Эта статья является первой частью конспекта книги Скрытая реальность: Параллельные миры и глубинные законы Космоса. Материал статьи посвящен инфляционной модели Вселенной.
В середине XX в. впервые было осознанно, что в микроволновой части спектра повсюду в космосе однородное свечение. Где его начало? В начале. Физики обнаружили, что это свечение является дошедшим до наших дней отголоском рождения Вселенной. История этого достижения является очередным успехом теории Большого взрыва, но одновременно с этим вскрывает один из фундаментальных недостатков теории и создает площадку для последующего ключевого прорыва в космологии инфляционной космологии.
Инфляционная космология видоизменяет теорию Большого взрыва, дополняя ее интенсивной вспышкой невероятно быстрого расширения в течение первых мгновений жизни Вселенной. Такая модификация играет существенную роль для объяснения некоторых свойств реликтового излучения. В течение последних нескольких десятилетий ученые постепенно осознали, что наиболее убедительные варианты теории приводят к огромному количеству параллельных вселенных.
Следы жаркого начала
Георгий Гамов, советский физик, иммигрировавший в США, провел исследования, которые прояснили и оживили картину первых мгновений жизни Вселенной. С учетом небольших современных дополнений картина выглядела следующим образом.
Сразу после рождения, Вселенная была невероятно горячей и плотной. Пространство быстро расширялось и остывало, что приводило кобразованию частиц из первичной плазмы. В течение первых трёх минут температура быстропадала, однако оставалась достаточно высокой, чтобы Вселенная была похожа на космическуюядерную печь, где образовывались простейшие атомные ядра: водород, гелий, небольшиеколичества лития. После ещё нескольких минут температура упала до 108 К, что примерно в 10 000 раз выше температуры поверхности Солнца. Хотя то,что согласно привычным стандартам такая температура крайне высока, её уже не хватает длядальнейшего поддержания ядерных процессов, и начиная с этого момента, интенсивностьдвижения частиц сильно падает. Последующие миллиарды лет почти ничего не происходило,пространство просто продолжало расширяться, а плазма частиц продолжала остывать.
Примерно спустя 370000 лет Вселенная остыла до 3000 К. На тот момент пространство было заполнено плазмой электрически заряженных частиц (в основном протоны и электроны). Так как эти частицы обладали особенностью отбрасывать частицы света (фотоны), то первичная плазма была непрозрачной. Но когда температура стала ниже 3000 К, быстрыеэлектроны и ядра замедлились и стали объединяться в атомы; электроны, захваченные атомными ядрами, сели на орбиты. В этом состояло главное изменение. Так как зарядыпротонов и электронов равны по величине, но противоположны друг другу, образуемые имиатомы электрически нейтральны. А поскольку фотоны проходят через вещество, состоящее изэлектрически нейтральных компонент, не хуже, чем вода через сито, образование атомовпривело к тому, что космический туман рассеялся, и световое эхо Большого взрыва вырвалосьнаружу. С тех самых пор первичные фотоны пронизывают всё пространство.
Однако при расширении пространства содержимое становится более разреженным и остывает, в том числе и фотоны. Однако фотоны не замедляются, они всегда летят со скоростью света. Вместо этого при остывании колебательные частоты фотонов уменьшаются, что приводит к изменению цвета. Фиолетовые => голубые => зеленные => желтые => красные => инфракрасные => микроволновые => радиоволны.
Ученые поняли, что если теория Большого взрыва верна, то пространство должно быть наполнено остаточными фотонами с момента рождения Вселенной. Подробные математические вычисления и эксперименты показали, что фотоны должны были остыть почти до абсолютного нуля и иметь частоты в микроволновой части спектра. Поэтому они называются космическим микроволновым фоновым (реликтовым) излучением.
Поразительная однородность древних фотонов
За десятилетия с момента первого наблюдения реликтовое излучение стало основным инструментом космологических исследований. Причина в том, что большинство исследователей многое дали бы за то, чтобы ненадолго заглянуть в прошлое. Космология одна из наук, в которой можно стать свидетелем давно минувших событий. Свет от удаленных объектов, попадающий в объектив мощных телескопов, летел очень долго, иногда миллиарды лет. Во время наблюдений была выявлена однородность Вселенной на больших масштабах, что свидетельствует в пользу, что то, что происходило там, происходило, в среднем, и здесь. Буквально говоря, смотря вверх, мы смотрим в прошлое.
Оправдавшееся предсказание теории Большого взрыва о том, что пространство заполнено реликтовым излучением, стало триумфом. Однако дальнейший анализ данных выявил проблему. Более точные измерения температуры излучения с помощью передового астрономического оборудования, показали, что излучение однородно абсолютно однородно в пространстве. Температура этого излучения составляет 2.725 К. Что за механизм лежит за подтверждаемой наблюдениями однородностью Вселенной?
Быстрее скорости света
При контакте двух предметов тепло передается от горячего к холодному, и это продолжается до тех пор, пока их температура не сравняются. Такое происходит повсеместно.
Похожие рассуждения, по-видимому, объясняют однородность реликтового излучения. Однако в рамках теории Большого взрыва такое объяснение не проходит.
Для выравнивания температуры разных предметов существенным условием является взаимный контакт. Он может быть непосредственным, как при рукопожатии, либо по меньшеймере через обмен информацией, вследствие чего условия в разных местах становятсяскоррелированными. Только посредством такого взаимного воздействия можно достичь общейсреды.
Это простое наблюдение указывает на трудности наивного объяснения однородностикосмической температуры. Рассмотрим две точки пространства, расположенные на очень большом расстоянии друг от друга. Первый испущенный ею луч света еще не достиг второй точки, следовательно, они никогда не могли взаимодействовать друг с другом.
Вот и пришли к загадке. Без какого-либо явного контакта температура этих разделенных большим расстоянием областей одинакова с точностью, превышающей четыре знака после запятой. Решая эту задачку, можно удивиться и другому. Как могли два предмета, когда-то находившиеся рядом друг с другом а ученые верят, что все в наблюдаемой части Вселенной в момент Большого взрыва находилось рядом друг с другом, удалится настолько быстро, что свету (предельная скорость для всего в космосе), испущенному одним из них, не хватит времени, чтобы достичь другого?
Ответ на эти вопросы заключается в том, что предел скорости, устанавливаемый светом, относится исключительно к движению объектов сквозь пространство. Однако галактики удаляются друг от друга не потому,что они движутся в пространстве у них нет реактивных двигателей, а из-за самогорасширения пространства и галактики лишь увлекаются общим потоком.
Следует отметить, что, хотя у галактик нет реактивных двигателей, в общем случае онидвижутся чуть быстрее, чем ожидается из расширения пространства как правило, эторезультат крупномасштабных межгалактических гравитационных сил, а также внутреннегодвижения вращающегося газового облака, из которого образуются звёзды в галактиках. Скоростьтакого движения называется пекулярной и, как правило, она довольно мала, поэтому вкосмологическом анализе ею можно смело пренебречь.
Смысл в том, чтотеория относительности не накладывает никаких ограничений на скорость расширенияпространства, и поэтому нет никаких ограничений на скорость разбегания галактик, увлекаемыхобщим расширением. Скорость разбегания галактик может быть выше любой скорости, включаяскорость света.
Однако трудность теперь в том, чтобы объяснить, как практически одинаковые температуры возникли в независимых областях космоса: вопрос, который космологи назвали проблемой горизонта.
Расширяя горизонты
В 1979 году Алану Гуту пришла идея, подвергшись критическому осмыслению Андреем Линде, Полом Стейнхардом и Андреасом Альбрехтом, решает проблему горизонта. Это решение инфляционная космология основывается на тонких свойствах общей теории относительности Эйнштейна.
Основные ее черты можно описать следующим образом. Проблема горизонта портит стандартную теорию Большого взрыва, потому что областипространства отдаляются слишком быстро для установления теплового равновесия.Инфляционная теория решает эту проблему, уменьшая скорость разделения областейпространства в начальные моменты времени и обеспечивая таким образом достаточно временидля выравнивания температуры. Затем из теории следует, что после завершения такогокосмического рукопожатия наступает непродолжительный период чрезвычайно быстрого ипостоянно ускоряющегося расширения, названного инфляционным расширением, которое болеечем достаточно компенсирует вялый старт и быстро разносит разные участки неба на огромныерасстояния. Наблюдаемые нами однородные условия больше не являются загадкой, так какобщая температура установилась до того, как разные области пространства были быстроразнесены.
Сверхбыстрое расширение пространства означает, что регионы, достаточноотдалённые друг от друга в настоящий момент, находились в ранней Вселенной гораздо ближе,чем предсказывает стандартная теория Большого взрыва, обеспечивая таким образомвыравнивание температуры до того, как инфляция разметала эти регионы друг от друга.
Исходя из точных измерений, можно судить, что уравнения общей теории относительности Эйнштейна определяют, как расширяется Вселенная. Таким образом, перспективность инфляционного сценариязависит от того, возникает ли предложенная модификация стандартной модели Большого взрываиз уравнений Эйнштейна.
В ньютоновской теории гравитация обусловлена лишь массой предмета. Чем больше масса,тем сильнее гравитационное притяжение предмета. В эйнштейновской теории гравитацияобусловлена массой предмета (и его энергией), а также его давлением. Взвесьте запечатанныйпакет с картофельными чипсами. Теперь сожмите пакет, чтобы воздух, находящийся внутринего, оказался под высоким давлением, и затем снова взвесьте его. Согласно Ньютону, вес неизменится, потому что масса не изменилась. Согласно Эйнштейну, сжатый пакет будет веситьнемножко больше, потому что, хотя масса осталась прежней, давление увеличилось. Приобычных обстоятельствах подобный эффект увеличения веса исчезающе мал, поэтому мы необращаем на него никакого внимания. Однако из общей теории относительности иподтверждающих её экспериментов со всей очевидностью следует, что давление даёт вклад вгравитацию.
Отметим, что, сжимая пакет, вы добавляете в систему энергию, и поскольку масса иэнергия приводят к гравитационному искривлению, то увеличение веса будет частичнопроисходить благодаря увеличению энергии. Однако увеличение давления также даёт вклад вувеличение веса. В повседневных примерах обсуждаемое увеличение веса крайне мало.Однако на космических масштабах оно может оказаться весьма значительным. На самом деле,оно играет роль при объяснении того, почему в определённых ситуациях звёзды обязательносхлопываются в чёрные дыры. Как правило, равновесие в звёздах поддерживается благодарябалансу между давлением, направленным наружу, порождённым ядерными процессами взвёздном ядре, и направленной внутрь гравитацией, порождаемой массой звезды. По мере тогокак звезда расходует ядерное топливо, положительное давление падает, что приводит к еёсжатию. При этом вещество внутри звезды сжимается плотнее, вследствие чего гравитационноепритяжение возрастает. Для избежания дальнейшего сжатия, необходимо дополнительноедавление наружу (что называется положительным давлением). Однако дополнительное положительное давление само создаётдополнительную силу гравитационного притяжения и приводит к необходимостиещё большего дополнительного положительного давления. В определённых ситуациях этоприводит к спиральной нестабильности, и положительное давление, на котором обычнодержится противодействие звезды внутреннему гравитационному сжатию, настолько усиливаетвнутреннее притяжение, что становится неизбежным полный гравитационный коллапс. Звездаколлапсирует, и образуется чёрная дыра.
Это отклонение от ньютоновской теории очень важно. Давление воздуха положительное, и это значит, что он давит наружу. В общей теории относительности положительное давление, как и положительная масса, дает положительный вклад в гравитацию, что приводит к увеличению веса. Однако давление в некоторых ситуациях может быть отрицательным. ОТО утверждает, что отрицательное давление вносит отрицательный вклад в гравитацию, следовательно, это приводит к гравитационному отталкиванию.
Это может поставить в тупик. Однако при наполнении пространства однородной энергией космологическая постоянная (ее также для популяризации называют темной энергией) приводит к гравитационному отталкиванию. Космологическая постоянная не только наполняет пространствооднородной энергией, величина которой определяется значением самой константы, но также приводит к появлению в пространствеоднородного отрицательного давления. И когда дело доходит до гравитации, отрицательное давление играет роль, противоположнуюположительной массе и положительному давлению. Так возникает гравитационноеотталкивание.
Можно подумать, что отрицательное давление втягивает внутрь и поэтомупротиворечит гравитационному отталкиванию, то есть выдавливанию наружу. На самом деле,однородное давление, независимо от знака, вообще не давит и не выталкивает. Барабанныеперепонки лопаются, только если оказываемое на них давление неравномерно с однойстороны меньше, чем с другой. Описываемое здесь отталкивание является гравитационнойсилой, порождённой однородным отрицательным давлением. Трудный, но ключевой моментдля понимания. Положительная масса или положительное давление приводят кгравитационному притяжению, а отрицательное давление приводит к менее привычномугравитационному отталкиванию.
Вместо умеренного и равномерного расширения, которое может стабилизироватьвселенную, инфляционная теория порождает гигантскую волну гравитационного отталкивания,невероятно короткую и ураганно-мощную. До этого события, однако, есть достаточно времени,чтобы у разных областей пространства выровнялась температура, после чего они разносятся на гигантские расстояния и занимают наблюдаемое сейчас положение на небе. Что за процесс может обеспечить подобное мгновенное и при этом повсеместное распространение отрицательного давления? Было показано, что отрицательное давление, необходимое для создания антигравитационнойволны, естественным образом возникает из нового механизма, составляющие которого известныкак квантовые поля.
Квантовые поля
В начале XIX в. Фарадей ввел в обиход трудное для понимания, но эффективное понятие поля.
Всем знаком эксперимент с магнитом и канцелярскими скрепками. Скрепка подпрыгнет вверх и прилипнет к поверхности магнита. Каким образом передаётся влияние магнита на скрепку без какого-либоконтакта? Этот и другие вопросы привели Фарадея к постулату - хотя магнит в буквальномсмысле слова не касается скрепки, он производит нечто, что касается. Это нечто было названоФарадеем магнитным полем. Однако то, почему мы не можем видеть поля является лишь физиологическим ограничением.
Кроме магнитных, есть и другие поля. Заряженные частицы порождают электрические поля. Эксперименты Фарадея показали, что электрическое и магнитное поля внутренне связаны: изменение электрического поля порождает магнитное и наоборот.
Максвелл вывел уравнения, впоследствии названные в его честь, которые описываютизменение силы электрических и магнитных полей в пространстве от точки к точке и от одногомомента времени к другому. Именно эти уравнения описывают море электрических имагнитных полей так называемые электромагнитные волны, окружающие нас со всех сторон. Включите сотовый телефон, радио или беспроводной компьютер, и получаемые сигналы будутлишь крохотной крупицей из электромагнитного потока, молчаливо обтекающего нас каждуюсекунду. А более всего потрясает то, что и видимый свет, согласно уравнениям Максвелла,является электромагнитной волной, такой, которую научились воспринимать в процессеэволюции наши глаза.
Во второй половине XX столетия физики присоединили концепцию поля к быстроразвивающемуся пониманию микромира, основанному на квантовой механике. В итогеквантовая теория поля стала математическим аппаратом для создания самых точных теорийматерии и сил в природе. С её помощью физики установили, что помимо электрических имагнитных полей существует целый набор других полей, таких как сильные и слабые ядерныеполя, кварковые, и нейтринные поля. Поле, которое является теоретическимфундаментом инфляционной космологии, называется полем инфлатона.
Квантовые поля и инфляция
Поля обладают энергией. Как правило, чем больше значение поля, тем больше количество энергии. Важное наблюдение Гута состояло в том,что такие однородные конфигурации поля наполняют пространство не только однороднойэнергией, но также и однородным отрицательным давлением. Таким способом он обнаружилфизический механизм возникновения гравитационного отталкивания.
Если есть поле гипотетическое поле инфлатона однородное во всей области пространства, то оно заполнит эту область не только энергией, но и создаст в ней отрицательное давление. И такое отрицательное давление создаёт гравитационноеотталкивание, которое приводит к безостановочному расширению пространства. Когда Гутподставил в уравнения Эйнштейна предполагаемые значения энергии инфлатона и давления,согласованные с экстремальными условиями ранней Вселенной, то вычисления показали, чтовозникающее гравитационное отталкивание должно быть колоссальным.
Космологическая постоянна это всего лишь константа, которая порождает сегодня ровно такое же гравитационное отталкивание, как и миллиарды лет назад. В противоположность этому значение поля может изменяться и, вообще говоря, изменяется. При включении микроволновойпечи находящееся внутри неё электромагнитное поле изменяется. Алан Гут осознал, что инфляционное поле,заполняющее пространство, ведёт себя похожим образом включается для инфляции и затемвыключается, что позволяет гравитационному отталкиванию действовать лишь в короткийпромежуток времени. Это важно. Наблюдения показывают, что если взрывоподобноерасширение пространства вообще имело место, то оно должно было произойти миллиарды летназад и резко оборваться, после чего началось размеренное расширение, о которомсвидетельствуют точные астрономические измерения. Итак, исключительно важное свойствоинфляционной гипотезы состоит в том, что эпоха мощного гравитационного отталкивания былавременной.
Для более яркой аналогии представим Колобка на вершине горы. Энергия, переносимая полем с ненулевым значением, является потенциальной. При определенных условиях она может высвободиться. Подобно тому как рост потенциальной энергии Колобка, по мере того как он забирается на гору, определяется формой склона, потенциальная энергия поля имеет аналогичную форму, которая называется кривой потенциальной энергии. Такая кривая определяет изменение потенциальной энергии поля при изменении его значения.
Давайте представим, что в самые ранние моменты космосапространство было равномерно заполнено полем инфлатона, значение которого соответствуетсамой высокой точке на кривой потенциальной энергии. Представим, что кривая потенциальной энергии выпрямляется и приобретает вид ровного платокак на рисунке выше, позволяя инфлатону задержаться на самой вершине. Что произойдёт дальше при такихгипотетических условиях?
Произойдут два важных события. Пока инфлатон находится на плато, оннаполняет пространство большой потенциальной энергией и отрицательным давлением,приводя к взрывоподобному инфляционному расширению. Но подобно тому как потенциальнаяэнергия Колобка высвобождается при спуске с горы, так и инфлатон высвобождаетпотенциальную энергию во всё пространство, скатываясь к более низким значениям. И по мереуменьшения значения инфлатона его энергия и отрицательное давление рассеиваются, чтоприводит к завершению взрывоподобного расширения. Не менее важно, что высвободившаясяполем инфлатона энергия не теряется, а подобно остывающему пару, конденсирующемуся вкапли воды, энергия инфляции конденсируется в однородную среду частиц, заполняющихпространство. Такой двухступенчатый процесс короткое, но быстрое расширение, за которымследует преобразование энергии в частицы, приводит к огромному однородномупространству, заполненному сырьём для будущих звёзд и галактик.
Подробности этого процесса зависят от факторов, которые ни теория, ни эксперимент пока не могут определить.
В описанном подходе к инфляции нет фундаментального объяснения, почемузначение поля инфлатона должно находиться на возвышенной части кривой потенциальнойэнергии, а также нет объяснения, почему кривая потенциальной энергии имеет именно такуюформу. Всё это предположения теории. В последующих версиях теории инфляции, вособенности версии, разработанной Андреем Линде, которая называется хаотическая инфляция,более обычная кривая потенциальной энергии (параболическая форма без плоских участков,выводимая из простейших математических уравнений для потенциальной энергии) также можетприводить к инфляции. Для запуска инфляционного расширения значение поля инфлатонатакже должно находиться высоко на этой кривой потенциальной энергии, однако неимоверногорячая среда в ранней Вселенной естественным образом создаёт для этого все условия.
Но типичные математические модели показывают, что энергия инфлатона скатывается по наклону за 10-35 секунды и при этом пространство расширяется в 1030 раз, если не более. Хотя представить такой масштаб трудно, важно то, что область пространства, была настолько мала, что в ней легко могла установиться одинаковая температура, прежде чем молниеносный взрыв расширил ее до космических масштабов.
Возможно заинтересует следующая подробность. Быстрое расширениепространства в инфляционной космологии приводит к сильному остыванию (подобно тому какбыстрое сжатие пространства, или чего-нибудь ещё, вызывает повышение температуры).Однако, когда инфляция подходит к завершению, поле инфлатона колеблется около минимумасвоей кривой потенциальной энергии, трансформируя свою энергию в газ частиц. Этот процессназывается повторным разогревом, потому что порождённые таким образом частицыполучают кинетическую энергию и, следовательно, могут характеризоваться температурой. Помере того как пространство продолжает расширяться обычным (неинфляционным) способом, всценарии Большого взрыва температура газа частиц постепенно снижается. Однако важныймомент в том, что возникшая при инфляции однородность задаёт однородные условия для этогопроцесса, и поэтому приводит к однородным результатам.
Вечная инфляция
Инфляция это способ осмысления космологии, а не какая-то конкретная теория. Исследователя показали, что существует множество способов для воплощения инфляции, отличаются лишь детали. Среди них есть один, разработанный прежде всего Линде, который имеет первостепенную важность.
Если представить космос в целом, он будет изобиловать бесчисленным множеством далеко разбросанных областей, каждая из которых несет след произошедшего инфляционного расширения. Наш мир, который издавна привыкли считать единственной вселенной, является одним из множества таких областей, парящих в неизмеримо большом пространстве. Таким образом, инфляционная космология приводит нас к одной из вариаций на тему параллельных миров.
Для понимания того, как возникает такая инфляционная мультивселенная, в аналогию с Колобком на холме следует добавить несколько деталей.
Первое: образ Колобка, сидящего высоко на холме, отражает поле инфлатона, обладающее значительной потенциальной энергией и отрицательным давлением и находящеесяв неустойчивом равновесии. В основу теории закладывается изначальное равенство значений поля инфлатона во всех точках исходной области. Поэтому чтобы более адекватно представить инфляционный сценарий, потребуется вообразить нечто странное: многочисленных клонов Колобка, забравшихся на многочисленные, близкорасположенные вершины гор во всем пространстве.
Второе: до сих пор почти никак не затрагивали квантовый аспект квантовой теорииполя. Поле инфлатона, как и всё остальное в нашей квантовой вселенной, подвержено квантовойнеопределённости. Это означает, что его значение будет испытывать случайные флуктуации,мгновенно немножко возрастая здесь и убывая немножко там. В обычной жизни квантовыефлуктуации слишком малы, чтобы их заметить. Однако вычисления показывают, что чем большеэнергия инфлатона, тем больше его флуктуации, возникающие из-за квантовойнеопределённости. Поскольку энергия инфлатона во время инфляционного расширения крайневысока, то квантовые флуктуации в ранней Вселенной должны быть большими идоминирующими.
Таким образом, следует представить не только отряд Колобков, забравшихся высоко на одинаковые горные вершины, но и подземные толчки разной силой. Разные клоны Колобков будут удерживаться на вершине в течение разного времени. Через некоторое время вся местность поделится случайным образом на области.
Случайность квантовых флуктуаций приводит к похожему выводу для поля инфлатона.Исходно инфлатон находится на самом верху кривой потенциальной энергии в каждой точкенекоторой области пространства. Затем квантовые флуктуации действуют как подземныетолчки. По этой причине пространство быстро разделяется на области:в некоторых квантовые флуктуации заставляют поле скатиться по кривой вниз, а в других оноостаётся наверху.
Именно здесь начинаетсяразличие между Колобками и космологией. Поле, находящееся на вершине кривойпотенциальной энергии, воздействует на окружение значительно сильнее, чем сидящие навершинах Колобки. Область,заполненная полем инфлатона, расширяется с фантастической скоростью. Это означает, чтоэволюция поля инфлатона управляется двумя противоположными процессами. Квантовыефлуктуации, стремящиеся сбросить поле с верхнего положения, уменьшают областьпространства, заполненного большой энергией. Инфляционное расширение путём быстрогоувеличения тех областей, где поле удерживается в верхнем положении, увеличивает объёмпространства, заполненного большой энергией.
В космологических успешных вариантах инфляции увеличение преобладает над уменьшением, и поэтому объем пространства, в котором энергия поля велика, увеличивается со временем. Принимая, что подобные полевые конфигурации приводят кдальнейшему инфляционному расширению, мы видим, что, однажды начавшись, инфляция незаканчивается никогда.
Космос и швейцарский сыр
Все эти идеи совместно показывают, что инфляционная космология значительно обновляет наше представление о реальном пространстве. Представьте вселенную в виде гигантского куска швейцарского сыра, в котором дыркисоответствуют областям, где величина поля инфлатона мала, а в остальных местах, наоборот,велика. То есть дырки это области, подобные нашей Вселенной, прошедшие стадиюсверхбыстрого расширения, в процессе чего энергия поля инфлатона преобразовалась вчастицы, которые со временем формируют галактики, звёзды и планеты. На более стандартном языке космологии каждая дырка называется пузырьком-вселенной.
Такое название может ввести в заблуждение. Наша вселенная огромна. То, что она может быть частью еще большей космической структуры лишь подтверждает фантастически огромные размеры, в рамках инфляционной парадигмы, космоса в целом.
Поворачивая перспективу
Когда первые задумались об инфляционной мультивселенной, прямых подтверждений в пользу теории было не так и много. Поэтому многие считали эту идею спекуляцией на спекуляции. Но в последующие годы количество наблюдательных данных в пользу инфляции значительно увеличилось в основном благодаря точным измерениям реликтового излучения.
Хотя наблюдаемая однородность реликтового излучения является одной из основныхмотиваций развития инфляционной теории, первые сторонники теории понимали, что быстроепространственное расширение не сможет обеспечить абсолютную однородность излучения.Наоборот, они утверждали, что квантово-механические флуктуации, растянутые инфляционнымрасширением, нарушают однородность, создавая миниатюрные температурные колебания.
Квантовая неопределенность приводит к флуктуациям поля инфлатона. Если инфляционная теория верна, такая флуктуация сбросило поле инфлатона с верхней точки в нашей части вселенной, что привело к завершению инфляционному расширению. Однако по мере скатывания к точке завершению инфляции, на значение инфлатона флуктуации могли продолжать влиять. Как правило, квантовые изменения настолько малы, что на космических масштабах ими можно пренебречь.
Однако расширение пространства происходит настолько быстро, даже на выходе из инфляционногорежима, из-за чего всё микроскопическое растягивается настолько, что становится макроскопическим. В частности, небольшие отклонения в энергии, вызванные квантовыми флуктуациями,переходят в температурные отклонения, которые отпечатываются на реликтовом излучении. В конце концов, они были обнаружены. В точном согласии с предсказаниямитеории они составляют примерно тысячную долю градуса. Но больше всего впечатляетто, что картина расположения температурных отклонений на небе точно соответствуеттеоретическим предсказаниям.
Когда инфляция в нашем пузырьке-вселенной подходила к концу, области с несколькобольшей энергией (или массой) создавали чуть более сильноегравитационное притяжение, притягивая больше частиц из близлежащих окрестностей истановясь, таким образом, больше. Большое скопление частиц, в свою очередь, создавало ещёболее сильное гравитационное притяжение, притягивая ещё больше вещества и ещё большеувеличиваясь в размерах. С течением времени этот эффект снежного кома привёл кобразованию цельных глыб вещества и энергии, которые за миллиарды лет стали галактиками извёздами. Таким способом инфляционная теория устанавливает замечательную связь междусамыми большими и самыми маленькими структурами космоса. Само существование галактик,звёзд, планет и жизни как таковой возникает из микроскопической квантовойнеопределённости, усиленной инфляционным расширением.
Теоретические умозаключения, лежащие в основе инфляции, не являются бесспорными: вконце концов, инфлатон является гипотетическим полем, существование которого всё ещёнужно доказать; кривая потенциальной энергии была постулирована теоретически, а необнаружена экспериментально и так далее.Хотя это, даже если какие-то детали теории не совсем верны, согласие между теорией иэкспериментом убедило многих, что инфляционный сценарий правильно отражаетфундаментальные представления о космической эволюции. Поскольку в большинстве сценариевинфляция является вечной и приводит к постоянно растущему числу дочерних вселенных, тотакое объединение теории и эксперимента является пусть косвенным, но убедительнымаргументом в пользу существования ещё одной версии параллельных миров.
