Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

139

Поскольку в этом суть того, как инфляционная космология решает проблему горизонта, чтобы избежать путаницы, позвольте мне выделить ключевой элемент решения. Допустим, однажды ночью вы с вашим другом вышли в поле и стали обмениваться световыми сигналами, включая и выключая электрические фонарики, тогда если вы развернётесь и разбежитесь друг от друга (не имеет значения, с какой скоростью вы это сделаете) — вы всегда будете в состоянии потом обменяться световыми сигналами. Почему? Потому что, чтобы избежать получения света, которым ваш друг светит вслед вам, или чтобы ваш друг мог избежать получения света, который вы посылаете вслед ему, вам надо убегать друг от друга быстрее скорости света, а это невозможно. Тогда как же области пространства, которые были в состоянии обмениваться световыми сигналами в ранней истории Вселенной (а потому, например, могли выровнять свои температуры), теперь оказываются за пределами коммуникативной области друг друга? Как ясно из примера с фонариками, они обязаны были уноситься друг от друга прочь быстрее скорости света. И в самом деле, колоссальное расталкивание отрицательной гравитации во время инфляционной фазы действительно заставило каждую область пространства уноситься прочь от любой другой намного быстрее скорости света. Ещё раз, это не входит в противоречие со специальной теорией относительности, поскольку предел скорости, установленный светом, относится к движению через пространство, а не к движению от раздувания самого пространства. Так что новое и важное свойство инфляционной космологии состоит в том, что она предполагает существование короткого периода, в течение которого имеется сверхсветовое расширение пространства.

140

Заметим, что численная величина критической плотности уменьшается, по мере того как Вселенная расширяется. Но суть в том, что если реальная плотность материи/энергии Вселенной равна критической плотности в один момент времени, она будет уменьшаться в точности тем же образом, и равенство критической плотности сохранится на все времена.

141

Склонный к математике читатель должен заметить, что во время инфляционной фазы размер нашего космического горизонта оставался фиксированным, в то время как пространство чудовищно раздулось (как можно легко увидеть, выбрав экспоненциальную форму масштабного фактора в примечании {223}). Именно в этом смысле наша наблюдаемая Вселенная в инфляционной схеме является мельчайшим лоскутком гигантского космоса.

142

Preston R. First Light. New York: Random House Trade Paperbacks, 1996. P. 118.

143

Превосходный обзор о тёмной материи на общем уровне см. в книге: Krauss L. Quintessence: The Mystery of Missing Mass in the Universe. New York: Basic Books, 2000.

144

Подготовленный читатель заметит, что я не выделяю разные проблемы, связанные с тёмной материей, которые появляются на разных масштабах наблюдения (галактический, космический), поскольку мой интерес здесь связан только с вкладом тёмной материи в плотность космической массы.

145

На самом деле имеются некоторые разногласия в отношении того, в этом ли состоит механизм, стоящий за всеми вспышками сверхновых типа Ia (я благодарю Д. Спергеля, обратившего моё внимание на это), но однородность этих событий — которая и нужна нам для обсуждения — имеет прочные наблюдательные основания.

146

Интересно заметить, что намного раньше результатов по сверхновым провидческие работы Джима Пиблза из Принстона, а также Лоуренса Краусса из Кейс Вестерн (г. Кливленд), Майкла Тернера из университета Чикаго и Гари Стейгмана из Огайо указали, что Вселенная может иметь малую ненулевую космологическую константу. Тогда большинство физиков не приняли это предположение слишком серьёзно, но теперь, с данными по сверхновым, отношение к нему существенно изменилось. Также заметим, что ранее в этой главе мы говорили, что расталкивание от космологической постоянной может описываться полем Хиггса, которое, подобно лягушке на выпуклости, захвачено выше своей конфигурации с минимальной энергией. Так что в то время как космологическая постоянная хорошо описывает результаты наблюдений, более точное утверждение состоит в том, что исследователи сверхновых пришли к выводу, что пространство должно быть заполнено чем-то подобным космологической постоянной, что генерирует гравитационное расталкивание. (Имеются сценарии, в которых поле Хиггса могло бы генерировать расталкивание, действующее в течение длительного времени, в противоположность короткому взрыву в ранние моменты инфляционной космологии. Мы обсудим это в главе 14, когда рассмотрим вопрос, действительно ли наблюдательные данные непременно требуют наличия космологической постоянной или всем требованиям могут отвечать некоторые другие идеи, приводящие к сходным явлениям в гравитации). Исследователи часто используют термин «тёмная энергия» в широком смысле для обозначения ингредиента Вселенной, который невидим для глаза, но заставляет любую область пространства отталкиваться от любой другой, вместо того чтобы притягиваться.

147

Тёмная энергия является наиболее широко принятым объяснением наблюдаемого ускоренного расширения, но выдвигались и другие теории. Например, некоторые предположили, что результаты наблюдений могут быть объяснены, если сила гравитации отклоняется от обычной величины, предсказываемой ньютоновской или эйнштейновской физикой, когда расстояния становятся экстремально большими — космологических масштабов. Другие ещё не верят, что результаты наблюдений действительно показывают космологическое ускорение, и ожидают, что измерения будут проведены с помощью более точных инструментов. Важно держать в уме эти альтернативные идеи, особенно если будущие наблюдения дадут результаты, которые создадут проблемы для существующих объяснений. Но пока имеется широкий консенсус, что теоретические объяснения, описанные в основном тексте, — самые убедительные.

148

Среди лидеров в описании того, как квантовые флуктуации могли бы приводить к неоднородностям, в ранние 1980-е гг. были Стивен Хокинг, Алексей Старобинский, Алан Гут, Co-Юнг Пи, Джеймс Бардин, Пол Стейнхардт, Майкл Тернер, Вячеслав Муханов и Геннадий Чибисов.

149

Даже после всего изложенного в основном тексте вы всё ещё можете быть озадачены, как крохотное количество материи/энергии в кусочке инфлатона могло дать гигантское количество материи/энергии, составляющее наблюдаемую Вселенную. Как вы можете получить больше материи/энергии, чем то, с чего вы начали? Как объяснялось в основном тексте, поле инфлатона в силу своего отрицательного давления «добывало» энергию из гравитации. Это означает, что по мере того как энергия в поле инфлатона возрастала, энергия в гравитационном поле уменьшалась. Специальное свойство гравитационного поля, известное со времён Ньютона, состоит в том, что его энергия может становиться сколь угодно отрицательной. Таким образом, гравитация подобна банку, который готов дать взаймы неограниченное количество денег, — гравитация заключает в себе, по существу, безлимитный ресурс энергии, которую извлекает поле инфлатона во время расширения пространства.

Точные значения массы и размера начального кусочка однородного поля инфлатона зависят от деталей изучаемой модели инфляционной космологии (больше всего от подробностей формы чаши потенциальной энергии поля инфлатона). В тексте я представлял, что начальная плотность энергии поля инфлатона была около 1082 г/см3, так что объём (10−26 см)3 = 10−78 см3 должен был иметь полную массу около 10 кг. Эти величины типичны для вполне обычного класса инфляционных моделей, но предназначены только чтобы дать вам грубое представление о величинах, с которыми приходится иметь дело. Чтобы дать представление о диапазоне возможностей, позвольте мне заметить, что в моделях хаотической инфляции Андрея Линде (см. примечание {134}) наша наблюдаемая Вселенная могла бы появиться из начального кусочка даже меньшего размера, всего 10−33 см в поперечнике (так называемая планковская длина), с более высокой плотностью энергии, около 1094 г/см3, что даёт полную массу около 10−5 г (так называемая планковская масса). В этой реализации инфляции начальный кусочек должен был весить примерно как частичка пыли.

150

См.: Davies P. Inflation and Time Asymmetry in the Universe, Nature. Vol. 301. P. 398; Page D. Inflation Does Not Explain Time Asymmetry, Nature. Vol. 304. P. 39; и Davies P. Inflation in the Universe and Time Asymmetry, Nature. Vol. 312. P. 524.