Почему мы живем не в пустом пространстве? 3 - Физика
Учебные материалы


Почему мы живем не в пустом пространстве? 3 - Физика



она растягивает небольшой участок пространства, делая его плоским и гладким

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

избавляет нас от нежелательных пережитков прошлого, таких как магнитные

монополи . Но как это все в действительности работает?

Очевидно, что фокус с инфляцией зависит от наличия врéменной формы

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

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

ся нелогичным, ведь определяющим свойством темной энергии является

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

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

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

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

ставляет секретный ключик к пониманию инфляции .

Глава 14 . Инфляция и Мультиленная


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

темную суперэнергию, стимулирующую инфляцию . Ответ — квантовое поле,

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

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

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

что космологи попросту предположили, что должно существовать какое-то

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

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

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

ложительно происходит при энергиях, намного превышающих те, которые мы

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

Без сомнения, при таких энергиях может существовать любое количество

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

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

функции инфлатона (то есть инициировать врéменную фазу темной супер-

энергии, которая расширяет Вселенную до невероятных размеров, а затем

распадается и исчезает) .

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

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

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

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

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

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

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

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

времени .

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

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

меняется; это энергия растяжения, соответствующая меняющимся значениям

поля, подобно тому как существует энергия, связанная со скручиваниями

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

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

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

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

от одного момента времени к другому, называется потенциальной энергией .

Совершенно плоский резиновый лист обладает большей энергией тогда, когда

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

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


Часть IV . Из кухни в Мультиленную

его вниз . Потенциальная энергия может быть преобразована в другие виды

энергии .

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

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

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

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

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

симость потенциальной энергии от значения каждого поля . Базовых правил,

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

возможному значению каждого поля присваивается некоторое значение по-

тенциальной энергии, и это часть формулировки теории . На рис . 14 .6 показан

пример потенциальной энергии какого-то гипотетического поля как функции

значения поля .

Рис . 14 .6 . Изменение потенциальной энергии в зависимости от фонового значения какого-

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

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

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

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

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

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

но, его потенциальная энергия на кубический сантиметр остается постоянной,

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

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

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

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

Глава 14 . Инфляция и Мультиленная


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

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

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

«впадины» разделены «холмами» . На рис . 14 .6 поле может счастливо жить

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

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

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

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

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

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

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

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

ответствует отдельному вакуумному состоянию .)

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

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

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

чего Вселенная ускоренно расширяется . Теперь нам остается лишь объяснить,

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

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

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

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

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

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

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

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

медленно, и тогда инфляция никогда не заканчивается .

К счастью, вскоре после публикации первоначальной статьи Гута было

сделано альтернативное предположение: представьте себе, что инфляция не

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

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

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

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

популярная среди космологов реализация идеи инфлатирующей Вселенной .9

Однако этим дело не ограничивается . Помимо решения проблем горизон-

та, плоскостности и монополей, к инфляции также прилагается совершенно

неожиданный бонус: она способна объяснить истоки небольших флуктуаций

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

тики .


Часть IV . Из кухни в Мультиленную

Рис . 14 .7 . Кривая потенциальной энергии, соответствующая «новой инфляции» . Поле

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

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

но близка к тому

Механизм прост и неизбежен: квантовые флуктуации . Инфляция старается

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

но ей не преодолеть фундаментальный предел, определяемый квантовой меха-

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

принцип неопределенности Гейзенберга, описав состояние Вселенной слишком

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

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

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

и конкретные предсказания того, какие типы возмущений плотности мы должны

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

к температурным флуктуациям микроволнового фонового излучения и вы-

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

инфляцией типы возмущений прекрасно согласуются с данными наблюдений .10

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

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

когда Вселенной была всего лишь доля секунды от роду .

Вечная инфляция

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

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

американские физики Александр Виленкин и Андрей Линде заметили кое-что

Глава 14 . Инфляция и Мультиленная


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

навливается .11

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

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

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

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

Вселенная во время инфляции принимает форму пространства де Ситтера

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

этой фазы — как остановить инфляцию и заставить пространство де Ситтера

превратиться в горячую расширяющуюся Вселенную традиционной модели

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

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

терию и излучение .

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

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

ложный вакуум распадается посредством формирования пузырей, точно так

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

тервалы времени в ложном вакууме появляются небольшие пузырьки истин-

ного вакуума, представляющие собой квантовые флуктуации . Каждый пузырь

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

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

коэнергетический ложный вакуум .

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

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

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

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

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

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

не успеет расшириться настолько, чтобы справиться с космологическими за-

гадками .

К несчастью для сценария старой инфляции, подходящего компромисса

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

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

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

зыри могут сталкиваться — исключительно по стечению обстоятельств; но все

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

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

пузырями всегда будет оставаться пространство, застрявшее в ложном вакууме


Часть IV . Из кухни в Мультиленную

и расширяющееся с необычайно высокой скоростью . И хотя пузыри продолжат

формироваться, общий объем ложного вакуума продолжит увеличиваться, так

как пространство расширяется быстрее, чем создаются пузыри .

В результате получается совершеннейший сумбур: хаотичное фрактальное

распределение пузырей истинного вакуума, окруженное невероятно быстро

расширяющимися областями ложного вакуума . Это совершенно не похоже на

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

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

новая инфляция .

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

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

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

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

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

потому что ранняя Вселенная непрозрачна .

Существует веская причина, почему Гут не рассматривал такую возмож-

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

примеров пузыря истинного вакуума, появляющегося внутри ложного вакуу-

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

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

ства де Ситтера с высокой энергией вакуума к традиционной космологии

Большого взрыва; это переход прямо к пустому пространству, имеющему

форму пространства де Ситтера с более низким значением энергии вакуума

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

в которой мы живем .

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

палителен . Действительно, существует способ «заново нагреть» внутренность

пузыря истинного вакуума, для того чтобы создать условия модели Большого

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

поле инфлатона внутри пузыря не достигает сразу же самой низкой точки

своего потенциала, соответствующей истинному вакууму; вместо этого оно

приземляется на промежуточное плато, с которого затем медленно скатывает-

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

пузыре; плотность потенциальной энергии инфлатона, пока он находится на

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

мы получим совершенно правдоподобную Вселенную .12

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

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

Глава 14 . Инфляция и Мультиленная


Рис . 14 .8 . Распад пространства де Ситтера, соответствующего ложному вакууму, на пузы-

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

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

вакуума увеличивается быстрее . В действительности инфляция никогда не останавливается

ложного вакуума снаружи не прекратит расти . Будет появляться все больше

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

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

сутствие подобного поведения зависит от характеристик инфлатона и его по-

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

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

инфляционных моделей .

Мультиленная

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

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

масштабах выглядит очень однородной, на еще больших (ненаблюдаемых)

масштабах она далека от однородности . Крупномасштабное единообразие

нашей наблюдаемой Вселенной иногда склоняет космологов к предположению

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

направлениях . Однако это всегда было лишь предположением, упрощающим

нашу жизнь, а не результатом скрупулезно выверенной цепочки доказательств .

Сценарий вечной инфляции предсказывает, что Вселенная не сохраняет одно-

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

блюдаемого горизонта картина в конце концов кардинально меняется .


Часть IV . Из кухни в Мультиленную

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

сценарий кажется нам сейчас довольно умозрительным, но важно помнить,

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

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

ственный доступ .

Данная ситуация привела к появлению нового словаря и ошибочному

употреблению части старого . Каждый пузырь истинного вакуума, если все

организовано правильно, приближенно напоминает нашу наблюдаемую Все-

ленную: потенциальная энергия инфлатона превращается в обычную материю

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

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

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

на его собственного пузыря он обнаруживает условия, схожие с Большим

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

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

эволюционирует как Вселенная .

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

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

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

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

Но большая часть космологов злоупотребляет терминологией уже так давно,

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

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

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

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

блюдаемой части нашей Вселенной» . Однако вместо этого люди просто

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

минающий нашу наблюдаемую Вселенную, который зародился в горячем,

плотном состоянии и расширился из него . Алан Гут предложил термин

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

суть идеи .

Таким образом, Мультиленная — это просто набор карманных Вселенных

(областей истинного вакуума, расширяющихся и охлаждающихся после эф-

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

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

концепция идеи Мультиленной . Всего лишь множество различных областей

пространства, которые все эволюционируют аналогично нашей наблюдаемой

Вселенной .

Глава 14 . Инфляция и Мультиленная


В последнее время большое внимание привлекает интересное свойство

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

коны физики могут быть совершенно разными . На графике потенциальной

энергии инфлатона на рис . 14 .6 мы показали три разных состояния вакуума:

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

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

существование огромного количества вакуумов — как минимум 10500, а может

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

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

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

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

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

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

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

Сегодня ученые, занимающиеся исследованием теории струн, используют такой

термин, как «ландшафт» возможных вакуумных состояний .14

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

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

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

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

рассказали историю, в которой инфляция зарождается в состоянии ложного

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

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

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

прещает ей эволюционировать в разные состояния вакуума в разных карманных

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

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

лать их реальными .

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

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

Всего Сущего уникальным образом предсказывать свойства наблюдаемых нами

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

с этими мечтами можно распрощаться . Локальные проявления законов физики

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

надеетесь на возможность каких-то статистических предсказаний, основанных

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

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

гие ученые упорно пытаются получить подобные предсказания . Но нет никакой


Часть IV . Из кухни в Мультиленную

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

что количество наблюдателей, воспринимающих определенные свойства сво-

его окружения, во многих случаях становится бесконечно большим — ведь

инфляция во Вселенной продолжается бесконечно .

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

интересны детали ландшафта множества различных вакуумов или попытки

выковать из антропного принципа набор практичных предсказаний . Наша

проблема — низкая энтропия наблюдаемой Вселенной вскоре после зарожде-

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

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

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

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

Как минимум касательно Вселенной она предполагает, что доступное нашему

взору может оказаться далеко не полной картиной мира .

Чего хорошего в инфляции?

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

придумали для себя,15 звучит примерно так:

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

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

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


Последнее изменение этой страницы: 2018-09-09;


dommodels.ru 2018 год. Все права принадлежат их авторам! Главная