити це передбачення.

Як мовилося раніше у розділі 4, первинна бриж залишає відбиток у фоновому космічному випромінюванні. Це післясвітлення Великого вибуху було випущено 13 мільярдів років тому і зараз приходить до нас із усіх напрямків на небі. З самого відкриття цього випромінювання в середині 1960-х років космологи здогадувалися, що в ньому прихований образ раннього Всесвіту. Однак первинні неоднорідності були настільки малі - лише одна стотисячна від середньої інтенсивності, - що довгі роки залишалися за межами точності вимірювань, і спостерігалося лише ідеально однорідне тло. Прорив стався в 1992 році, коли було запущено супутника СОВЕ (Cosmic Background Explorer, "дослідник космічного фону"). Він побудував повну карту неба, вимірявши випромінювання, що надходить з усіх напрямків, і вперше зміг розрізнити ледь помітні варіації його інтенсивності.

Карта СОВЕ нагадує розфокусовану фотографію: на ній видно лише великі особливості космічної вогняної кулі, а більш тонкі деталі, менше приблизно 7 градусів на небі, зовсім розмиті. (Для порівняння: Місяць видно під кутом півградуса.) За совою пішла серія інших експериментів дедалі більшої точності. Останнім із них стала інша супутникова місія WMAP. На зображенні вогняної кулі, отриманому WMAP (рис. 4.2), помітні деталі розміром 1/5 градуса, тобто воно в 30 раз різкіше, ніж первісна карта СОВЕ.

У міру збору даних поступово, крок за кроком, проступала картина первинної брижів. І, що вражає, вона опинялася в повній згоді з прогнозами теорії інфляції! Ці свідчення ранньої гарячої епохи залишалися на небі мільярди років, чекаючи, поки їх відкриють і розшифрують. І тепер небеса нарешті заговорили.

Найближчими роками інфляції доведеться пройти через серію нових спостережних перевірок. Фізична теорія може підтверджуватись експериментом, але ніколи не може бути доведена. З іншого боку, одного твердо встановленого факту достатньо, щоб її спростувати. Наприклад, інфляція передбачає, що щільність повинна дорівнювати критичній з точністю 1 до 100 000 . Отже, якщо майбутній експеримент виявить більш значне відхилення, інфляція опиниться у скрутному становищі.

Нове покоління місій з дослідження мікрохвильового фону включає супутник "Планк", який ще більше підвищить роздільну здатність зображення, а також наземну обсерваторію QUIET, яка з високою точністю вимірюватиме орієнтацію електричного поля (поляризацію) мікрохвиль. Поляризаційний візерунок чутливий до наявності гравітаційних хвиль - крихітних вібрацій геометрії простору-часу. Цей ефект може бути для перевірки ще одного передбачення інфляційної теорії: ми повинні бути занурені в гравітаційно-хвильове море з дуже широким спектром довжин хвиль - від розмірів менше Сонячної системи і до найбільших масштабів, що спостерігаються. Амплітуда цих хвиль визначається енергією хибного вакууму – рушійної сили інфляції. Чим вища енергія, тим більше хвилі. Отже, якщо QUIET зареєструє гравітаційні коливання, ми матимемо можливість визначити енергію хибного вакууму, що викликає інфляційне розширення. Це стало б важливим кроком до розуміння інфляції та її зв'язку з фізикою мікросвіту.

У міру надходження нових даних мої думки все частіше зверталися до занедбаної ідеї вічної інфляції. Головним аргументом проти неї було те, що вона розглядає Всесвіт за нашим горизонтом, який недоступний для спостереження. Але якщо теорія інфляції підтримується даними в спостерігається Всесвіту, чи не слід нам довіряти і її висновків про регіони, які ми не можемо спостерігати?

Якщо я кину камінь у чорну дірку, то, використовуючи теорію відносності, зможу описати, як він падає до її центру і як руйнується та випаровується під дією колосальних гравітаційних сил. Все це неможливо спостерігати зовні, оскільки ні світло, ні якийсь інший сигнал не може вирватися зсередини чорної дірки. І все-таки лише мало хто поставить під питання точність мого опису. У нас є всі підстави вважати, що теорія відносності діє всередині чорних дірок так само, як і зовні. Те саме можна тепер сказати і про теорію інфляції. Треба спробувати витягти з неї все, що вона може розповісти про величний устрій Всесвіту, його походження та кінцеву долю.

Розділ 10. Нескінченні острови

Я б і в горіховій шкаралупі вважав себе володарем неосяжного простору.

Шекспір, "Гамлет" (Пер. К.Р. (Костянтина Романова)

Майбутнє цивілізацій

Питання, яке змусило мене думати про вічну інфляцію, більше нагадує наукову фантастику, ніж фізику. Він стосувався майбутнього розумного життя у Всесвіті. Віддалені перспективи будь-якої цивілізації, що з'явилася, виглядають досить похмурими. Навіть якщо вона уникне природних катастроф і самознищення, вона врешті-решт втратить енергію. Зірки рано чи пізно помирають, і решта джерел енергії теж вичерпуються. Але тепер вічна інфляція, схоже, дає надію.

Помруть зірки в наших космічних околицях, але нескінченна кількість нових зірок з'явиться в майбутніх великих вибухах нескінченної інфляції. Видима область - це лише крихітна частина одного острова Всесвіту, загубленого в інфляційному морі помилкового вакууму (див. рис. 8.3). Серед цього моря завжди з'являються нові острівні всесвіти з міріадами нових зірок.

Насправді освіта зірок буде продовжуватися завжди, навіть усередині нашого власного острівного всесвіту. Її межі постійно наступають на інфляційне море. Їхнє невблаганне просування викликане розпадом хибного вакууму в прилеглих інфляційних областях. Фактично ці межі – це області, де Великий вибух відбувається прямо зараз. Всесвіти, що знову утворилися, мікроскопічно малі, але з віком вони безмежно ростуть. Центральні частини великих островів Всесвіту дуже старі. Вони темні й безлюдні: всі зірки тут давно померли, а життя зникло. Але області по краях островів зовсім молоді і повинні бути сповнені сяючих зірок.

Високорозвинена цивілізація може захотіти відправити місію для колонізації зоряних систем, що знову утворилися, біля кордону свого острова. На крайній край, вони можуть хоча б надіслати повідомлення новим цивілізаціям, що розвиваються поблизу кордону або інших острівних всесвітів. Ті цивілізації можуть, своєю чергою, надіслати повідомлення наступним, тощо. Якщо ми підемо цим шляхом, то можемо стати гілкою вічно зростаючого "дерева" цивілізацій, і наша акумульована мудрість не буде повністю втрачена.

Ці сценарії запропонував Андрій Лінді у статті "Життя після інфляції", і мені захотілося дізнатися, чи можливий хоч один із них насправді, принаймні в принципі. Лінде проаналізував різні аспекти цієї проблеми, але не дійшов якогось певного висновку. Той факт, що десь у Всесвіті зірки утворилися пізніше, ніж тут, не означає, що ми можемо потрапити туди за доступний час. З іншого боку, завдяки Ейнштейну ми знаємо, що поняття "раніше" і "пізніше" не є абсолютними і можуть залежати спостерігача. Щоб просунутися у розв'язанні цього завдання мені треба було зрозуміти структуру простору-часу вічно інфлюючого Всесвіту.

Як говорилося в розділі 2, простір і час теорії відносності об'єднані в чотиривимірну сутність, звану простором-часом. Крапка в ньому - це подія, що має певний стан і час. Розглянемо дві події, які могли б привернути вашу увагу, - наприклад, зустріч випускників вашого класу тут, на Землі, та міжзоряний матч із суперболу, запланований через 3 роки на альфі Центавра, віддаленої від нас приблизно на 4 світлові роки. Питання: чи можете ви встигнути на обидва ці заходи?

Відповідь можна знайти, обчисливши так звану просторово-часову інтервалміж двома подіями. У просторі-часі він відіграє роль, аналогічну відстані між точками у просторі. Його математичне визначення зараз несуттєве; зате важливо, що інтервали можуть бути двох типів: просторово-подібніі часу-подібні. Інтервал часу-подібний, якщо матеріальний об'єкт може дістатися від однієї події до іншої, не порушуючи базового принципу теорії відносності - неможливості рухатися швидше за швидкість світла. У цьому випадку всі спостерігачі погодяться, яка з двох подій сталася раніше, а яка пізніше. Навпаки, якщо дістатися від однієї події до іншої неможливо (тобто якщо це вимагає надсвітлової швидкості), - інтервал просторово-подібний. Жодна з цих двох подій не може бути причиною іншої. Ейнштейн показав, що часовий порядок таких подій залежить від спостерігача і завжди можна знайти спостерігача, для якого вони відбуваються одночасно.

У нашому прикладі з альфою Центавра інтервал виявляється просторово-подібним, так що вам доведеться вибрати якій події віддати перевагу. Звісно, ​​у разі неважко отримати відповідь, навіть не обчислюючи інтервал. За три роки світло проходить шлях у три світлові роки, а щоб подолати чотири - відстань до альфи Центавра, - вам довелося б рухатися швидше за світло. У викривленому просторі-часі всесвіту з нескінченною інфляцією аналіз дещо ускладнюється, і обчислювати інтервал таки доводиться.

Простір-час острівного всесвіту схематично зображено малюнку 10.1. Вертикальний напрямок відповідає часу, а горизонтальне - одному з трьох просторових вимірів; два інших виміри опущені. Кожна горизонтальна лінія - це миттєвий знімок всесвіту в певний час. Історію острівного всесвіту можна простежити, починаючи з горизонтальної пунктирної лінії, позначеної "до", у нижній частині малюнка і поступово рухаючись вгору. (Момент часу, що відповідає цій лінії, відноситься до інфлюючої частини простору-часу, де острівний всесвіт ще не утворився.) Товста суцільна лінія, позначена словами "Великий вибух", - це межа між острівним всесвітом та інфлюючою частиною простору-часу. Крапка, відзначена чорною галактикою, - це "тут і зараз", а білими галактиками позначені області, де умови схожі на ті, що ми сьогодні спостерігаємо навколо себе. Горизонтальна пунктирна лінія, позначена зараз", зображує теперішній час. Вона відповідає острівному всесвіту з пустельним центральним регіоном та областями зореутворення поблизу кордонів.

Нескладний розрахунок показує, що всі Великі вибухи, розташовані вздовж суцільної лінії малюнку, розділені просторово-подібними інтервалами. Для мене це стало найважливішим спостереженням, що дозволило сформулювати мою власну відповідь на питання про майбутнє цивілізацій. Воно також повністю змінило мої уявлення про острівні всесвіти.

Просторово-подібний тип інтервалів говорить про неможливість потрапити від однієї події Великого вибуху до іншого. Іншими словами, ви не можете триматися на краю острівного всесвіту, оскільки його краї розсуваються швидше за світло. Виходить, ми ніколи не зможемо досягти берегів інфляційного моря і погрітися в променях нових сонців, які там народжені. І ми не можемо надіслати жодного повідомлення майбутнім цивілізаціям, які розвинуться навколо цих сонців, оскільки ніякий сигнал не може поширюватися швидше за світло. Сумно, але вічна інфляція, схоже, не сприяє довгостроковим перспективам людства.

Можливо, вас дивує надсвітлове розширення острівних всесвітів, оскільки воно виглядає таким, що суперечить енштейнівській забороні на рух швидше світла. Однак ця заборона вельми вибіркова: вона відноситься тільки до руху матеріальних об'єктів (включаючи випромінювання, таке як колірні або гравітаційні хвилі) один щодо одного, тоді як межі острівного всесвіту - це геометричні сутності, які не мають будь-якої маси або енергії. Надсвітлове розширення кордонів означає, що послідовні Великі вибухи не можуть бути причинно пов'язані між собою. Вони не схожі на доміно, де падіння однієї кісточки викликає падіння наступної. Поширення розпаду вакууму визначається малюнком скалярного поля, породженим під час інфляції. Поле змінюється у просторі дуже плавно, і в результаті вакуум у сусідніх областях розпадається майже одночасно. Ось чому Великі вибухи йдуть один за одним у такій швидкій послідовності, а кордон розширюється так швидко.

Час не має значення

Признаюся Тобі, Господи, я досі не знаю, що таке.

Святий Августин

Але що ж ми все-таки маємо на увазі, говорячи про те, що Великий вибух біля кордону острівного всесвіту стався пізніше, ніж у його центральній області? Якщо всі інтервали між усіма подіями Великого вибуху просторово-подібні, значить, між спостерігачами будуть розбіжності щодо того, яка з цих подій сталася раніше, а яка пізніше. Кому з них ми маємо вірити? Зараз ми намагатимемося прояснити це питання. Наш аналіз може здатися досить заплутаним, але його варто зробити, оскільки він приведе нас до деяких далекосяжних висновків.

Як розминку розглянемо спочатку однорідний всесвіт, що описується однією з моделей Фрідмана. Будь-якої миті часу матерія у ній однорідно розподілена у просторі. Може здатися, що це тривіально, але маємо визначити, що означає "момент часу".

Коли космологи говорять про "момент часу", вони уявляють собі величезну кількість спостерігачів, забезпечених годинником і розкиданих по всьому всесвіту. Кожен спостерігач бачить лише невелику область безпосередньо навколо себе, так що для опису всесвіту в цілому потрібна вся спільнота спостерігачів. Ми можемо вважати себе одним із його членів. Наш годинник зараз показує 14 мільярдів років ПБВ. "Той самий час" в іншій частині всесвіту настане, коли на годиннику спостерігача з'являться ті ж свідчення. Ми повинні вирішити тепер, як спостерігачам, які перебувають за горизонтом один одного, синхронізувати свій годинник.

У випадку фрідманівського всесвіту відповідь очевидна: у ній Великий вибух - це природний початок часів, тож кожен спостерігач повинен відраховувати час від нього. При такому визначенні одночасності щільність матерії, виміряна всіма спостерігачами одночасно, виявиться однаковою, отже, всесвіт буде однорідною.

У принципі допустимо розглядати сукупність спостерігачів, чиї години виставлені по-різному. Наприклад, ми можемо змістити початок відліку часу на деяку величину щодо Великого вибуху і зробити так, щоб ця величина змінювалася від однієї області до іншої. Тоді всесвіт буде виглядати дуже складним і неоднорідним. Зрозуміло, ніхто в здоровому глузді не використовуватиме такий опис. Воно значно ускладнює аналіз та приховує справжню природу фрідманівського всесвіту. Але не завжди все буває так просто.

Повертаючись до всесвіту з нескінченною інфляцією, розглянемо спочатку велику область, подібну до тієї, що показана на малюнку 8.3, що включає як острівні всесвіти, так і зони, охоплені інфляцією. У такій області не можна природно вибрати початок відліку часу. Тому визначення "моменту часу" стає значною мірою довільним, єдина умова полягає в тому, що всі події "моменту" повинні бути розділені просторово-подібними інтервалами. Якщо вибрати початковий момент досить рано, коли вся область знаходиться в стані помилкового вакууму, надалі в ній, як ми вже обговорювали в попередньому розділі, з'являться і розширюватимуться острівні всесвіти. Однак порядок їх появи, а також темп і форми, які вони набувають у міру розширення, можуть дуже змінюватися в залежності від вибору початкового моменту.

Припустимо тепер, що ми цікавимося одним конкретним острівним всесвітом і хочемо описати його з погляду її мешканців. Тоді ситуація виявляється зовсім іншою. Як і у випадку фрідманівського всесвіту, існує природний вибір для початку часу. Всі спостерігачі, що населяють острівний всесвіт, можуть відраховувати його від Великого вибуху - кожен у своєму місці. Іншими словами, Великий вибух можна вибрати як початковий "момент часу". Такий вибір веде до нової картини острівного всесвіту, що радикально відрізняється. Щоб розрізняти описи великої області та окремого острова, домовимося називати їх відповідно зовнішнім (глобальним) виглядом та внутрішнім (локальним).

Внутрішній вигляд острівного всесвіту представлений малюнку 10.2. Як і раніше, момент Великого вибуху зображено суцільною кривою, позначеною "Великий вибух". Щільність речовини у всіх подіях на цій кривій практично однакова і визначається щільністю хибного вакууму, що розпадається. Таким чином, на локальному вигляді острівний всесвіт майже однорідний. Нині тут представлений пунктирною лінією, позначеної "зараз", яка збігається з рядом галактик на малюнку. Всі точки на цій лінії характеризуються однаковою середньою щільністю речовини та однаковою концентрацією зірок – такою самою, як спостерігається поблизу нас. Але найчудовіше - з локальної точки зору острівний всесвіт нескінченний!

На глобальному вигляді острівний всесвіт зростає в міру поширення Великого вибуху по її кордонах, і, якщо почекати досить довго, він стане як завгодно великий, проте з локальної точки зору Великий вибух стався одноразово, а острівний всесвіт був нескінченно великий із самого початку. На малюнку 10.2 цій нескінченності відповідає той факт, що суцільна лінія Великого вибуху ніде не закінчується. Якщо продовжити цю криву, то її віддані точки відповідатимуть дедалі пізнішим подіям Великого вибуху з глобальної точки зору та дедалі більш далеким областям у початковий момент - з локальної. Нескінченність часу в рамках одного погляду трансформується у нескінченність простору в рамках іншої.

Велика картина

Спробуємо підбити короткі підсумки. Якби якимось чином нам вдалося ззовні спостерігати Всесвіт нескінченної інфляції, подібно до того, як спостерігають Землю з космосу, ми побачили б безліч всесвітів, розкиданих широким інфляційним морем помилкового вакууму. У разі замкнутості Всесвіту вигляд, що відкрився перед нами, міг би чимось нагадувати глобус з континентами та архіпелагами, оточеними океаном. Цей глобус із приголомшливою швидкістю розширюється, острівні всесвіти теж надзвичайно швидко збільшуються, а між ними постійно з'являються крихітні нові острови і негайно зростають. Число острівних всесвітів швидко множиться і стає нескінченним у межі нескінченного майбутнього.

Мешканці острівних всесвітів, подібно до нас, бачать зовсім іншу картину. Їхній всесвіт не сприймається ними як кінцевого розміру острів. Вона представляється їм самостійним нескінченним всесвітом. Кордон між їх всесвітом та інфляційною частиною простору-часу – це Великий вибух, який стався у певний момент у минулому. Ми не можемо дістатися інфляційного моря просто тому, що неможливо переміститися в минуле.

Дуже примітно, що "великий" Всесвіт, що містить всі нескінченні острівні всесвіти, може бути замкненим і кінцевим. Здається протиріччя дозволяється, якщо взяти до уваги, що поняття внутрішнього часу в острівних всесвітів відрізняється від "глобального" часу, який треба використовувати для опису простору-часу в цілому. У глобальному часі зовнішні частини острівних всесвітів ще не утворилися і завершать своє формування лише в нескінченно віддаленому майбутньому, тоді як у внутрішньому часі острівний всесвіт виникає одноразово. Структура простору-часу замкнутого Всесвіту нескінченної інфляції зображено малюнку 10.3.

Несподівана особливість острівних всесвітів, яка полягає в тому, що зсередини вони виглядають нескінченними, виявилася дуже важливою: надалі вона привела мене до висновку, який, можливо, є найдивовижнішим наслідком вічної інфляції.

Розділ 11. Хай живе король!

Чи не повинні всі речі, які можуть статися, вже статися, статися, бути здійснені в минулому?

Підрахунок історій

Але кінцевим є не лише кількість різних станів О-регіону - те саме можна сказати і про кількість його можливих історій.

Історія описується ланцюжком станів у послідовні моменти часу. Такі поняття, як історія, мабуть, дуже відрізняються в квантовій і класичній фізиці. У квантовому світі майбутнє не визначається однозначно минулим. Одні й самі початкові умови можуть вести безліч різних результатів, і ми можемо підраховувати лише їх ймовірності. Через війну діапазон можливостей значно розширюється. Але квантова невизначеність знову не дозволяє нам розрізнити історії, які надто схожі одна на одну.

Квантова частка, зазвичай, немає однозначно певної історії. Це не дивно, оскільки, як ми знаємо, вона не має і чітко визначеного положення. Але невизначеність не означає, що ми просто не знаємо, яким шляхом рухається частка від свого джерела до детектора. Ситуація куди дивовижніша: схоже, що частка йде одночасно по безлічі різних шляхів і всі вони роблять свій внесок у результат процесу.

Ця шизофренічна поведінка найкраще ілюструється знаменитим двощілинним експериментом (рис. 11.4). Установка складається з джерела світла та фотопластинки, яка закрита непрозорим екраном із двома вузькими щілинами. Світло проникає через щілини та створює зображення на платівці. Експеримент уперше поставив на початку ХІХ століття англійський фізик Томас Юнг. Він виявив, що зображення складається з світлих і темних смужок, що чергуються. Світло від обох щілин падає на всі точки фотопластинки. Але в одні місця світлові хвилі приходять у фазі (гребні та западини двох хвиль збігаються), посилюючи один одного, тоді як в інших місцях вони опиняються у протифазі (гребні однієї хвилі припадають на западини іншої) та взаємно гасяться. Так візерунок зі смужок пояснюється хвилеподібною природою світла.

Дивовижні речі починаються, коли ми зменшуємо інтенсивність джерела світла до такого рівня, що фотони випускаються поштучно - один за одним. Кожен фотон залишає цятку на фотопластинці. Спочатку вони розташовуються безладно, але вражає, що через деякий час вони складаються у візерунок, що точно збігається зі смужками, які виходили раніше. Фотони потрапляють на екран окремо, тому ті, що пройшли через одну щілину, не можуть взаємодіяти з тими, що пройшли через іншу. Але як тоді їм вдається "підсилювати" чи "гасити" одне одного?

Щоб глибше розібратися у питанні, можна подивитися, що трапиться, якщо змусити фотони проходити через одну чи іншу щілину. Допустимо, ми виконуємо експеримент, відкривши лише одну щілину, а потім на стільки ж часу відкриваємо іншу, не змінюючи фотопластинку. Оскільки фотони проходять через установку по одному, це не повинно внести змін, і ми очікуємо отримати той самий візерунок. Правильно? Ні. У цій модифікованій версії експерименту жодних смужок не спостерігається, а на знімку будуть лише контури двох щілин.

Звідси випливає, що уявлення, ніби фотон проходить через одну зі щілин, не звертаючи уваги на те, чи відкрито іншу, неправильно. Коли відкриті обидві щілини, фотон якимось чином "відчуває" дві можливі історії, яким він може наслідувати. Вони спільно визначають ймовірність того, що фотон потрапить у конкретне місце на платівці. Цей феномен називається квантовою інтерференцієюміж історіями.

Квантова інтерференція рідко проявляється так наочно, як у двощілинному експерименті, але впливає поведінка кожної частки у Всесвіті. Рухаючись з одного місця в інше, частки "рознюхують" безліч різних маршрутів, тому замість чітко визначеного минулого ми маємо заплутану мережу історій, що інтерферують.

Як тоді можна бути впевненим, що певна подія справді мала місце? Як надати сенсу поняття історії? Відповідь знову повертає нас до великозернистого опису.

Як і раніше, розділимо простір на маленькі осередки і поставимо крупнозернистий стан системи (О-регіону в нашому випадку) шляхом вказівки "адрес" осередків для всіх частинок. Крупнозерниста історія визначається послідовністю таких станів через рівні інтервали часу, наприклад, кожні дві секунди. Наголосимо на важливому моменті: ефект інтерференції зазвичай сильний лише для дуже близьких один до одного історій. Якщо збільшувати розміри осередків та інтервали часу, то різні крупнозернисті історії стануть все сильнішими і сильнішими відрізнятися один від одного, і в певний момент їх інтерференція виявиться зовсім незначною. Після цього можна говорити про альтернативні історії системи.

Формалізм квантової механіки в термінах великозернистих історій був відносно недавно, в 1990-х роках, розроблений Робертом Гріффітсом, Роланом Омне, Джеймсом Хартлом і Мюрреєм Гелл-Манном (Robert Griffiths, Roland Omnes, James Hartle and Murray Gell-Mann). Вони виявили, зокрема, що мінімальний розмір осередків, у якому ще можна говорити про визначеність історії, зазвичай, є мікроскопічним, а мінімальний інтервал часу - це крихітна частка секунди. Не дивно, що в макроскопічному світі людського досвіду історія є добре визначеною.

Великозерниста історія протікає за кінцеве число кроків, і будь-яка обмежена в часі історія повинна складатися з кінцевого числа моментів. Кожного моменту система може бути лише у кінцевому числі станів, отже, і кількість різних історій системи має бути кінцевим.

Ми з Хауме, швидко прикинувши на обігу конверта, оцінили кількість можливих історій О-регіону від Великого вибуху до наших днів. Як і слід було очікувати, вийшло ще одне "гуголплексне" число: 10 у ступені 10 150 . Дійсна кількість квантових станів та історій О-регіону не така важлива, але кінцівка їх числа має важливі наслідки для нашої дискусії.

Історія повторюється

Давайте розглянемо ситуацію уважніше. Вона виникла як наслідок теорії інфляції, згідно з якою острівні всесвіти нескінченні всередині і кожна з них містить безліч О-регіонів. Вона також спирається на квантову механіку, яка говорить, що існує лише кінцева кількість історій, які можуть реалізуватися в будь-якому регіоні. Об'єднуючи ці два твердження, ми неминуче приходимо до висновку, що кожна конкретна історія має повторюватися нескінченну кількість разів. Згідно з квантовою механікою, все, що суворо не заборонено законами збереження, має ненульову ймовірність реалізації, а значить, напевно, сталося в нескінченній кількості О-регіонів!

Серед цих нескінченно повторюваних сценаріїв мають бути дуже дивні історії. Наприклад, планета, схожа на нашу Землю, може раптом сколапсувати у чорну дірку. Або вона може випустити колосальний імпульс випромінювання і перейти на іншу орбіту значно ближче до центральної зірки. Такі події є надзвичайно малоймовірними, але це лише означає, що доведеться перебрати дуже багато О-регіонів, перш ніж знайдеться такий, у якому це сталося.

Дивним наслідком цієї нової картини світу є існування нескінченної кількості світів, ідентичних нашому. Так, дорогий читачу, десятки ваших дублів тримають зараз у руках цю книгу. Вони живуть на планетах, точно таких, як наша Земля з усіма її горами, містами, деревами та метеликами. Ці землі обертаються навколо точних копій Сонця, і кожне сонце належить величезній спіральній галактиці – точної копії нашого Чумацького Шляху.

Як далеко всі ці землі, населені нашими дублями? Ми знаємо, що матерія, що міститься в нашому регіоні, може перебувати в 10 у ступені 10 90 різних станів. Об'єм, що містить, скажімо, гуголплекс ( 10 у ступені 10 100 ) О-регіонів, повинен вичерпати всі можливості. Такий обсяг матиме діаметр порядку гуголплекса світлових років. На великих відстанях О-регіони, включаючи наш, повторюватимуться.

Повинні також існувати регіони, де історії дещо відрізняються від нашої, з усіма можливими варіаціями. Коли Юлій Цезар зі своїми легіонами стояв на березі річки Рубікон, він знав, що має ухвалити найважливіше рішення. Перехід річки стане державною зрадою і шляху назад уже не буде. Зі словами "Jacta alea est!" - "Жереб кинутий!" - він наказав військам іти вперед. І жереб дійсно був кинутий: на деяких землях Цезар став римським диктатором, а на інших він був розбитий, катований і страчений як ворог держави. Звичайно, на більшості земель ніколи не було людини на ім'я Цезар, а в більшості місць Всесвіту немає нічого схожого на нашу Землю, оскільки існує набагато більше за інші можливі варіанти розвитку крім простого повторення.

Дуже символічно, що ця сюрреалістична картина світу з'явилася в містечку, наповненому духом Сальвадора Далі. Подібно до живопису Далі, вона змішує дивні, кошмарні деталі зі звичною реальністю. Проте це прямий наслідок інфляційної космології. Ми з Хауме написали статтю про нову картину світу і представили її до провідного фізичного журналу The Physical Review. Ми побоювалися, що стаття буде відкинута як "надто філософська", але її прийняли без заперечень. У дискусійному розділі ближче до кінця ми писали:

"Існування О-регіонів з усіма можливими історіями, серед яких є ідентичні чи майже ідентичні нашій, має низку тривожних наслідків. Якщо тільки у вас з'явилася думка про можливість якогось страшного нещастя, можете бути впевнені, що воно вже трапилося в якомусь. з О-регіонів. Якщо ви насилу уникнули аварії, значить, у деяких регіонах з такою ж попередньою історією вам не пощастило. і – так! – Елвіс живий”.

Преса відреагувала негайно - як і передбачав Хаум. Наступного місяця в британському журналі New Scientist вийшов огляд нашої статті під заголовком "Хай живе король!"

Що ще нового?

Пізніше ми з'ясували, що картина безлічі наших клонів, розкиданих по Всесвіту, має передісторію. Знаменитий російський фізик Андрій Сахаров висловив подібну ідею у своїй Нобелівській лекції у 1975 році. Він говорив:

"У нескінченному просторі повинні існувати багато цивілізацій, у тому числі розумніші, "вдаліші", ніж наша. Я відстоюю також космологічну гіпотезу, згідно з якою еволюція Всесвіту повторюється в основних своїх рисах нескінченну кількість разів".

Дехто навіть називав думку, що в нескінченному Всесвіті має статися абсолютно все, самоочевидне. Це твердження, однак, хибне. Розглянемо, наприклад, послідовність непарних чисел 1, 3, 5, 7, … . Вона нескінченна, але не можна говорити, що вона містить усі можливі числа. Адже в ній відсутні усі парні числа. Аналогічно, нескінченність простору сама по собі не гарантує, що всі можливості реалізуються десь у Всесвіті. Наприклад, по всьому простору могла б нескінченно повторюватися та сама галактика.

На цей момент вказали південноафриканські фізики Джордж Елліс (George Ellis) та Дж. Брандріт (G. Brundrit). Вони довели, виходячи з припущення про нескінченність Всесвіту, що в ній має бути безліч місць, дуже схожих на нашу Землю. (У своєму аналізі вони спиралися на класичну фізику і тому могли говорити тільки схожість, але не про ідентичність інших земель і нашої.) Вони припустили до того ж, що початковий стан Всесвіту випадково змінюється від одного О-регіону до іншого, так що в нескінченному обсязі вичерпуються всі можливі варіанти. Таким чином, існування наших клонів не самоочевидне, а спирається на припущення про просторову нескінченність і "вичерпну випадковість" Всесвіту.

Навпаки, у разі нескінченної інфляції ці властивості не потрібно запроваджувати як незалежні припущення. З самої теорії випливає, що острівні всесвіти нескінченні і що початкові умови на момент Великого вибуху задаються випадковими квантовими процесами під час інфляції. Існування клонів, таким чином, є неминучим наслідком теорії.

Значення слова "бути"

Все залежить від значення слова "є".

Білл Клінтон

Ідея безлічі світів, або "паралельних" всесвітів, обговорювалася також і в іншому контексті. Можливо, ви чули про багатосвітову інтерпретацію квантової механіки, яка стверджує, що Всесвіт постійно розщеплюється на безліч копій самого себе так, що в різних копіях реалізуються всі можливі результати кожного квантового процесу. Незважаючи на подібність, що здається, з нескінченною інфляцією, це насправді зовсім різні теорії. Щоб не плутати їх, давайте зробимо короткий екскурс у світ багатьох світів.

Квантова механіка – феноменально успішна теорія. Вона пояснює будову атомів, електричні та теплові властивості твердих тіл, ядерні реакції та надпровідність. Фізики беззастережно довіряють їй, але при цьому підстави цієї теорії напрочуд темні, і дебати про їхню інтерпретацію продовжуються досі.

Найспірнішим є питання про природу квантово-механічних ймовірностей. Так звана копенгагенська інтерпретація, розроблена Нільсом Бором та його послідовниками, свідчить, що квантовий світ принципово непередбачуваний. Згідно з Бором, безглуздо запитувати, де знаходиться квантова частка, доки ви не зробите вимір, щоб її виявити. Імовірності всіх можливих результатів виміру можна обчислити, використовуючи правила квантової механіки. Частинки ніби не можуть "вирішитися" і стрибають на певне місце в останній момент, коли виконується вимір.

Альтернативна інтерпретація запропонована Х'ю Евереттом III у його докторській дисертації, захищеній у 1950 році у Прінстонському університеті. Він стверджував, що насправді реалізуються всі можливі наслідки кожної квантової події, але відбувається це в різних, "паралельних" всесвітах. При будь-якому вимірі положення частки Всесвіт розгалужується на міріади копій, в яких частка виявляється у всіх можливих місцях. Процес розгалуження повністю детермінований, але ми не знаємо, з якою з гілок буде пов'язано нашдосвід. В результаті результат нашоговимірювання, як і раніше, залишається імовірнісним, причому Еверетт показав, що всі ймовірності виявляються точно такими ж, як і в копенгагенській інтерпретації.

Оскільки вибір інтерпретації не впливає на жодні результати чи прогнози теорії, більшість працюючих фізиків ставляться до дискусії про підстави квантової механіки як агностики і витрачають час такі питання. За словами фізика Ісідора Рабі (Isidor Rabi), який займається елементарними частинками, "квантова механіка - це просто алгоритм. Використовуйте його. Він працює, не турбуйтеся". Такий підхід "заткнися і рахуй" чудово працює скрізь, крім квантової космології, в якій квантова механіка застосовується до цілого Всесвіту. "Ортодоксальну" копенгагенську інтерпретацію, яка вимагає, щоб зовнішній спостерігач виконував над системою процедури вимірювання, у цьому випадку неможливо навіть сформулювати: немає жодного зовнішнього по відношенню до Всесвіту спостерігача. Космологи, таким чином, схильні віддавати перевагу багатосвітовій картині.

Еверет і деякі його послідовники наполягають, що всі паралельні світи однаково реальні, проте інші вважають, що це лише можливі світи і серед них лише один реальний. Ця дискусія може виявитися простою суперечкою про терміни: коли кажуть, що є інший паралельний всесвіт, незалежний від нашого, що точно означає це твердження? Як сказав президент Клінтон з іншого приводу, "все залежить від значення слова "є". Паралельні всесвіти подібні до паралельних прямих: у них немає спільних точок. Кожна з них розвивається самостійно в окремому просторі і часі, які ніде не можуть проникнути в наш Всесвіт. Але як тоді ми можемо сказати, чи існують вони насправді чи тільки як можливості?

Я маю наголосити, що все це ніяк не впливає на картину вічної інфляції, описану на початку цього розділу. Якщо приймається багатосвітова інтерпретація, існує ансамбль " паралельних " вічно інфлюючих всесвітів, кожна з нескінченним числом О-регіонів. Нова картина світу додається до кожного з всесвітів цього ансамблю.

Понад те, на відміну ідеї паралельних світів інші О-регіони безумовно реальні. Всі вони належать до спільного простору-часу, і, якби у нас в запасі був достатній термін, ми навіть змогли б дістатися до них і порівняти їхні історії з нашою.

Обхідні шляхи

Без сумніву, багато читачів здивуються: невже нам справді треба вірити у всі ці нісенітниці з нашими клонами? Чи немає способу уникнути таких химерних висновків? Якщо ви зовсім не здатні змиритися з думкою, що ваш двійник у далекій галактиці є республіканцем (або, навпаки, демократом), і якщо ви готові вхопитися за будь-яку соломинку, щоб уникнути цього, дозвольте підкинути вам пару соломинок.

Насамперед є ймовірність, що теорія інфляції невірна. Ідея інфляції дуже переконлива і підтверджується спостереженнями, але, звичайно, далеко не тією мірою, як, наприклад, теорія відносності Ейнштейна.

Навіть якщо наш Всесвіт є продуктом інфляції, можна припустити, що інфляція не є вічною. Щоправда, це вимагатиме досить серйозних натяжок у теорії. Щоб уникнути вічної інфляції, енергетичний ландшафт скалярного поля має бути спеціально підігнаний під наші вимоги.

Жодна із цих можливостей не виглядає привабливо. Теорія інфляції – це найкраще з наявних у нас пояснень Великого вибуху. Якщо ми приймемо цю теорію і не станемо її калічити, додаючи зовсім не обов'язкові та довільні властивості, у нас не буде іншого вибору, крім як визнати інфляцію нескінченною, з усіма наслідками, що з цього випливають, подобаються вони нам чи ні.

Прощання з унікальністю

У уявленнях стародавніх ми, люди, були центром Всесвіту. Небо розташовувалося не надто далеко, і долі людей і царств можна було прочитати зірками і планетами на його оксамитовому склепінні. Наш відхід з авансцени почався з праць Коперника і тривав аж до кінця минулого сторіччя. Не тільки Земля не є центром Сонячної системи, а й саме Сонце – лише звичайна зірка на околиці досить типової галактики. І все ж таки нас гріла думка, що на Землі є щось зовсім особливе - що це єдина планета з даним конкретним набором життєвих форм і що людська цивілізація з її мистецтвом, культурою та історією унікальна у всьому Всесвіті. Можна було думати, що ця єдиність - достатня підстава, щоб охороняти нашу маленьку планету, як дорогоцінний витвір мистецтва.

Тепер ми втратили і цю останню претензію на унікальність. У картині світу, що виникає з теорії вічної інфляції, Земля і наша цивілізація не можуть вважатися унікальними. По нескінченних просторах космосу розкидано безліч ідентичних цивілізацій. З цим зниженням статусу людства до абсолютної космічної нікчемності наш шлях від центру світової сцени може вважатися завершеним.

Від англ. field - "поле". - Пряміть. перев.

Слово "кікспен" ( kickspan) утворено від англ. слів kick- "поштовх" та span- "величина", "амплітуда". Це максимальна відстань, на якій можлива комунікація в інфляційному Всесвіті. Воно дорівнює критичному розміру шматочка несправжнього вакууму, необхідного для інфляції (див. розділ 6): 1 міліметр для електрослабкого вакууму та в 10 13 разів менше вакууму Великого об'єднання. Ця відстань відіграє роль горизонту в інфляційному Всесвіті, що розширюється.

Термін "період напіврозпаду" походить з ядерної фізики, де він означає час, протягом якого розпадається половина атомів у зразку радіоактивної речовини.

Алан Гут називає ці острови "кишеньковими всесвітами". Однак Ленні Саскінд (Lenny Susskind) зазначив, що це знищує будь-яку романтику. (Слід зазначити, що у першій половині минулого століття терміном "острівні всесвіти" у науково-популярній літературі називали галактики. - Пряміть. перев.)

Щоб уникнути плутанини з цього моменту я користуватимуся терміном "Великий вибух" для позначення кінця інфляції, а початковий (або кінцевий) стан з нескінченною кривизною і щільністю називатиму сингулярністю.

A. Vilenkin, "The birth of inflationary universes" ("Народження інфляційних всесвітів"), Physical Review, Vol. D27, p. 2848 (1983). Це стаття про квантову космологію; Вічна інфляція обговорюється в останньому розділі.

Експоненційно роздмухувана область швидко заповнила б комп'ютерний екран, змусивши нас зупинити моделювання. Ми впоралися з цією проблемою, використовуючи шкалу відстаней, що розширюється, яка росла в тому ж темпі, що і область інфляції. Якщо користуватися такою лінійкою, що розтягується, величина об'єму інфлюючого помилкового вакууму не змінюється в часі, і він займає постійну площу на екрані. В аналогії з економічною інфляцією, яку ми використовували у розділі 5, цей спосіб виміру відповідає виразу цін у "початкових доларах", завдяки чому ефект інфляції виключається.

М. Aryal and A. Vilenkin, "The fractal dimension of the inflationary universe" ("Фрактальна розмірність інфляційного всесвіту"), Physics Letters, Vol. B199, p. 351 (1987).

A.D. Linde, "Eternally existing self-reproducing chaotic inflationary universe" ("Вічно існуючий хаотичний інфляційний всесвіт, що самовідтворюється"). Physics Letters, Vol. В175, p. 395 (1986). Термін "вічна інфляція" був введений Лінде у цій статті.

Прискорене розширення Всесвіту було відкрито Групою наднових з великими червоними зміщеннями (High-Z Supernova Search Team) під керівництвом гарвардського астронома Роберта Кіршнера (Robert Kirshner) і Браяна Шмідта (Brian Schmidt) з обсерваторії Сайдінг Спрінгс в Австрал космології (Supernova Cosmology Project), очолюваним Солом Перлмуттером (Saul Perlmutter). З перших рук про це відкриття можна прочитати в дотепній книзі Роберта Кіршнера "Екстравагантний Всесвіт: зірки, що вибухають, темна енергія і космос, що прискорюється" ( The Extravagant Universe: Exploding Stars, Dark Energy, і the Accelerating Cosmos, Princeton University Press, Princeton, 2004).

Відстань до наднової, що визначається за її видимим із Землі блиском, говорить про те, як довго світло від неї йшло до нас, а значить, і про те, коли стався вибух. Почервоніння світла можна використовувати для оцінки швидкості космологічного розширення в той час. Докладніше про це див. розділ 14.

У наступних розділах буде згадано деякі інші можливості. Багато фізиків схильні до агностицизму щодо причин космологічного прискорення і говорять про нього як про "темну енергію".

Якщо ж, з іншого боку, спостереження покажуть, що щільність перевищує критичну більш ніж на одну стотисячну, наслідком буде те, що Всесвіт є відносно невеликою тривимірною сферою, не набагато більшою за сучасний горизонт. Для інфляції це створить дуже серйозні проблеми.

Його назвали на честь першовідкривача квантової фізики Макса Планка, який вивів формулу, яка описує, як енергія теплового випромінювання розподілена між хвилями різної частоти. Супутник було запущено 14 травня 2009 року.

Походження гравітаційних хвиль аналогічне появі збурень щільності (див. розділ 6). Вони породжуються квантовими флуктуаціями під час інфляції, амплітуда яких залежить від лінійного масштабу. Пророцтво щодо гравітаційних хвиль випливає з роботи Олексія Старобинського, виконаної в 1980 році, ще до того, як Гут запропонував ідею інфляції.

QUIET розпочав роботу у листопаді 2009 року. Він здатний детектувати гравітаційні хвилі, породжені інфляцією, але якщо помилковий вакуум мав енергетичний масштаб Великого об'єднання. Для менш енергійного вакууму знадобляться більш чутливі інструменти.

Нагадаємо, що ми домовилися ототожнювати Великий вибух із кінцем інфляції.

A.D. Linde, "Life after inflation" ("Життя після інфляції"), Physics Letters, Vol. B211, p. 29,1988.

У плоскому просторі-часі квадрат інтервалу між двома подіями визначається як (Різниця в часі) 2−(відстань у просторі) 2. За винятком знака "мінус" це дуже схоже на обчислення квадрата гіпотенузи за теоремою Піфагора. Для обчислення інтервалу відстані у просторі та часі мають виражатися у сумісних одиницях. Наприклад, якщо час вимірюється у роках, то мірою довжини мають бути світлові роки. Інтервал часу-подібний, якщо його квадрат позитивний, і просторово-подібний, якщо негативний. Для зустрічі класу та матчу з суперболу, які обговорюються в тексті, різниця у часі складає 3 року, а відстань у просторі - 4 світлові роки. Значить, квадрат інтервалу буде 32 − 42 = −7 . Тому інтервал є просторово-подібним.

Як і раніше, ПБВ означає "після Великого вибуху".

Стан руху спостерігача також впливає показання його годин. Ще раз підкреслимо, що у всесвіті Фрідмана існує природний вибір: спостерігачі, які спочивають по відношенню до галактик (або частинок речовини) у місцях свого розміщення. Це так звані "супутні спостерігачі".

З тим застереженням, що замкнутий Всесвіт подібний до тривимірної сфери, тоді як поверхня Землі має тільки два виміри.

Традиційна каталонська кам'яна садиба чи ферма. - Пряміть. перев.

Це обмеження є непридатним до областей, що перевершують розміри космічного горизонту. Передбачається, що на межі воно стосується О-регіону, який за розмірами збігається з горизонтом.

Від слова "гуголплекс" - назви числа 10 у ступені 10 100 .

Ми писали статтю у 2001 році, одразу після вельми спірних виборів у США, на яких Джордж Буш обійшов Ела Гора на дуже невелику величину.

J. Garriga and A. Vilenkin, "Many worlds in one" ("Багато світів в одному"), Physical Review, Vol. D64, p. 043511 (2001).

A.D. Сахаров, в Alarm and Hope(У сб. "Тривога і надія"), eds. Yankelevich and A. Friendly (Knopf, New York, 1978).

G.F.R. Ellis та G.B. Brundrit, Life in the infinite universe("Життя в нескінченному Всесвіті"), Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, Vol. 20, p. 37 (1979).

Глибоке обговорення багатосвітової інтерпретації, що стимулює її подальше осмислення, можна знайти у книзі David Deutsch, The Fabric of Reality(Девід Дойч, " Тканина реальності " ), Penguin, New York, 1997.

Цитується за: G. Edelman, Bright Air, Brilliant Fire: На Matter of the Mind, Penguin, New York, 1992, p. 216.

За словами Девіда Мерміна (David Mermin), див. Physics Today, April 1989, p. 9.

Ця думка близька до копенгагенської інтерпретації, за винятком, що не наполягає на присутності зовнішнього спостерігача.

Нашим можливостям подорожувати в інші О-регіони може перешкодити прискорення розширення Всесвіту, що спостерігається, викликане постійною енергією вакууму. У цьому випадку галактики інших О-регіонів будуть видалятися все швидше і швидше, і ми ніколи не зможемо їх наздогнати. Деякі моделі, однак, передбачають, що енергія вакууму поступово знижуватиметься, як це відбувалося в період інфляції. У такому разі не буде жодних важливих обмежень на дальність подорожей.

Приклад енергетичного ландшафту, призначеного для того, щоб уникнути вічної інфляції, показано на наступному малюнку (порівняйте з рис. 6.4).

Деякі етичні наслідки нової картини світу обговорюються в статті "Philosophical implications of inflationary cosmology" ("Філософські наслідки інфляційної космології"), написаної мною у співавторстві з філософом Джошуа Ноубом (Joshua Knobe) та моїм колегою по Тафту опублікована в березні 2006 року в The British Journal of the Philosophy of Science.

Епіграф:
І цілого світу замало!

Можу посперечатися, серед тих, хто читає ці рядки, немає жодної людини, яка б жодного разу в житті не чула про теорію Великого Вибуху. Припускаю, що на Землі трапляються подібні персонажі - селянин із покинутого села в горах Тибету, тубільець племені Тонга-Тонга, мормон з Юти, напевно такі десь, та зустрічаються. Однак якщо ви вмієте читати, маєте доступ в Інтернет і змогли, нехай випадково, зайти в цей блог - можу гарантувати, ви обов'язково що-небудь хоч краєм вуха, але чули про теорію Великого Вибуху.

У цьому пості я розповім про поточне наукове розуміння цієї теорії, текст вийшов немаленький, але обіцяю, сьогодні ви дізнаєтеся щось нове, те, що раніше не знали, і навіть не замислювалися.

Насамперед, кумедно, але мало хто замислювався, у чому ж, власне, полягає теорія Великого Вибуху? Спробуйте прямо зараз покрутити в голові факти, що ви знаєте про неї, а потім я викладу, як вона звучить насправді.

Спробували? Ну, ще 20 секунд на роздуми.

Отже. Теорія Великого Вибуху стверджує, що раніше наш Всесвіт був маленький і гарячий, з того часу він розширюється і остигає. Крапка. Більше нічого в цій теорії немає, не вигадуйте зайвого.

Дивно, але в класичній теорії Великого Вибуху немає найважливішого – немає власне Великого Вибуху. Ніде не згадується, що це був за "вибух", що там вибухнуло, куди вибухнуло, як і чому.

Дотримуючись основної тези, що "спочатку наш Всесвіт був маленький і гарячий", можна подумки розтягнути його ще далі (хоча звертаю увагу, це вже НЕ Є теорія Великого Вибуху, це саме спроби розтягнути межі застосування в область припущень і фантазій) і прийти до припущення, що ще ранішевесь Всесвіт був зібраний в одну точку, звану точкою сингулярності, яка пізніше вибухнула з якихось своїх внутрішніх причин.

Зауважу, що теорія Великого Вибуху ("раніше Всесвіт був маленький і гарячий, а потім став великим і холодним") сьогодні не є теорієюяк такий. Можна вважати, що це цілком собі науково встановлений факт, що підтверджується величезною кількістю спостережень, сьогодні немає жодного вартого вченого, який би сумнівався в ньому. Але ось щодо точки сингулярності (що лежить, повторюся, поза межами застосовності теорії Великого Вибуху) у вчених не тільки немає єдиної думки, у них взагалі жодної думки немає.

Ніхто не має жодного поняття, що це за "сингулярність". Сингулярність це взагалі плейсхолдер (слово-замінник) фрази "я не знаю". Тобто на питання "чи рівні класи P і NP?", чи "живий кіт Шредінгера?", або навіть "як звучить бавовна однієї долоні?" можна сміливо відповідати "Сингулярність!"
Не помилишся.

Теорія Великого Вибуху була сформульована в 20-х роках минулого століття, і ось вже з тих пір ціле століття вчені тільки і займаються тим, що намагаються зрозуміти, в чому ж суть сингулярності, і чи не можна якось її позбутися?

Основна проблема сингулярності - у ній відбувається натуральний поділ на нуль, причому в самому прямому значенні. Усі формули перетворюються на нісенітницю, 3 стає одно 5, і одна нескінченність починає наповзати на іншу. А це кінець фізики, кінець науки, далі живуть лише дракони-ЕГГОГи, і десь зі складок простору єхидно підморгує сам Всевишній.

Багато різних способів, підходів і хитрощів пропонувалося на заміну сингулярності, найкраще поки вийшло у американського фізика Алана Гута в 1981-му році. Як завжди вкотре нагадаю, наука справа колективна, Гут, як і всі попередники, видерся на плечі гігантів, але в цьому короткому тексті на пальцях™я не перераховуватиму всіх попередників, колег і опонентів, згадаю лише одне прізвище, того варте - Олексій Старобинський, який висловлював схожі ідеї раніше, але слава першовідкривача закріпилася саме за Аланом Гутом.

Гут запропонував зробити хитрий фінт вухами. Уважно стежте за руками та вухами, зараз я покажу вам фокус. Давайте подумки (!)дістанемо зі всіх текстів слово "сингулярність" і покладемо замість нього фразу "скалярне поле". Звертаю вашу увагу, на цьому етапі нічого не змінилося, термін "скалярне поле" продовжує бути повним аналогом () "сингулярності", яка у свою чергу, як ми пам'ятаємо, лише замінник фрази "я не знаю".

Що це за "скалярне поле", які його характеристики, звідки воно з'явилося, що взагалі, чорт забирай, відбувається - так само немає відповідей. Поки "скалярне поле", або як його ще називають в англійській традиції "поле інфлатонів" (бо "інфляція" ж), це лише результат уявного експерименту в спробах уникнути сингулярності і прийти до чогось ще. Поки що це не більше ніж заміна шила на мило. Але будемо справжніми вченими, доведемо наш подумки до кінця, і подивимося, що ж вийшло в результаті.

Отже, за Гутом, первісний протовсесвіт був безвидний і порожній, в ньому нічого не було і нічого не відбувалося, він був нескінченний, або як мінімум дуже-дуже-дуже великий, набагато більше, ніж сучасний Оглядовий Всесвіт, і вся вона була заповнена цим самим скалярним полем, про яке нам нічого не відомо, крім того, що це якесь поле, і що воно як ясно з назви - скалярне.

Не вантажитиму читача визначенням "скаляра", це не особливо потрібно в рамках даного посту, дуже просто і на пальцях™можна вважати, що в цьому полі присутня якась "напруженість". Поле несе в собі енергію, як грозова хмара несе в собі готову пролитися дощем воду.

Чим ця ситуація краща за попередню з сингулярністю з погляду фізики? Та всім! Нехай ми не знаємо жодної характеристики даного поля, нехай ми гадки не маємо, що там була за напруженість і звідки вона взялася, але це вам не поділ на нуль! Тепер у нас є вирішуване завдання, можна почати писати якісь формули (самі розумієте, справжнього вченого медом не годуй, дай тільки якихось триповерхових формул нафігачити), в які можливо підставляти початкові умови та коефіцієнти, ділити і множити, обчислювати, що вийде в результаті, і потім порівнювати з результатами безпосередніх спостережень та експериментів.

Так, звучить смішно і навіть якось безглуздо, натуральне "шило на мило", але це виявився реальний прорив. Це крок уперед порівняно з тотальним "я не знаю", накресленим на бетонній стіні, це вже серйозна заявка на успіх, на обхід, на підкоп чи хоч би на сходи.

Однак найсмішніше, що фокус зі скалярним полем у Алана Гута вдався, а ось формули якраз не склалися. Алан приніс у науку ідею скалярного поля та її інфляції (про механізм інфляції трохи пізніше), але правильно описати свої думки сухим мовою математики йому вийшло. Ряди розходилися, все знову починало ділитися на нуль, коротше повний провал.

І лише через рік факел інфляційної моделі, що притухнув, високо підняв Андрій Лінде, радянський учений, який тимчасово проживає в США і очолює кафедру фізики в Стенфордському університеті.

Він виправив помилки теорії Алана Гута, змусив формули сходитися і давати передбачуваний і перевірений результат, але принагідно відкрив справжню скриньку Пандори, про яку згадаю в самому кінці посту, залишу його на солодке.

Суть інфляційної моделі Всесвіту (коротко так, образно і туманно) така:

Ми пам'ятаємо, що протоВсесвіт, попередниця нашого Всесвіту, був заповнений якимось скалярним полем, про яке нам нічого не відомо, крім наявності самого поля та його "скалярності". Скалярне, не скалярне, але принципи квантової механіки ніхто не скасовував! Ось уже сто років, як нікому, включно з самим Альбертом Ейнштейном, жодного разу не вдавалося принципів квантової механіки. Що означає, що навіть якщо це поле спочатку було однорідним (а воно, в принципі, не обов'язково має бути спочатку однорідним), все одно згодом, під дією квантових флуктуацій у ньому таки з'являться дрібні неоднорідності, які за вказівкою його величності Квантового Випадку, можуть накладатися один на одного, утворюючи великі неоднорідності.

Ну, великі-то за квантовими мірками. Все одно це все ще мілі-мілі-мілі-... (і ще 10 разів мілі-) Джоулі, метри і кілограми, ні про який наш Всесвіт, з трильйонами зірок і галактик поки не йдеться.

І тут раптовоз'ясовується, що поле у ​​нас не аби яке, а вельми хитре! У звичайному полі, в якому немає тертя, неоднорідності просто рано чи пізно. замкнуться та коротнутьСамі на себе. Наприклад візьмемо відоме і зрозуміле електромагнітне поле. Якщо десь виникла різниця потенціалів, яка продовжує збільшуватися, то рано чи пізно, але закоротить обов'язково. Пробіжить розряд, виникне міні-іскра (або мега-блискавка, якщо різниця потенціалів була велика (як у грозу) і неоднорідність нівелюється.

До речі, по-перше, уважний читач із зірочкою(*) тут повинен заявити, що електромагнітне поле, не є поле скалярне, а саме навпаки - векторне поле, причому дуже заморочене. Але в даному конкретному прикладі це взагалі не грає ролі. І в тому й тому полі коротне практично однаково, за одним сценарієм. Ну, і по-друге, не можна сказати, що прямий неодмінно відразу коротне, заряди можуть накопичуватися роками і навіть мільйонами років. Все залежить від тисячі різних умов, але якщо прочекати досить довго (наприклад, вічність), то коротке замикання неоднорідностейНеодмінно станеться. Природно, це все не більше ніж аналогія, причому тут не дуже пряма, я лише намагаюся на пальцях™ пояснити поведінку незрозумілого скалярного поля на прикладі зрозумілого електромагнітного.

Так ось, в електромагнітному полі практично немає тертяякщо можна так висловитися. У електронів є кінцева швидкість пересування і вони відчувають прямий опір середовища, яке ми і називаємо опором електричного струмуале зміни поля передаються зі швидкістю самого електромагнітного поля, тобто. зі швидкістю світла. Якщо відійти від теми надто далеко, то читач із двома зірочками (**)повинен знати, що навіть повний і абсолютний вакуум має якийсь аналог "опіру" електромагнітним хвилям, але це вже зовсім глибокі нетрі сили Казимира та інших ефектів вакуумних флуктуацій, нам туди поки не варто заглиблюватися, хоч такі пости із серії на пальцях™ плануються у невідомому, але недалекому майбутньому.

Коротше, можна сказати, що електромагнітне поле не має внутрішнього тертя, або воно зневажливо мало. Ну, коротнуло і коротнуло миттєво. Якщо накласти аналогію на аналогію, можна сказати, що замикання електромагнітного поля це ніби гора, що знаходиться в області високого потенціалу, на якій лежить м'ячик, а область низького потенціалу це яма під горою, куди цей м'ячик зрештою впаде. Оскільки тертя майже немає, м'яч мчить униз зі всієї швидкості, фактично зі швидкістю світла. Бац, і впав.

При падінні обов'язково виділиться якась енергія, яка піде на нагрівання навколишнього простору, землі та м'ячика. Що стосується електромагнітного поля відбувається натуральний розряд поля, тобто. блискавка. Якщо справа відбувалася під водою (а електричні розряди можуть коротити і під водою), то в цьому місці утворюється крихітна бульбашка повітря, коли вода розпадеться на її кисень і водень. Розряд у буквальному значенні блискавичний, різниця потенціалів падає швидко, бульбашка повітря виходить дуже маленький.

Тепер повернемося до нашого гіпотетичного скалярного поля. Так як воно все ще гіпотетичне, фантазувати про нього та його властивості можна як завгодно. Припустимо, що в цьому полі існує внутрішнє тертя і дуже велике. Дуже-дуже велике. Перекладаючись на аналогію з м'ячем, він падатиме з гори не у вакуумі чи там повітрі, а у дуже в'язкій та тягучій рідині, наприклад у соняшниковій олії чи меді.

Отже сила тяжіння тягне м'ячик вниз, а сила тертя заважає йому швидко падати і тягне його назад вгору. І замість того, щоб стрімко мчати до підніжжя (а ми пам'ятаємо, що це лише аналогія того, як швидко розряджається нерівномірність напруженості поля), м'ячик плавно, майже з постійною швидкістю, тобто. майже рівномірно опускається донизу. Розрядження скалярного поля відповідальне створення вакууму, тобто. нашого рідного простору-часу, падіння його потенціалу ніби надуває повітряна кулька, тільки замість повітря там вакуум, а замість кульки - наш Всесвіт. Якби все відбувалося без тертя, напруженість скалярного поля впала б дуже швидко і в нас вийшла б маленька бульбашка вакууму у величезному безмежному океані протовсесвіту. Але тертя (а по суті саме скалярне поле) не дає напруженості падати швидко, заважає і тягне саме себе назад. Через це, тоді як напруженість повільно знижується, практично стоїть дома, " сила надування " , тобто. сила, яка розпирає вакуум, що утворюється, на всі боки залишається постійною, і продовжує накачувати з колишнім зусиллям, не дивлячись на те, що розміри новонародженого Всесвіту все збільшуються і збільшуються.

Вчені знають, а ви можете мені на слово повірити, а можете перевірити та погуглити, що в даному випадку у нас виходить рівняння, рішенням якого є експонента. Тобто. виходить натуральне експоненційне розширення Всесвіту. У мільярди мільярдів мільярдів разів. За невеликий, дуже короткий проміжок часу. Усе залежить від цього, які коефіцієнти ми входять у експоненту, тобто. якою була початкова напруженість скалярного поля, якою була сила тертя і т.д.

Розрахунки показують, якщо "сила розпирання" не падає з часом, за якісь 10 -36 частки секунди новий з запалу з жару Всесвіт (тобто цей початковий бульбашка вакууму) може розширитися в 10 26 разів. Так, це на багато порядків перевищує швидкість світла, але тут немає жодного феномена. Теорія Відносності забороняє будь-якій матерії пересуватися у просторішвидше швидкості світла, але зовсім не забороняє самому простору (тобто порожнечі) розширюватися в сторони з будь-якою швидкістю.

Виходить, що ніякого Великого Вибуху як "вибуху" не було. Було швидке, дуже швидке, вибухоподібне або експоненційно швидке "надування і розширення" бульбашки нашого Всесвіту, саме що інфляціявід англійського слова inflate- "накачувати", "роздмухувати".

Але ж тут хитрий момент! Розширюється вакуум, тобто. абсолютна порожнеча, звідки ж узялася вся та енергія та матерія, що становить зараз усі наші зірки, галактики та інший контент сучасного космосу? І чому Всесвіт був раніше гарячий, чому там бути гарячому, порожньому вакууму чи що?

Тут знову складна фіговіна із зубодробильними формулами, постараюся роз'яснити її за допомогою чого б ви думали? Аналогії на пальцях™, Ну звичайно!

Ви знаєте, що якщо у нас щось дуже швидко розширюється, то це щось так само стрімко втрачає енергію, в сенсі так само швидко розмазує її по всьому об'єму, що розширюється, і в кожній окремій точці або кубометрі простору енергії стає все менше і менше. Це вам не хухри-мухри, це, між іншим, перший початок термодинаміки!

А в нас виходить навпаки. Якщо дуже швидко розтягнути бульбашку Всесвіту, вона почне миттєво накопичуватиенергію. Адже гравітаційна енергія завжди йде зі знаком мінус. Якщо рознести у просторі два тіла, або, скажімо, підняти важкий вантаж над поверхнею Землі, потенційна, а отже, і загальна енергія системи збільшиться! А так як все відбувається швидко (нагадаю, дуже-дуже-дуже-... і ще 26 разів дуже швидко), то у випадку з яким-небудь газом, наприклад повітрям, він різко охолоджується, утворює туман і водяна пара, що знаходиться в ньому. випадає в осад, утворюючи натуральний сніг чи лід. Усі бачили, якщо відкрити клапан балона зі зрідженим газом, балон відразу покривається інеєм.

А у випадку з Всесвітом, навпаки температура різко підвищується, трапляється фазовий перехід і енергія, що вивільнилася, "випадає в осад" у вигляді власне енергії (фотонів) і матерії (електронів, протонів та інших елементарних частинок). Ось чому після інфляції, яка починалася не такою вже й гарячою, Всесвіт швидко розігрівається до безмежних енергій і температур, які раніше вважалося вирвалися назовні прямо з точки сингулярності. А далі, коли м'ячик долетів до дна ямиі період експоненційного розширення закінчився, все продовжується за старим сценарієм класичного Великого Вибуху, Всесвіт розширюється, але вже не експоненційно, а повільно так, за інерцією. Але тепер все це виходить без Великого Вибуху та його сингулярності.

Звучить незвично, звучить якимось обманом, але якщо замислитися, все логічно - потенційна енергія, що збільшилася, енергія гравітації зі знаком мінус в точності компенсується енергією кінетичною, енергією руху (температурою) і енергією спокою (масою) частинок "випалих в осад". Загальна енергія Всесвіту продовжує залишатися нульовою, мінус сто і плюс сто дає в результаті нуль. Як мінус мільярд та плюс мільярд.

Якщо бути до кінця точним, там не зовсім рівно нуль виходить у результаті, адже напруженість початкового скалярного поля, з якого все почалося, тут таки впала майже до нуля. Але абсолютна величина даного падіння, якісь там частки Джоуля ( чи у чому там вимірюється напруженість поля інфлатонів?), все одно залишається в межах нехай і великих, але все ще квантових ефектів. Це не йде ні в яке порівняння з триллі-мільярдами (точніше 10 50 і так далі) кілограмами матерії, що народилася, і такими ж порядками запасеної гравітаційної енергії. Миша народила гору, у прямому значенні цього слова. Точніше гору та яму поруч для рівноваги.

Ще раз для зрозумілості повторюю попередній абзац трохи іншими словами. Коли результаті падіння напруженості скалярного поля у ньому виник маленький пляшечку нашого простору–часу, тобто. звичайного вакууму, цей простір-час виявляється "трохи погнутим". Чому? Тому що саме так будь-яка енергія впливає на простір. Ньютон думав, що гравітація є силатяжіння двох мас. А Ейнштейн сказав, що гравітація є лише гнутістьпростору. Якщо простір "гнуте" в ньому вже запасена якась гравітаційна енергія, навіть якщо цей простір абсолютно порожній і в ньому немає маси. Що в нас гнить простір? Його гніт енергія (правильніше говорити - тензор енергії-імпульсу). Маса це теж енергія, багато енергії, але можна обійтися зовсім без маси, взагалі будь-яка енергія гніт простір. Коли під дією падіння енергії скалярного поля "надувся маленький пухирець вакууму", у ньому вже є енергія скалярного поля, вакуум у ньому вже "гнутий". Якщо ця бульбашка швидко розтягнути в сторони, гравітаційна енергія різко зросте, що викличе "випадання в осад" маси, яка з одного боку додає Всесвіту енергії (т.к. E=mc 2) зі знаком плюс, а з іншого - додає у Всесвіт гравітації цієї маси зі знаком мінус, а значить і далі продовжиться гонка - змагання гори та миші.

Так, нагадую, якщо хтось забув, що все це відбувається в рамках уявного експерименту з позбавлення від сингулярності! Це поки що лише гімнастика розуму, наукою тут ще не дуже пахне, хоча сам уявний експеримент - обов'язковий атрибут наукового методу. Щоб піднятися в ранзі хоча б до гіпотези, не кажучи вже про теорію, потрібно багато пройти і пояснити.

Повторюю, ми досі у процесі обміну шила на мило. Ми нікуди не пішли від незрозумілої початкової сингулярності, всього-то назвали її трохи інакше і в результаті встали з ніг на голову. Однак конкретні деталі теорії інфляційного розширення Всесвіту, на відміну від класичної теорії Великого Вибуху, дозволяють знайти пояснення багатьом феноменам, що спостерігаються (проблема початкових умов, проблема однорідності та ізотропності Всесвіту, проблема площини Всесвіту, проблема з магнітними монополями і багато чого ще). якими сингулярність Великого Вибуху пасувала. Це робить інфляційну модель дуже привабливою, але зовсім не доводить її і не оголошує вірною. У стані "молодої і перспективної", але "недоведеної і трохи фантастичної" теорії інфляційна модель знаходилася з 80-х років останнього століття минулого тисячоліття (це я так "30 років тому" хитро сказав), поки в 2014 році не з'явилися перші, всі ще несміливі, непідтверджені і непрямі докази, в сенсі результати експериментівїї підтверджують. А тут уже не просто заявка, тут виходить реальний успіх!

Що це за експерименти, які їх результати, що таке "гравітаційні хвилі" як вони пов'язані з інфляцією і чому їхнє відкриття тягне на нобелівську премію, яку, я думаю, Алану Гуту та Андрію Лінді таки вручать зрештою, а також всі інші Технічні подробиці збираються в купу і будуть описані особливо, в другій частині цієї розповіді, вони тягнуть на повноцінний окремий пост. Тут я лише виклав суть інфляційної теорії, зупинивши її на етапі 2013 року – цікавою, привабливою, але нічим не підтвердженою.

А тепер обіцяне солодке.

Так, поки що рано говорити з твердою впевненістю. Так, все це ще дуже вилами по воді писано, і зовсім не обов'язково має бути. Так, попереду ще довга дорога розрахунків, помилок і експериментів, але.

Найсмачніше в тому, що інфляційна теорія Алана Гута, а точніше якраз математичні викладки Андрія Лінде мають на увазі абсолютно чудову штуку, що дахує.

Доповнення Лінде офіційно називаються "хаотична теорія інфляції". Центральна її частина сама есенція теорії говорить про те, що дані "розряди скалярного поля" просто зобов'язані хаотично, тобто. випадково, відбуватися скрізь і всюди у початковій протовсесвіті. А це означає, що наш конкретний Великий Вибух (який, як ми вже знаємо з поточного посту, був зовсім не вибух), що призвів до утворення нашого конкретного Всесвіту - лише один розряд, окремий конкретний міхур простору, що ми називаємо нашим космосом. А навколо не просто "може бути", а за формулами прямо-таки "обов'язково" повинні плавати мільярди та мільярди інших бульбашок, інших всесвітів. У кожному з цих всесвітів (вже з маленької літери) скалярне поле падало/розряджалося трохи інакше, а отже закони фізики у цих всесвітах можуть істотно відрізнятися від наших. Зірки і галактики там могли зовсім не утворитися, або навпаки, там могло утворитися таке, що нам і не снилося в найдикіших фантазіях.

Весь цей конгломерат бульбашок-всесвітів, що роздуваються, прийнято називати мультивсесвіт, хоча сам Лінде вважає за краще говорити по-російськи "Багатоликий Всесвіт". Виходить, що сучасне наукове розуміння походження та устрою нашого світу зараз таке:

Існує нескінченний або як мінімум дуже великий мультивсесвіт, заповнений якимось скалярним полем. Як довго вона існує, звідки сама з'явилася, які умови в цьому мультивсесвіті – ми поняття не маємо. Навіть на півшишечки. Але вчені досить сильно впевнені, що в деяких місцях цього мультивсесвіту скалярне поле починає падати, надуючи бульбашки звичайних всесвітів і утворюючи в них звичний нам простір-час. Наш конкретний міхур почав надуватися близько 13.8 мільярдів років тому, і скалярне поле в нашому Всесвіті, до речі, нікуди не поділося, тепер воно знаходиться майже в мінімумі, але не дорівнює нулю! Те, що розштовхує галактики нашого Всесвіту в сторони, і що ми називаємо Темною Енергією, це і є те саме "скалярне поле", точніше сказати, лише частина його. Тут, між іншим, має бути кілька абзаців, які пояснюють, що давно шукане поле Хіггса, утворене начебто нещодавно знайденим бозоном Хіггса, теж є породженням скалярного поля, а саме його онуком, тому що між скалярним і хіггсовим є, вірніше мало б бутище якесь суперХіггсове поле, в яке вироджується скалярне і яке у свою чергу вироджується в хіггсово. Але це не зовсім доведено, і вже зовсім убік від нашої поточної розмови, тож, мабуть, вистачить про це.

Навколоміхура нашого Всесвіту знаходяться міхури інших всесвітів, які утворюються від падіння скалярного поля у тих конкретних місцях. Десь їх власний містечковий великий вибух (теж з маленької букви) тільки-тільки починається, а десь все вже давно закінчилося, а "між" цими всесвітами знаходиться просто скалярне поле у ​​своєму високому енергетичному стані. Мультивсесвіт стає схожим на швейцарський сир, де сам сир це скалярне поле, а дірки в ньому - міріади та міріади всесвітів, одна з яких наша.

Чи можна пробурити тунелі крізь це скалярне поле, щоб потрапити до інших "паралельних" всесвітів? Невідомо.
Як далеко від нашого міхура до сусіднього, і чи можна пробратися туди через вищі виміри? Невідомо.
Чи існують вони взагалі насправді ці інші всесвіти навколо нашої чи все це лише фантазії? Невідомо, але тепер у науці цьому є сильна впевненість.

Хіба не чудово?

UPD: Продовження посту читайте у статті .

Чому проти трьох астрофізиків ополчилися тридцять три відомих вчених різних спеціалізацій на чолі зі Стівеном Хокінгом, за якими сценаріями утворювалася наша Всесвіт і чи вірна інфляційна теорія її розширення, сайт розбирався разом зі спеціалістами.

Стандартна теорія Великого вибуху та її проблеми

Теорія гарячого Великого вибуху встановилася в середині XX століття, а загальновизнаною стала кілька десятиліть після відкриття реліктового випромінювання. Вона пояснює багато властивостей навколишнього нас Всесвіту і припускає, що Всесвіт виник з деякого початкового сингулярного стану (формально нескінченно щільного) і з тих пір безперервно розширюється і охолоджується.

Саме реліктове випромінювання - світлове «луна», що народилося лише через 380 000 років після Великого вибуху, - виявилося неймовірно цінним джерелом інформації. Левова частка сучасної наглядової космології пов'язана з аналізом різних параметрів реліктового випромінювання. Воно досить однорідно, його середня температура у різних напрямах змінюється у масштабі лише 10 –5 , причому ці неоднорідності рівномірно розподілені по небу. У фізиці таку властивість прийнято називати статистичною ізотропією. Це означає, що локально така величина змінюється, але все виглядає глобально однаково.

Схема розширення Всесвіту

NASA/WMAP Science Team/Wikimedia Commons

Досліджуючи обурення реліктового випромінювання, астрономи з високою точністю обчислюють багато величин, що характеризують Всесвіт загалом: співвідношення звичайної матерії, темної матерії та темної енергії, вік Всесвіту, глобальну геометрію Всесвіту, внесок нейтрино в еволюцію великомасштабної структури та інші.

Незважаючи на загальноприйнятість теорії Великого вибуху, у неї були й недоліки: вона не давала відповіді на деякі питання виникнення Всесвіту. Основні з них отримали назви «проблема горизонту» та «проблема площинності».

Перша пов'язані з тим, що швидкість світла кінцева, а реліктове випромінювання статистично ізотропно. Справа в тому, що на момент народження реліктового випромінювання навіть світло не встигло пройти відстань між тими точками, що далеко віддалялися на небі, звідки ми сьогодні його вловлюємо. Тому незрозуміло, чому різні області настільки однакові, адже вони ще не встигли обмінятися сигналами з народження Всесвіту, їх причинні горизонти не перетинаються.

Друга проблема, проблема площинності, пов'язана з невідмінною від нуля (на рівні точності сучасних експериментів) глобальною кривизною простору. Простіше кажучи, на великих масштабах простір Всесвіту плоский, а з теорії гарячого Великого вибуху не випливає, що плоский простір краще, ніж інші варіанти кривизни. Тому близькість цієї величини до нуля, як мінімум, неочевидна.

Тридцять три проти трьох

Для вирішення цих проблем астрономи створили космологічні теорії наступного покоління, найуспішніша з яких – теорія інфляційного розширення Всесвіту (простіше її називають теорією інфляції). Підвищення цін на товари тут ні до чого, хоча обидва терміни походять від одного латинського слова - inflatio- «Здуття».

Інфляційна модель Всесвіту передбачає, що до гарячої стадії (те, що у звичайній теорії Великого вибуху вважається початком часу) існувала інша епоха з іншими властивостями. У той час простір розширювався експоненційно швидко завдяки специфічному полю, що його заповнював. За крихітні частки секунди простір розтягнулося в неймовірну кількість разів. Це вирішило обидві вищезгадані проблеми: Всесвіт виявився в цілому однорідним, оскільки стався з надзвичайно малого обсягу, що існував на попередній стадії. До того ж, якщо в ній були якісь геометричні неоднорідності, вони розгладилися під час інфляційного розширення.

У становленні теорії інфляції взяло участь багато вчених. Перші моделі незалежно одна від одної запропонували фізик, доктор філософії Корнеллського університету Алан Гут у США та фізик-теоретик, фахівець у галузі гравітації та космології Олексій Старобинський у СРСР близько 1980 року. Вони відрізнялися механізмами (Гут розглядав хибний вакуум, а Старобінський - модифіковану загальну теорію відносності), але призводили до схожих висновків. Деякі проблеми з початкових моделей вирішив радянський фізик, доктор фізико-математичних наук, співробітник Фізичного інституту імені П.М. Лебедєва Андрій Лінде, який ввів поняття потенціалу, що повільно змінюється (slow-roll inflation)та пояснив з його допомогою завершення стадії експоненційного розширення. Наступним важливим кроком було розуміння, що інфляція не породжує ідеально симетричний Всесвіт, оскільки необхідно враховувати квантові флуктуації. Це зробили радянські фізики, випускники МФТІ В'ячеслав Муханов та Геннадій Чибісов.

Норвезький король Харальд нагороджує Алана Гута, Андрія Лінде та Олексія Старобинського (зліва направо) премією Кавлі з фізики. Осло, вересень 2014 року.

Norsk Telegrambyra AS/Reuters

У рамках теорії інфляційного розширення вчені роблять перевірені передбачення, деякі з яких вже підтверджені, але одне з основних – існування реліктових гравітаційних хвиль – поки що підтвердити не вдається. Перші спроби їх зафіксувати вже робляться, проте на даному етапі це залишається за межами технологічних можливостей людства.

Проте інфляційна модель Всесвіту має супротивників, які вважають, що вона сформульована занадто загально, аж до того, що з її допомогою можна отримати будь-який результат. Деякий час ця полеміка йшла в науковій літературі, але нещодавно група з трьох астрофізиків IS&L (скорочення утворено за першими буквами прізвищ вчених - Ijjas, Steinhardt та Loeb - Анни Ійас, Пола Стейнхардта та Абрахама Леба) опублікувала науково-популярний виклад своїх претензій у виданні Scientific American. Зокрема, IS&L, посилаючись на карту температур реліктового випромінювання, отриману з допомогою супутника Planck, вважають, що теорія інфляції може бути оцінена науковими методами. Замість теорії інфляції астрофізики пропонують свій варіант розвитку подій: нібито Всесвіт почався не з Великого вибуху, а з Великого відскоку - стрімкого стиснення якогось «попереднього» Всесвіту.

У відповідь на цю статтю 33 вчених, серед яких і основоположники теорії інфляції (Алан Гут, Олексій Старобинський, Андрій Лінде) та інші відомі вчені, наприклад Стівен Хокінг, опублікували в тому ж журналі лист у відповідь, в якому вони категорично не погоджуються з претензіями IS&L .

сайт попросив космологів та астрофізиків висловитися з приводу обґрунтованості цих претензій, складнощів з інтерпретацією передбачень інфляційних теорій та необхідності перегляду підходу до теорії раннього Всесвіту.

Один із основоположників теорії інфляційного розширення, професор фізики Стенфордського університету Андрій Лінде, вважає претензії надуманими, а сам підхід критиків – несумлінним: «Якщо відповідати докладно, то вийде велика наукова стаття, а коротко – буде схожим на агітацію. Цим люди й користуються. Коротко лідер критиків - Стейнхардт, який протягом 16 років намагається створити альтернативу теорії інфляції, а в його статтях - помилка на помилці. Ну, а коли в самого не виходить, то з'являється бажання лаяти популярніші теорії, застосовуючи методи, добре відомі з підручників з історії. Більшість теоретиків перестали їх читати, але журналісти дуже люблять. Фізика тут майже ні до чого».

Кандидат фізико-математичних наук, співробітник Інституту ядерних досліджень РАН Сергій Миронов нагадує, що наукова істина не може бути народжена у полеміці на непрофесійному рівні. Критична стаття, на його думку, написана науково та аргументовано, там зведені разом різні проблеми інфляційної теорії. Подібні огляди необхідні, вони допомагають запобігти закостеніванню науки.

Проте ситуація змінюється, коли така дискусія переходить на сторінки популярного видання, бо, чи правильно таким чином просувати свою наукову ідею, питання суперечливе. У зв'язку з цим Миронов зазначає, що відповідь на критику виглядає некрасиво, тому що одна частина з його авторів взагалі не фахівці в галузі, що розглядається, а інша сама пише популярні тексти про інфляційну модель. Миронов звертає увагу, що стаття у відповідь написана так, ніби автори навіть не читали роботу IS&L, і вони не привели жодних контраргументів до неї. Твердження ж про провокаційну манеру, в якій написано замітку з критикою, означають, що «автори відповіді просто повелися на тролінг».

«Доля істини»

Проте вчені, зокрема прихильники інфляційної моделі, визнають її недоліки. Фізик Олександр Віленкін, професор і директор інституту космології в Університеті Тафтса в Медфорді (США), який зробив важливий внесок у становлення сучасної теорії інфляції, зауважує: «У заявах Стейнхардта та колег є частка істини, але я думаю, що їх претензії надзвичайно перебільшують. Інфляція передбачає існування безлічі областей, подібних до нашої, з початковими умовами, які визначаються квантовими флуктуаціями. Теоретично будь-які початкові умови можливі з деякою ймовірністю. Проблема у тому, що ми знаємо, як порахувати ці ймовірності. Кількість областей кожного типу нескінченна, тому доводиться порівнювати нескінченні числа – ця ситуація називається проблемою заходу. Звісно, ​​відсутність єдиної міри, яка виводиться з фундаментальної теорії, є тривожним знаком».

Згадане безліч моделей Сергій Миронов відносить до недоліків теорії, оскільки це дозволяє підігнати її під будь-які експериментальні спостереження. А це означає, що теорія не відповідає критерію Поппера. (згідно з цим критерієм теорія вважається науковою, якщо її можна спростувати за допомогою експерименту, - прим. сайт)принаймні в найближчому майбутньому. Також до проблем теорії Миронов відносить той факт, що в рамках інфляції початкові умови вимагають тонкого підстроювання параметрів, що робить її в певному сенсі не натуральною. Фахівець із раннього Всесвіту, кандидат фізико-математичних наук, співробітник Наукового інституту Гран-Сассо Національного інституту ядерної фізики (Італія) Сабір Рамазанов також визнає реальність цих проблем, але зазначає, що їхнє існування не обов'язково означає, що інфляційна теорія невірна, але низка її аспектів дійсно заслуговує на більш глибоке осмислення.

Автор однієї з перших інфляційних моделей, академік РАН, головний науковий співробітник Інституту теоретичної фізики РАН Олексій Старобинський пояснює, що одна з найпростіших моделей, яку Андрій Лінде запропонував у 1983 році, дійсно була спростована. Вона передбачала дуже багато гравітаційних хвиль, тому нещодавно Лінде зазначив, що необхідно переглянути інфляційні моделі.

Критичний експеримент

Астрономи звертають особливу увагу на те, що важливим пророцтвом, яке стало можливим завдяки теорії інфляції, стало передбачення реліктових гравітаційних хвиль. Фахівець з аналізу реліктового випромінювання та спостережної космології, доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Спеціальної астрофізичної обсерваторії РАН Олег Верходанов вважає цей прогноз знаменним спостережним тестом для найпростіших варіантів інфляційного розширення, в той час як для відстоюваної критики. експерименту немає.

Ілюстрація теорії Великого відскоку

Wikimedia Commons

Тому говорити про іншу теорію можна буде лише в тому випадку, якщо на реліктові хвилі встановлять серйозні обмеження. Сергій Миронов теж називає потенційне відкриття таких хвиль серйозним аргументом на користь інфляції, проте зазначає, що поки що їхня амплітуда лише обмежується, що вже дозволило відімстити деякі варіанти, на місце яких приходять інші, які не передбачають надто сильних первинних гравітаційних обурень. Сабір Рамазанов погоджується з важливістю цього тесту і, більше, вважає, що інфляційна теорія неспроможна вважатися доведеною, доки це явище буде відкрито у спостереженнях. Тому поки що ключове передбачення інфляційної моделі про існування первинних гравітаційних хвиль з плоским спектром не підтверджено, говорити про інфляцію як про фізичну реальність рано.

«Правильна відповідь, від якої старанно намагаються забрати читача»

Олексій Старобінський докладно розібрав претензії ІS&L. Він виділив три основні твердження.

Твердження 1. Інфляція передбачає що завгодно. Або нічого.

«Правильна відповідь, від якої старанно намагаються забрати читача IS&L, полягає в тому, що такі слова, як "інфляція", "квантова теорія поля", "модель елементарних частинок", дуже загальні: вони поєднують безліч різних моделей, що відрізняються ступенем складності ( наприклад, кількістю сортів (нейтрино)», - пояснює Старобинський.

Після того як вчені зафіксують вільні параметри з експериментів або спостережень, що входять до кожної конкретної моделі, передбачення моделі вважаються однозначними. Сучасна Стандартна модель елементарних частинок містить близько 20 таких параметрів (це переважно маси кварків, маси нейтрино і кут їх змішування). Найпростіша з життєздатних інфляційних моделей містить лише один такий параметр, величина якого фіксується виміряною амплітудою початкового спектра неоднорідностей матерії. Після цього решта передбачень однозначні.

Академік уточнює: «Звичайно, її можна ускладнити, додавши нові члени різної фізичної природи, кожен із яких входитиме з новим вільним числовим параметром. Але, по-перше, і в цьому випадку передбачення будуть не "що завгодно", а певними. А по-друге, і це найголовніше, сьогоднішні спостереження показують, що ці члени не потрібні, на сучасному рівні точності близько 10% їх немає!

Твердження 2. Малоймовірно, що в моделях, що розглядаються, взагалі виникне інфляційна стадія, оскільки в них у потенційної енергії інфлатону є довге плоске «плато».

«Твердження хибне, - категорично Старобинський. - У моїх роботах 1983 і 1987 років було доведено, що інфляційний режим у моделях такого типу є загальним, тобто він виникає у багатьох початкових умовах з ненульовим заходом». Згодом це було доведено і за суворішими математичними критеріями, з чисельними симуляціями тощо.

Результати експерименту Planck, за словами Старобинського, піддали сумніву думку, яку неодноразово висловлював Андрій Лінде. Відповідно до неї інфляція повинна обов'язково починатися на планковской щільності матерії, і, починаючи з цього граничного для класичного опису простору-часу параметра, матерія була розподілена однорідно. Однак у тих доказах, про які йшлося вище, це не передбачалося. Тобто в моделях такого типу перед стадією інфляційного розширення знаходяться анізотропна та неоднорідна стадія еволюції Всесвіту з більшою, ніж при інфляції, кривизною простору-часу.

«Щоб було зрозуміліше, скористаємося наступною аналогією, – пояснює космолог. - У загальній теорії відносності одним із загальних рішень є чорні діри, що обертаються, описуються метрикою Керра. Те, що чорні дірки – це спільні рішення, не означає, що вони є скрізь. Наприклад, їх немає у Сонячній системі та в її околицях (на щастя для нас). Отже це те, що, пошукавши, ми їх обов'язково знайдемо. Так воно і сталося. У разі інфляції відбувається те саме – ця проміжна стадія є не у всіх рішеннях, але в досить широкому їх класі, так що вона цілком може виникнути в одноразовій реалізації, тобто для нашого Всесвіту, який існує в одному екземплярі. А ось те, наскільки ймовірна ця одноразова подія, повністю визначається нашими гіпотезами про те, що передувало інфляції.

Твердження 3. Квантове явище «вічної інфляції», яке має місце майже у всіх інфляційних моделях і тягне за собою виникнення мультивсесвіту, призводить до повної невизначеності прогнозів інфляційного сценарію: «Все, що може статися, відбувається».

«Твердження частково хибне, частково не має відношення до ефектів, що спостерігаються в нашому Всесвіті, - непохитний академік. - Хоча слова в лапках запозичені IS&L з оглядів Віленкіна та Гута, їхній сенс спотворений. Там вони стояли в іншому контексті і означали не більше банального навіть для школяра зауваження, що рівняння фізики (наприклад, механіки) можна вирішувати для будь-яких початкових умов: десь і колись ці умови реалізуються».

Чому «вічна інфляція» та освіта «мультивселенного» не впливають на всі процеси в нашому Всесвіті після кінця інфляційної стадії? Справа в тому, що вони відбуваються поза нашим світловим конусом минулого (до речі, і майбутнім теж)», - пояснює Старобинський. Тому не можна сказати однозначно, чи відбуваються вони в нашому минулому, теперішньому чи майбутньому. «Строго кажучи, це вірно з точністю до експоненційно малих квантово-гравітаційних ефектів, але у всіх послідовних розрахунках такими ефектами завжди нехтували», - підкреслює академік.

«Я не хочу сказати, що не цікаво дослідити те, що лежить поза нашим світловим конусом минулого, - продовжує Старобинський, - але прямо зі спостережними даними це поки не пов'язано. Однак і тут IS&L збивають читача з пантелику: якщо описувати "вічну інфляцію" правильно, то за заданих умов на початку інфляційної стадії жодного свавілля в прогнозах не виникає (хоча не всі мої колеги з цим згодні). Більше того, багато прогнозів, зокрема спектр неоднорідностей матерії та гравітаційних хвиль, що виникають наприкінці інфляції, від цих початкових умов взагалі не залежать», - додає космолог.

«Немає гострої необхідності в перегляді основ фізики раннього Всесвіту»

Олег Верходанов зазначає, що поки що відмовлятися від поточної парадигми немає підстав: «Звичайно, інфляція має простір для інтерпретації - сімейство моделей. Але і серед них можна обирати найбільш відповідні розподілу плям на карті реліктового випромінювання. Поки що більшість результатів місії Planck грає на користь інфляції». Олексій Старобинський зазначає, що з даними експерименту Planck, до яких апелюють IS&L, добре узгоджується найперша модель з де-сітерівською стадією, що передувала гарячому Великому вибуху, яку він запропонував ще 1980 року (Під час де-ситерівської стадії, яка тривала близько 10 -35 секунди, Всесвіт швидко розширювався, що заповнює її вакуум як би розтягувався без зміни своїх властивостей, - прим. сайт).

З ним загалом згоден і Сабір Рамазанов: «Ряд пророцтв - гаусовість спектру первинних обурень, відсутність мод постійної кривизни, нахил спектру - знайшов підтвердження в даних WMAP і Planck. Інфляція заслужено відіграє чільну роль як теорія раннього Всесвіту. На даний момент немає гострої необхідності перегляду основ фізики раннього Всесвіту». Космолог Сергій Миронов також визнає позитивні якості цієї теорії: «Сама ідея інфляції є надзвичайно елегантною, вона одним махом дозволяє вирішити всі принципові проблеми теорії гарячого Великого вибуху».

«Загалом результат за статтею IS&L – порожні балачки від початку до кінця, - підсумовує Старобинський. – Вона не має відношення до реальних проблем, над якими зараз працюють космологи». І в той же час академік додає: «Інша справа, що будь-яка модель - як загальна теорія відносності Ейнштейна, як сучасна модель елементарних частинок, так і інфляції - не є останнє слово науки. Вона завжди тільки наближена, і на якомусь рівні точності обов'язково з'являться малі поправки до неї, з яких ми дізнаємося багато, оскільки за ними стоятиме нова фізика. Саме такі малі виправлення і шукають зараз астрономи».