Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
* * *
Главная причина, по которой инфляционная модель стала такой популярной, касается не трех вышеописанных проблем, а отпечатков руки Бога. Флуктуации в реликтовом излучении отражают отклонения температуры от стандартных 2,7 °C на одну стотысячную долю градуса. Их спектр также неизменен и не зависит от масштаба. Эти особенности флуктуаций стали известны нам из непосредственных наблюдений. Но как они возникли?
Ранние инфляционные модели претендуют на объяснение этих явлений. Из главы 8 мы уже знаем, что, по утверждению физиков, вакуум заполнен маленькими флуктуациями энергии, так называемыми квантовыми флуктуациями. Если верить инфляционной модели, они возникли сразу после Большого взрыва, положив начало эпохе квантовой гравитации, о которой мы еще поговорим в главе 14. Инфляция раздула эти флуктуации до флуктуаций реликтового излучения. Более того, она делает это таким образом, что спектр этих колебаний становится спектром Land O’Lakes.
* * *
Таким образом, если бы инфляция действительно имела место, она, по-видимому, могла бы объяснить некоторые особенности космоса, сбивающие нас с толку. Но откуда она взялась? В этом вопросе множество инфляционных моделей расходятся. Большинство моделей предлагают некое новое поле, не похожее на темную энергию. Возможно, вы помните, что скорость расширения Вселенной зависит от ее содержимого. Если во Вселенной преобладает темная энергия, действует космологическая постоянная, то уравнения Фридмана говорят нам следующее: размер растет экспоненциально с течением времени. Поскольку в современной Вселенной темная энергия действительно преобладает, мы можем сказать, что она расширяется практически экспоненциально.
В инфляционном сценарии развития Вселенной почти то же самое происходило в промежутке между 10-36 и 10-32 секундами после Большого взрыва. В это время во Вселенной преобладала некая новая форма энергии: она не обязательно была сегодняшней темной энергией, но напоминала какое-то время космологическую постоянную – см. рис. 18. Эта почти постоянная энергия привела к экспоненциальной инфляции, а к концу периода инфляции ослабела и практически исчезла. Эта диаграмма известна как диаграмма потенциальной энергии. Возможно, вы уже знаете, что любая физическая система, как шар на вершине холма, стремится занять положение с минимальной потенциальной энергией, поэтому шар и скатывается вниз по склону. Физики часто визуализируют образ Вселенной в виде мяча, находящегося на вершине кривой энергии, создаваемой инфляционным полем. По мере того как мяч медленно катится с почти плоского холма, инфляция действует. Когда инфляция заканчивается, он стремительно проваливается в яму, теряя всю свою энергию.
Рис. 18
Однако физики также верят в знаменитый закон сохранения энергии и не спешат соглашаться с тем, что доминировавшая форма энергии во Вселенной могла исчезнуть, не оставив следа. Их больше устраивает следующая картина: в процессе инфляции Вселенная расширилась достаточно, чтобы решить космологические проблемы, о которых мы говорили; в то же время расширение невероятных масштабов полностью истощило Вселенную, лишив ее всех компонентов: монопо́лей, фотонов, нейтрино и всего остального. Когда инфляция закончилась, поле, выступающее ее двигателем, ослабло, а его энергия преобразовалась в частицы, из которых состоит современная Вселенная. Инфляция и последующий за ней «повторный разогрев» произошли быстрее, в мгновение ока.
Но почему инфляционная энергия исчезает? Сначала это объясняли известным феноменом фазовых переходов. Воду можно охладить до температуры ниже точки замерзания – но только при условии, что мы будем охлаждать ее медленно и осторожно. Если же в воду все-таки проникнет частица пыли, она станет центром нуклеации для льда, из-за чего наша вода очень быстро замерзнет.
В рамках теорий великого объединения было справедливо предположить, что что-то подобное произошло в пространстве ранней Вселенной с энергией вакуума, когда единое поле разделилось на разные виды взаимодействия. Сначала энергия вакуума достигала высоких значений, но затем «переохладилась». За это время образовалась инфляция, и в итоге энергия вакуума опустилась до показателя, который мы имеем сегодня. Более поздние версии инфляционной модели просто предлагали новое поле с диаграммой потенциальной энергии, похожей на ту, что вы видели на предыдущей странице.
Говоря вкратце, данная глава посвящена тому, как инфляция – предположительно – избавила Вселенную от головной боли.
Мы ничего не упустили?
12
Можно ли верить инфляционной теории?
В предыдущей главе я старался говорить настолько простым языком, что в итоге оказался не до конца честен. Поскольку инфляционная картина мира предлагала элегантное решение знаменитых космологических проблем, со временем к ней, как это принято в науке, начали относиться с более пристальным вниманием, и сегодня ее дальнейшая судьба уже не выглядит так обнадеживающе, как в первые годы после ее появления.
Если говорить о проблеме реликтовых магнитных монопо́лей, то, несмотря на десятилетия непрерывных исследований, у нас так и не появилось никаких экспериментальных доказательств ТВО. Если же теории, говорящие нам о существовании обильного количества монопо́лей, могут оказаться просто-напросто ошибочными, проблема монопо́лей исчезает сама собой.
Что касается «отпечатков руки Бога», здесь подавляющая часть дискуссии (как среди любителей, так и среди ученых) сосредоточена на спектре реликтового излучения, а также на том, насколько этот спектр согласуется с простейшими предположениями инфляционной теории. Тем не менее вопрос, чем обусловлен размер флуктуаций (он составляет стотысячные доли градуса), также не может оставаться без ответа. У нас давно не осталось сомнений в том, что воспроизведение этого показателя требует корректировки исключительной точности для значений потенциальной энергии на диаграмме, представленной на рис. 18, – отклонение даже на 1/1014 градуса приведет к неверному ответу. Подобная задача – очередной пример тонкой настройки. Следовательно, нам стоит хорошенько подумать, не променяли ли мы одну проблему тонкой настройки на другую, пока пытались вычислить потенциал с нужной точностью.
Более того, хотя мы и можем примирить спектр типа Land O’Lakes с предположениями инфляционной теории, инфляция не единственный процесс, способный его создавать (мы убедимся в этом в следующей главе). В таком случае как же нам выбрать из нескольких моделей одну? На самом деле инфляция предполагает спектр не в точности типа Land O’Lakes, а только примерно такой. В настоящее время как минимум несколько космологов утверждают, что данные, полученные со спутника «Планк», уже противоречат выводам инфляционной теории, а значит, на основании полученных наблюдений мы должны отказаться от нее в пользу других моделей (о них еще будет сказано в главе 13). Разумеется, сторонники инфляционной теории с этим не согласятся.
* * *
Инфляционный сценарий связан и с другими противоречиями и сложностями. Например, уже на протяжении двух столетий мы
