Вечность. В поисках окончательной теории времени, стр. 109
Гут совместил эти идеи в своем сценарии инфляционной Вселенной. Вообразите, 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, превращающий 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 пузырями, 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 плато — длинном и почти плоском. Поле медленно катится вниз по плато, сохраняя 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. [268]
Однако этим дело не ограничивается. Помимо решения проблем горизонта, 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 галактики.
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 механикой. 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 вырастающие в конечном итоге в звезды, галактики и кластеры. Пока предсказанные инфляцией типы возмущений прекрасно согласуются с данными наблюдений. [269] 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 изучение ее свойств в самых разных моделях. В ходе этих исследований российско-американские физики Александр Виленкин и Андрей Линде заметили кое-что интересное: стоит инфляции начаться, и она, судя по всему, никогда не останавливается. [270]
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 катится 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, хранящуюся в состоянии ложного вакуума инфляционного поля, в обычную материю 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 интервалы времени в ложном вакууме появляются небольшие пузырьки истинного вакуума, представляющие собой квантовые флуктуации. Каждый пузырь растет, и пространство внутри него расширяется. Однако пространство снаружи пузыря расширяется еще быстрее, так как там все еще доминирует высокоэнергетический ложный вакуум.
И мы наблюдаем состязание: пузыри истинного вакуума появляются и растут, но пространство между ними также растет, расталкивая сами пузыри. Что победит? Все зависит от того, как быстро пузыри создаются. Если это происходит 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 загадками.
К несчастью для сценария старой инфляции, подходящего компромисса здесь не существует. Если мы настаиваем, что инфляция решает наши космологические загадки, то выясняется, что пузыри при этом формируются так редко, что заполнить все пространство им не удастся никогда. Отдельные пузыри могут сталкиваться — исключительно по стечению обстоятельств; но все множество пузырей не сможет расшириться и врезаться друг в друга достаточно быстро, чтобы превратить весь ложный вакуум в истинный вакуум. Между пузырями всегда будет оставаться пространство, застрявшее в ложном вакууме 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, поэтому идея старой инфляции была отправлена на свалку, как только подоспела новая инфляция.
Однако и здесь есть лазейка: а что, если наша наблюдаемая Вселенная содержится внутри одного пузыря? Тогда то, что пространство за пределами пузыря очень неоднородное, с фрагментами ложного вакуума и кусками истинного 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 возможность, когда впервые заговорил о старой инфляции. Если начать с простейших примеров пузыря истинного вакуума, появляющегося внутри ложного вакуума, то станет понятно, что внутренность такого пузыря составляют не материя и излучение — он абсолютно пуст. Следовательно, это не переход от пространства 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 скоропалителен. 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 скатывается 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. [271]