Почему мы живем не в пустом пространстве? 3 страница
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-