Инфляция: объяснение Большого взрыва
В предыдущих разделах мы говорили, что если сила космического отталкивания и существует, то она должна быть очень слабой, настолько слабой, чтобы не оказать сколько-нибудь значительного влияния на Большой взрыв. Однако такой вывод основывается на предположении, что величина отталкивания не изменяется со временем. Во время Эйнштейна это мнение разделяли все ученые, поскольку космическое отталкивание вводилось в теорию «рукотворно». Никому не приходило в голову, что космическое отталкивание может вызываться другими физическими процессами, возникающими по мере расширения Вселенной. Если бы подобная возможность предусматривалась, то космология могла оказаться иной. В частности, не исключается сценарий эволюции Вселенной, допускающий, что в экстремальных условиях ранних стадий эволюции космическое отталкивание какое-то мгновение преобладало над гравитацией, заставив Вселенную взорваться, после чего его роль практически свелась к нулю.
Эта общая картина вырисовывается из последних работ по изучению поведения материи и сил на очень ранних этапах развития Вселенной. Стало ясно, что гигантское космическое отталкивание — неизбежный результат действия Суперсилы . Итак, « антигравитация », которую Эйнштейн прогнал в дверь, вернулась через окно!
Ключ к пониманию нового открытия космического отталкивания дает природа квантового вакуума. Мы видели, как такое отталкивание может быть обусловлено необычной невидимой средой, не отличимой от пустого пространства, но обладающей отрицательным давлением. Сегодня физики считают, что именно такими свойствами обладает квантовый вакуум.
В гл.7 отмечалось, что вакуум следует рассматривать как своего рода «фермент» квантовой активности, кишащий виртуальными частицами и насыщенный сложными взаимодействиями. Очень важно понять, что в рамках квантового описания вакуум играет определяющую роль. То, что мы называем частицами — всего лишь редкие возмущения, подобные «пузырькам» на поверхности целого моря активности.
В конце 70-х годов стало очевидно, что объединение четырех взаимодействий требует полного пересмотра представлений о физической природе вакуума. Теория предполагает, что энергия вакуума проявляется отнюдь не однозначно. Попросту говоря, вакуум может быть возбужденным и находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями, подобно тому как атом может возбуждаться, переходя на уровни с более высокой энергией. Эти собственные состояния вакуума — если бы мы могли их наблюдать — выглядели бы совершенно одинаково, хотя обладают совершенно разными свойствами.
Прежде всего, заключенная в вакууме энергия в огромных количествах перетекает из одного состояния в другое. В теориях Великого объединения, например, различие между самой низкой и самой высокой энергиями вакуума невообразимо велико. Чтобы получить какое-то представление о гигантских масштабах этих величин, оценим энергию, выделенную Солнцем за весь период его существования (около 5 млрд. лет). Представим себе, что все это коллоссальное количество испущенной Солнцем энергии заключено в область пространства, по размерам меньшую Солнечной системы. Достигнутые в этом случае плотности энергии близки к плотностям энергии, соответствующим состоянию вакуума в ТВО.
Наряду с потрясающими разностями энергий различным вакуумным состояниям соответствуют столь же гигантские разности давлений. Но здесь-то и кроется «фокус»: все эти давления — отрицательные. Квантовый вакуум ведет себя точно так же, как упомянутая ранее гипотетическая среда, создающая космическое отталкивание, только на этот раз численные значения давления столь велики, что отталкивание в 10^120 раз превосходит силу, которая понадобилась Эйнштейну для поддержания равновесия в статической Вселенной.
Теперь открыт путь и для объяснения Большого взрыва. Предположим, что вначале Вселенная находилась в возбужденном состоянии вакуума, которое называют «ложным» вакуумом. В этом состоянии во Вселенной действовало космическое отталкивание такой величины, которое вызвало бы безудержное и стремительное расширение Вселенной. По существу, в этой фазе Вселенная соответствовала бы модели де Ситтера, о которой шла речь в предыдущем разделе. Разница, однако, состоит в том, что у де Ситтера Вселенная спокойно расширяется в астрономических масштабах времени, тогда как «фаза де Ситтера » в эволюции Вселенной из «ложного» квантового вакуума в действительности далеко не спокойна. Занимаемый Вселенной объем пространства должен в этом случае удваиваться каждые 10^-34 с (или промежуток времени такого же порядка).
Подобное сверхрасширение Вселенной имеет ряд характерных особенностей: все расстояния возрастают по экспоненциальному закону (с понятием экспоненты мы уже встречались в гл.4). Это означает, что каждые 10^-34 с все области Вселенной удваивают свои размеры, а затем этот процесс удвоения продолжается в геометрической прогрессии. Такой тип расширения, впервые рассмотренный в 1980г. Аланом Гутом из МТИ (Массачусетский технологический институт, США), был назван им «инфляцией». В результате чрезвычайно быстрого и непрерывно ускоряющегося расширения очень скоро оказалось бы, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве. А это и есть Большой взрыв!
Однако так или иначе, но фаза инфляции должна прекратиться. Как и во всех возбужденных квантовых системах, «ложный» вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад происходит, отталкивание исчезает. Это в свою очередь ведет к прекращению инфляции и переходу Вселенной во власть обычного гравитационного притяжения. Разумеется, Вселенная и в этом случае продолжала бы расширяться благодаря первоначальному импульсу, приобретенному в период инфляции, однако скорость расширения неуклонно снижалась бы. Таким образом, единственный след, сохранившийся до настоящего времени от космического отталкивания, — это постепенное замедление расширения Вселенной.
Согласно «инфляционному сценарию», Вселенная начала свое существование из состояния вакуума, лишенного вещества и излучения. Но, если бы даже они присутствовали изначально, их следы быстро затерялись бы вследствие огромной скорости расширения в фазе инфляции. За чрезвычайно короткий отрезок времени, соответствующий этой фазе, область пространства, которую сегодня занимает вся наблюдаемая Вселенная, выросла от миллиардной доли размера протона до нескольких сантиметров. Плотность любого существовавшего первоначально вещества фактически стала бы равной нулю.
Итак, к концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Однако, когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Этот всплеск тепла, осветивший космос, обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Когда состояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную примерно до 10^27 К , что достаточно для протекания процессов в ТВО. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории «горячего» Большого взрыва. Благодаря тепловой энергии возникло вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать, и постепенно стали «вымораживаться» все ее элементы, наблюдаемые сегодня.
Таким образом, трудную проблему — чем вызван Большой взрыв? — удалось решить с помощью теории инфляции; пустое пространство самопроизвольно взорвалось под действием отталкивания, свойственного квантовому вакууму. Однако загадка по-прежнему остается. Колоссальная энергия первичного взрыва, пошедшая на образование вещества и излучения, существующих во Вселенной, должна была откуда-то взяться! Мы не сможем объяснить существование Вселенной, пока не найдем источник первичной энергии.
Космический бутстрэп
Англ. bootstrap в буквальном смысле означает « зашнуровка », в переносном — самосогласование, отсутствие иерархии в системе элементарных частиц.
Вселенная родилась в процессе гигантского выброса энергии. Следы ее мы обнаруживаем до сих пор — это фоновое тепловое излучение и космическое вещество (в частности, атомы, из которых состоят звезды и планеты), хранящее определенную энергию в виде «массы». Следы этой энергии проявляются также в разбегании галактик и в бурной активности астрономических объектов. Первичная энергия «завела пружину» рождающейся Вселенной и по сей день продолжает приводить ее в действие.
Откуда же взялась эта энергия, вдохнувшая жизнь в нашу Вселенную? Согласно теории инфляции, это — энергия пустого пространства, иначе — квантового вакуума. Однако может ли такой ответ полностью удовлетворить нас? Естественно спросить, каким образом приобрел энергию вакуум.
Вообще, задавая вопрос о том, откуда возникла энергия, мы по существу делаем важное предположение о природе этой энергии. Одним из фундаментальных законов физики является закон сохранения энергии, согласно которому различные формы энергии могут изменяться и переходить одна в другую, однако полное количество энергии остается неизменным.
Нетрудно привести примеры, в которых можно проверить действие этого закона. Предположим, у нас имеется двигатель и запас горючего, причем двигатель используется в качестве привода электрического генератора, который в свою очередь питает электроэнергией нагреватель. При сгорании топлива запасенная в нем химическая энергия преобразуется в механическую , затем в электрическую и, наконец, в тепловую. Или допустим, что двигатель, используется для подъема груза на вершину башни, после чего груз свободно падает; при ударе о землю возникает в точности такое же количество тепловой энергии, как и в примере с нагревателем. Дело в том, что, как бы энергия ни передавалась или как бы ни изменялась ее форма, ее, очевидно, нельзя ни, создать, ни уничтожить. Этим законом инженеры пользуются в повседневной практике.
Если энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, то как же все-таки возникает первичная энергия? Не впрыскивается ли она просто в первый момент (своего рода новое начальное условие, принимаемое ad hoc )? Если так, то почему Вселенная содержит данное, а не какое-то другое количество энергии? В доступной наблюдению Вселенной заключено около 10^68 Дж (джоулей) энергии — почему, скажем, не 10^99 или 10^10000 или любое другое число?
Теория инфляции предлагает одно из возможных научных объяснений этой загадки. Согласно этой теории. Вселенная вначале имела энергию, фактически равную нулю, и за первые 10^32 с ей удалось вызвать к жизни все гигантское количество энергии. Ключ к пониманию этого чуда следует искать в том замечательном факте, что закон сохранения энергии в обычном смысле не применим к расширяющейся Вселенной.
По существу, мы уже встречались с подобным фактом. Космологическое расширение приводит к понижению температуры Вселенной: соответственно энергия теплового излучения, столь большая в первичной фазе, истощается и температура опускается до значений, близких к абсолютному нулю. Куда же делась вся эта тепловая энергия? В некотором смысле она израсходована Вселенной на расширение и обеспечила давление, дополняющее силу Большого взрыва. При расширении обычной жидкости ее давление, направленное наружу, совершает работу, используя энергию жидкости. При расширении обычного газа его внутренняя энергия расходуется на совершение работы. В полную противоположность этому космическое отталкивание сходно с поведением среды с отрицательным давлением. При расширении такой среды ее энергия не уменьшается, а растет. Именно это и происходило в период инфляции, когда космическое отталкивание заставило Вселенную ускоренно расширяться. В течение всего этого периода полная энергия вакуума продолжала возрастать, пока к концу периода инфляции не достигла громадной величины. Как только период инфляции завершился, вся накопленная энергия высвободилась в одном гигантском всплеске, порождая теплоту и вещество в полном масштабе Большого взрыва. С этого момента началось обычное расширение с положительным давлением, так что энергия вновь стала уменьшаться.
Возникновение первичной энергии отмечено каким-то волшебством. Вакуум с таинственным отрицательным давлением, наделен, по-видимому, совершенно невероятными возможностями. С одной стороны, он создает гигантскую силу отталкивания, обеспечивающую его все ускоряющееся расширение, а с другой — само расширение форсирует возрастание энергии вакуума. Вакуум, по существу, сам питает себя энергией в огромных количествах. В нем заложена внутренняя неустойчивость, обеспечивающая непрерывное расширение и неограниченное производство энергии. И только квантовый распад ложного вакуума кладет предел этому «космическому мотовству».
Вакуум служит у природы волшебным, бездонным кувшином энергии. В принципе не существует предела величины энергии, которая могла бы выделяться в ходе инфляционного расширения. Это утверждение знаменует собой переворот в традиционном мышлении с его многовековым «из ничего не родится ничто» (это изречение датируется, по крайней мере эпохой Парменидов , т.е. V в. до н.э.). Идея о возможности «сотворения» из ничего до недавнего времени целиком находилась в компетенции религий. В частности, христиане издавна верят, что бог сотворил мир из Ничего, однако мысль о возможности самопроизвольного возникновения всего вещества и энергии в результате чисто физических процессов еще десяток лет назад считалось учеными абсолютно неприемлемой.
Те, кто не может внутренне примириться со всей концепцией возникновения «чего-то» из «ничего», имеют возможность иначе взглянуть на возникновение энергии при расширении Вселенной. Поскольку обычная гравитация имеет характер притяжения, для удаления частей вещества друг от друга необходимо совершить работу по преодолению гравитации, действующей между этими частями. Это означает, что гравитационная энергия системы тел отрицательна; при добавлении к системе новых тел происходит высвобождение энергии, и вследствие этого гравитационная энергия становится «еще более отрицательной». Если применить это рассуждение ко Вселенной на стадии инфляции, то именно появление теплоты и вещества как бы «компенсирует» отрицательную гравитационную энергию образовавшихся масс. В этом случае полная энергия Вселенной в целом равна нулю и никакой новой энергии вообще не возникает! Подобный взгляд на процесс «сотворения мира», конечно, привлекателен, однако его все же не следует принимать слишком всерьез, поскольку в целом статус понятия энергии применительно к гравитации оказывается сомнительным.
Все сказанное здесь о вакууме очень напоминает излюбленную физиками историю о мальчике, который, провалившись в болото, вытащил себя за шнурки от собственных ботинок. Самосоздающаяся Вселенная напоминает этого мальчика — она тоже вытягивает сама себя за собственные «шнурки» (этот процесс обозначается термином « бутстрэп »). Действительно, благодаря собственной физической природе Вселенная возбуждает в себе всю энергию, необходимую для «создания» и «оживления» материи, а также инициирует порождающий ее взрыв. Это и есть космический бутстрэп; его поразительному могуществу мы и обязаны своим существованием.
Успехи теории инфляции
После того как Гут выдвинул основополагающую идею о том, что Вселенная претерпела ранний период чрезвычайно быстрого расширения, стало очевидно, что такой сценарий позволяет красиво объяснить многие особенности космологии Большого взрыва, которые ранее принимались «на веру».
В одном из предшествующих разделов мы встретились с парадоксами очень высокой степени организации и согласованности первичного взрыва. Один из замечательных примеров тому — сила взрыва, которая оказалась точно «подогнанной» к величине гравитации космоса, вследствие чего скорость расширения Вселенной в наше время очень близка к граничному значению, разделяющему сжатие (коллапс) и быстрое разбегание. Решающая проверка инфляционного сценария как раз и состоит в том, предусматривает ли он Большой взрыв настолько точно определенной силы. Оказывается, что благодаря экспоненциальному расширению в фазе инфляции (что составляет ее самое характерное свойство) сила взрыва автоматически строго обеспечивает возможность преодоления Вселенной собственной гравитации. Инфляция может привести именно к той скорости расширения, которая наблюдается в действительности.
Другая «великая загадка» связана с однородностью Вселенной в больших масштабах. Она также немедленно решается на основе теории инфляции. Любые первоначальные неоднородности в структуре Вселенной должны абсолютно стираться при грандиозном увеличении ее размеров, подобно тому, как складки на спущенном воздушном шаре разглаживаются при его надувании. А в результате увеличения размеров пространственных областей примерно в 10^50 раз любое начальное возмущение становится несущественным.
Однако неверно было бы говорить о полной однородности. Чтобы стало возможным появление современных галактик и галактических скоплений, структура ранней Вселенной должна была иметь некоторую «комковатость». Первоначально астрономы надеялись, что существование галактик можно объяснить скоплением вещества под действием гравитационного притяжения после Большого взрыва. Облако газа должно сжиматься под действием собственной гравитации, а затем распадаться на более мелкие фрагменты, а те в свою очередь — на еще меньшие и т.д. Возможно, распределение газа, возникшее в результате Большого взрыва, было совершенно однородным, но за счет чисто случайных процессов то там, то здесь возникали сгущения и разрежения. Гравитация еще более усиливала эти флуктуации, приводя к разрастанию областей сгущения и поглощению ими добавочного вещества. Затем эти области сжимались и последовательно распадались, а сгущения наименьших размеров превращались в звезды. В конце концов, возникла иерархия структур: звезды объединялись в группы, те — в галактики и далее в скопления галактик.
К сожалению, если в газе с самого начала не было неоднородностей, то такой механизм возникновения галактик сработал бы за время, значительно превышающее возраст Вселенной. Дело в том, что процессы сгущения и фрагментации конкурировали с расширением Вселенной, которое сопровождалось рассеянием газа. В первоначальном варианте теории Большого взрыва предполагалось, что «зародыши» галактик существовали изначально в структуре Вселенной при ее возникновении. Более того, эти начальные неоднородности должны были иметь вполне определенные размеры: не слишком малые, иначе никогда бы не образовались, но и не слишком большие, иначе области большой плотности просто испытали бы коллапс, превратившись в огромные черные дыры. При этом совершенно непонятно, почему галактики имеют именно такие размеры или почему в скопление входит именно такое число галактик.
Инфляционный сценарий дает более последовательное объяснение галактической структуры. Основная идея достаточно проста. Инфляция обусловлена тем, что квантовым состоянием Вселенной является неустойчивое состояние ложного вакуума. В конце концов, это состояние вакуума распадается, и избыток его энергии превращается в теплоту и вещество. В этот момент космическое отталкивание исчезает — и инфляция прекращается. Однако распад ложного вакуума происходит не строго одновременно во всем пространстве. Как и в любых квантовых процессах, скорости распада ложного вакуума флуктуируют. В некоторых областях Вселенной распад осуществляется несколько быстрее, чем в других. В этих областях инфляция завершится раньше. В результате этого неоднородности сохраняются и в конечном состоянии. Не исключено, что эти неоднородности могли служить «зародышами» (центрами) гравитационного сжатия и, в конце концов, привели к образованию галактик и их скоплений. Проводилось математическое моделирование механизма флуктуаций, однако, с весьма ограниченным успехом. Как правило, эффект оказывается слишком большим, вычисленные неоднородности — слишком значительными. Правда, использовались слишком грубые модели и, возможно, более тонкий подход оказался бы более успешным. Хотя теория пока далека от завершения, она, по крайней мере, описывает характер механизма, который мог бы привести к возникновению галактик без необходимости введения специальных начальных условий.
В предложенном Гутом варианте инфляционного сценария ложный вакуум вначале превращается в «истинный», или в вакуумное состояние с наинизшей энергией, которое мы отождествляем с пустым пространством. Характер этого изменения вполне аналогичен фазовому переходу (например, из газа в жидкость). При этом в ложном вакууме происходило бы случайное образование пузырьков истинного вакуума, которые, расширяясь со скоростью света, захватывали бы все большие области пространства. Чтобы ложный вакуум мог просуществовать достаточно долго и инфляция совершила бы свое «чудотворное» дело, эти два состояния должны быть разделены энергетическим барьером, сквозь который должно произойти «квантовое туннелирование » системы, аналогично тому, как это происходит с электронами (см. гл. 2). Однако у этой модели есть один серьезный недостаток: вся энергия, выделившаяся из ложного вакуума, оказывается сконцентрированной в стенках пузырьков и отсутствует механизм ее перераспределения по всему пузырьку. При столкновении и слиянии пузырьков энергия в конечном счете накапливалась бы в беспорядочно перемешанных слоях. В результате Вселенная содержала бы очень сильные неоднородности, и вся работа инфляции по созданию крупномасштабной однородности потерпела бы крах.
При дальнейшем усовершенствовании инфляционного сценария эти трудности удалось обойти. В новой теории отсутствует туннелирование между двумя состояниями вакуума; вместо этого параметры выбираются так, что распад ложного вакуума происходит очень медленно и, таким образом, Вселенная получает достаточное время для инфляции. Когда же распад завершается, энергия ложного вакуума высвобождается во всем объеме «пузыря», который быстро нагревается до 10^27 К. Предполагается , что вся наблюдаемая Вселенная содержится в одном таком пузыре. Таким образом, в ультрабольших масштабах Вселенная может быть крайне нерегулярной, но доступная нашему наблюдению область (и даже значительно более крупные части Вселенной) находится в пределах полностью однородной зоны.
Любопытно, что Гут первоначально разрабатывал свою инфляционную теорию для решения совершенно другой космологической проблемы — отсутствия в природе магнитных монополей. Как показано в гл.9, стандартная теория Большого взрыва предсказывает, что в первичной фазе эволюции Вселенной монополи должны возникать в избытке. Они, возможно, сопровождаются их одно- и двумерными аналогами — странными объектами, имеющими характер «струны» и «листа». Проблема заключалась в том, чтобы избавить Вселенную от этих «нежелательных» объектов. Инфляция автоматически решает проблему монополей и другие аналогичные проблемы, поскольку гигантское расширение пространства эффективно уменьшает их плотность до нуля.
Хотя инфляционный сценарий разработан только частично и всего лишь правдоподобен, не более, он позволил сформулировать ряд идей, обещающих безвозвратно изменить облик космологии. Теперь мы не только можем предложить объяснение причины Большого взрыва, но и начинаем понимать, почему он был столь «большим» и почему принял такой характер. Мы можем теперь приступить к решению вопроса о том, каким образом возникла крупномасштабная однородность Вселенной, а наряду с ней — наблюдаемые неоднородности меньшего масштаба (например, галактики). Первичный взрыв, в котором возникло то, что мы называем Вселенной, отныне перестал быть загадкой, лежащей за пределами физической науки.