Инфляционная Вселенная

       После открытия реликтового излучения теория горячей Вселенной сразу стала общепринятой. Правда, специалисты отмечали также и трудности этой теории, которые, однако, в течение многих лет считались временными. Перечислим некоторые из проблем стандартной теории горячей Вселенной.

Проблема сингулярности.

       Из теории следует, что плотность вещества во Вселенной при t стремящемся к 0 стремится к бесконечности. Один из наиболее мучительных вопросов, стоящих перед космологами, состоит в том, было ли что-нибудь до момента t = 0, и если нет, то как и откуда возникла Вселенная? Рождение и смерть Вселенной, подобно рождению и смерти человека, является одной из наиболее волнующих проблем, стоящих не только перед космологией, но и перед всем современным естествознанием. Первоначально были надежды, что эту проблему удастся если не решить, то хотя бы обойти, изучая более общие модели Вселенной, чем модель Фридмана, например модели неоднородной анизотропной Вселенной, заполненной веществом с каким-либо экзотическим уравнением состояния, и т. д. Однако после исследования общей структуры пространства-времени вблизи сингулярности и после того, как был доказан ряд теорем о сингулярностях в общей теории относительности с помощью топологических методов, возможность решить эту проблему в рамках классической теории гравитации стала представляться маловероятной.

Проблема плоскостности (евклидовости) пространства.

       В школе учат, что наш мир описывается геометрией Евклида, в которой сумма углов треугольника равна 1800 и параллельные прямые не пересекаются (или "пересекаются на бесконечности"). В институте говорят, что геометрия нашего мира — это геометрия Римана, а параллельные прямые могут пересекаться или, наоборот, расходиться на бесконечности. Однако никто не объясняет, почему то, чему учат в школе, тоже верно (или почти верно), т. е. почему геометрия нашего мира с такой огромной степенью точности является евклидовой. Этот факт оказывается еще более удивительным, если учесть, что в общей теории относительности имеется лишь один естественный масштаб размерности длины — планковская длина ~10-33см. Можно было бы ожидать, что геометрия мира мало отличается от евклидовой лишь на расстояниях меньших или порядка планковской, т. е. меньших характерного радиуса кривизны пространства. Между тем, ситуация прямо противоположна: в малых масштабах квантовые флуктуации метрики приводят к тому, что пространство - время вообще нельзя описывать в терминах классической геометрии (пространственно-временная пена). В то же время по непонятной причине пространство оказывается почти в точности евклидовым в больших масштабах, по меньшей мере до ~1028см, т.е. в масштабах, на 60 порядков превосходящих планковский.

       Отражением той же трудности является вопрос о том, почему столь велики полная энтропия и полная масса вещества в наблюдаемой части Вселенной размером ~1028см. Полная энтропия имеет порядок ~1087; полная масса ~1055г. Но почему полная энтропия Вселенной так велика и почему масса Вселенной должна на десятки порядков превосходить планковскую массу, единственный параметр размерности массы, фигурирующий в общей теории относительности? Эта проблема эквивалентна по-детски наивному вопросу: почему во Вселенной так много вещей?

Пробяема крупномасштабной однородности и изотропии Вселенной.

       Вселенная не является полностью однородной и изотропной, по крайней мере в относительно малых масштабах. Это означает, что нет никаких оснований думать, что Вселенная была однородна и изотропна с самого начала. Наиболее естественно было бы предположить хаотические начальные условия в различных, достаточно далеко отстоящих друг от друга точках Вселенной. Однако, как было показано при определенных допущениях, множество начальных данных, при которых Вселенная асимптотически (при больших временах) стремится к Вселенной Фридмана, имеет меру нуль на множестве всех допустимых начальных условий. Т.е.вероятность такого набора начальных данных равна нулю.

Проблема горизонта.

       Отчасти острота проблемы изотропии Вселенной была смягчена тем обстоятельством, что эффекты, связанные с наличием вещества и рождением элементарных частиц в расширяющейся Вселенной, могут привести к локальной изотропизании Вселенной. Однако ясно, что такие эффекты не могут обеспечить глобальную изотропизапию Вселенной хотя бы потому, что причинно - несвязанные области Вселенной, находящиеся друг от друга на расстоянии, превышающем размер горизонта частиц (который в простейших случаях равен времени существования Вселенной), никак не могут воздействовать друг на друга. Между тем изучение реликтового излучения показывает, что в момент t ~105 лет Вселенная была с большой точностью однородна и изотропна в масштабах, на много порядков превосходящих горизонт.

       У проблемы горизонта есть еще один аспект. А именно, в планковский момент времени ~10-43с размер каждой из причинно - связанных областей (радиус горизонта частиц) равнялся ~10-33см, в то время как размер области, из которой образовалась наблюдаемая часть Вселенной, был порядка ~10-4см. Соответствующая область Вселенной, таким образом, состояла из ~1087 причинно - несвязанных областей. Почему расширение Вселенной (или выход Вселенной из области с плотностью, превышающей планковскую) должно было начаться одновременно (или почти одновременно) в огромном количестве причинно - несвязанных областей? Вероятность того, что это произошло случайно, близка к ехр(-1090).

Проблема образования галактик.

       Как известно, Вселенная неполностью однородна, в ней существуют такие немаловажные неоднородности, как звезды, галактики, скопления галактик и т. д. Для объяснения возникновения галактик необходимо, чтобы на самых ранних стадиях эволюции Вселенной существовали "затравочные" неоднородности со спектром, который обычно считается почти не зависящим от пространственного масштаба неоднородностей. Причина возникновения таких неоднородностей плотности в ранней Вселенной в рамках теории горячей Вселенной совершенно неясна.

Проблема барионной асимметрии

       Суть этой проблемы состоит в том, чтобы понять, почему во Вселенной есть вещество (барионы) и почти нет антивещества и почему, с другой стороны, плотность барионов на много порядков меньше плотности фотонов.

Проблема доменных стенок.

       При понижении температуры в расширяющейся Вселенной происходит нарушение симметрии. Однако в разных причинно - несвязанных областях Вселенной нарушение симметрии осуществлялось независимо, и поэтому в каждой из огромного числа таких областей, из которых состояла Вселенная в момент фазового перехода, в результате нарушения симметрии возникают домены с различным знаком скалярного поля, отделяемые друг от друга доменными стенками. Плотность энергии стенок столь велика, что наличие хотя бы одной такой стенки в наблюдаемой части Вселенной привело бы к недопустимым космологическим последствиям. Это означает, что теории со спонтанно нарушенной дискретной симметрией противоречат космологическим данным.

Проблема реликтовых монополей.

       Кроме доменных стенок после фазовых переходов с нарушением симметрии могут образовываться и другие структуры. Наиболее важным эффектом является образование сверхтяжелых магнитных монополей, которые должны в большом количестве рождаться во время фазовых переходов при температуре в ~1014 — ~1015ГэВ практически во всех теориях великого объединения. Аннигиляция монополей идет очень медленно, и к настоящему времени плотность монополей должна была бы быть того же порядка, что и плотность барионов. Однако это привело бы к катастрофическим последствиям, поскольку масса каждого монополя примерно в 1016 раз больше массы протона и, следовательно, плотность вещества во Вселенной примерно на 15 порядков превосходила бы критическую плотность. При такой плотности Вселенная уже давно полностью коллапсировала бы. Проблема реликтовых монополей — это одна из наиболее острых проблем, с которыми столкнулись современные теории элементарных частиц и космология, поскольку она относится практически ко всем единым теориям слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий.

Проблема реликтовых гравитино.

       Одно из наиболее интересных направлений в современной физике элементарных частиц связано с суперсимметрией — симметрией между фермионами и бозонами. Следствием суперсимметричных теорий является рождение гравитино в больших количествах на самых ранних стадиях эволюции Вселенной за счет столкновения частиц высокой энергии, а распадаются они очень медленно. Основная часть таких гравитино должна была бы распасться лишь на поздних стадиях эволюции Вселенной, после синтеза гелия и других легких элементов. Это привело бы к ряду следствий, противоречащих наблюдательным данным. Поэтому встал вопрос, можно ли как-нибудь "спасти" Вселенную от последствии распада гравитино или же мы должны отказаться подоных теорий, а следовательно и от красивого решения проблемы иерархии масс.

Проблема полей Полоньи.

       Эти поля имеют относительно небольшую массу и слабо взаимодействуют с другими полями. Энергия полей Полоньи с расширением Вселенной убывает по тому же закону, что и энергия нерелятивистского вещества, т. е. гораздо медленнее, чем энергия горячей плазмы. Оценки плотности энергии, запасенной в этих полях к настоящему времени, показывают, что в наиболее типичных случаях эта плотность должна была бы примерно на 15 порядков превышать критическую.

Проблема энергии вакуума.

       Появление во всем пространстве постоянного однородного скалярного поля — это просто перестройка вакуума, после которой пространство в некотором смысле остается «пустым»: постоянное скалярное поле не создает связанной с ним выделенной системы отсчета, не мешает движению тел через заполненное им пространство и т. д. Однако при возникновении скалярного поля меняется плотность энергии вакуума. Без учета гравитационных эффектов изменение плотности энергии вакуума ни на чем не сказалось бы. Однако в общей теории относительности от плотности энергии вакуума зависят свойства пространства - времени. Из космологических данных следует, что плотность энергии вакуума в настоящее время никак не должна по абсолютной величине превышать критическую плотность ~ 10-29 г/см3. Это значение было достигнуто после того, как произошла последовательность фазовых переходов с нарушением симметрии. Во время первого фазового перехода плотность энергии вакуума уменьшается примерно на 1080 г/см3. Во время следующего фазового перехода плотность энергии вакуума уменьшается примерно на 1025 г/см3. Наконец, во время фазового перехода с образованием барионов из кварков плотность энергии вакуума понижается еще примерно на 1014 г/см3 и удивительным образом после всех этих огромных скачков становится равной нулю с точностью до -10-29 г/см3! Кажется невероятным, чтобы полное или почти полное обращение плотности энергии вакуума в нуль было случайным и не имело каких-то глубоких физических причин. Проблема энергии вакуума в теориях со спонтанным нарушением симметрии считается сейчас одной из основных проблем, стоящих перед теорией элементарных частиц.

Проблема единственности Вселенной

       Суть этой проблемы наиболее ясно была сформулирована Эйнштейном, который сказал, что «мы хотим не только знать, как устроена природа (и как происходят природные явления), но и по возможности достичь цели, может быть, утопической и дерзкой на вид - узнать, почему природа является именно такой, а не другой». Еще несколько лет назад могло показаться довольно бессмысленным задавать вопросы о том, почему наше пространство - время четырехмерно, почему есть слабые, сильные и электромагнитные взаимодействия, а не какие - нибудь другие, почему постоянная тонкой структуры равна 1/137 и т. д. В последнее время, однако, отношение к такого рода вопросам изменилось, поскольку в единых теориях элементарных частиц зачастую существует много различных решений соответствующих уравнений, которые, в принципе, могли бы описывать нашу Вселенную.

       И вот в 80ых годах прошлого столетия появилась модель раздувающейся Вселенной, которая в той или иной степени снимала вышеперечисленные проблемы.

       Основная идея новой космологии строится на допущении, что начальные моменты расширения Вселенной осуществляются в вакууме. С первого взгляда, такая идея кажется абсурдной, поскольку она находится в противоречии с утверждением о стабильности вакуума. В действительности же, потенциальный барьер не является абсолютным препятствием для просачивания частиц. С точки зрения квантовой механики всегда существует конечная, — хотя как правило, очень малая — вероятность прохождения объекта через потенциальный барьер. Поэтому существуют две возможности. Согласно первой, наиболее вероятной, вследствие неустойчивости вакуума в нем непрерывно возникают возмущения, которые затухают на расстояниях, равных планковской длине.

       Однако существует и вторая, чрезвычайно редкая возможность: возмущение проходит потенциальный барьер. И в этот момент (длящийся примерно 10-35 с) происходит важнейшее событие. Возмущение очень быстро (экспоненциально) развивается в вакууме. Вселенная, даже за очень корокий промежуток времени, равный 10-35 с увеличивается до гигантских размеров, превышающих на много порядков (по некоторым оценкам на миллион) размеры Метагалактики.

Схема квантомеханического потенциального барьера

Схема квантовомеханического потенциального барьера. Кружок символизирует начальное состояние раздувающейся Вселенной. Пунктирная линия показывает стадию раздувания. Крестики соответствуют тем состояниям вакуума, при которых вселенные не образуются

       Всякое состояние в вакууме неустойчиво и через промежуток времени 10-35 с, оно распадается на множество областей, порождающих свои метагалактики. В этот момент происходит и существенное изменение структуры вакуума. Если до возмущения плотность энергии была чрезвычайно велика, то после распада она оказывается очень малой. Во время перехода вакуума из одного состояния в другое осуществляется также и трансформация режима раздувания в фридманский режим.

       Вселенная распадается на множество метагалактик. Совершенно не очевидно, что эти метагалактики должны быть тождественны друг другу. Более того, даже первичные «пузыри» — вселенные — также могут не быть тождественными. Просачивание через потенциальный барьер вследствие начальных флуктуации может осуществляться из разных точек. Поэтому характеристики стадии раздувания, а, следовательно, метагалактик могут быть существенно различными.

       Итак, в соответствии с современными воззрениями естественно допустить, что Метагалактика возникла при распаде Вселенной в конце стадии раздувания одновременно с другими метагалактиками. Праматерией, из которой возникают вселенные, является вакуум. Можно допустить, что вакуум существует вечно в следующем смысле. Сейчас полностью отсутствуют теоретические или, тем более, экспериментальные основания домысливать, что было, когда не было ничего, в том числе и вакуума. По оценкам, следующим из соображений размерности плотность энергии вакуума чрезвычайно велика сравнительно с земными (или галактическими) масштабами. Эта вакуумная энергия зарачивается на расширение Вселенной, а затем Метагалактики. Она расходуется также на образование новых частиц. Естественно, что все эти процессы сопровождаются фазовыми переходами, происходящими в вакууме.

       Надо отметить, что до сих пор рассматривалось рождение Вселенной в результате квантово - механического прохождения возмущения через потенциальный барьер (спонтанное рождение). Нельзя исключить, что в результате распада Вселенной, образуются закрытые метагалактики, которые в конце своего существования, когда сжатие сменит расширение, попадут в вакуум, порождая новые метагалактики и вселенные. Подчеркнем, что следует различать метагалактическое время и время эволюции Вселенной (первое — конечно, второе — бесконечно).

       В целом картина эволюции и структуры Вселенной, может быть весьма схематически и условно представлена так, как показано на рисунке.

Схема эволюции вечно воспроизводящей себя вселенной

       Каждый шарик условно представляет раздувающуюся мини - вселенную. В подавляющей части физического пространства плотность 1094 г/см3. Каждая такая мини-вселенная с плотностью 1094 г/см3 (планковской) порождает новые с подобной же плотностью. Их число невероятно быстро множится. При рождении новых мини-вселенных в них флуктуирует не только плотность вакуума, но и все физические параметры, возможно даже константы и размерность пространства-времени. Согласно этой картине Вселенная вечно воспроизводит сама себя в виде мини-вселенных с начальной плотностью, близкой к планковской, и с самыми разными наборами физических законов и условий. Время от времени инфляция приводит к падению плотности и возникновению горячей Вселенной Фридмана. Если в этой Вселенной физические параметры таковы, что могут возникнуть сложные структуры, то в такой мини-вселенной возможно появление жизни. И если все это так, то в одной из таких редчайших мини-вселенных живем мы.

       Из нарисованной выше картины следует, что у Вселенной в целом нет начала во времени и нет конца. На рисунке картина может быть продолжена неограниченно в прошлое (вниз на рисунке) и в будущее (вверх на рисунке). Не правда ли — более чем странная картина, более чем странная Вселенная! Она весьма неоднородна в большом. Действительно, одни мини-вселенные с огромной плотностью материи, другие с малой, в некоторых из них одни физические законы, в других — другие. Кроме того, Вселенная в целом вечно юная, сама себя воспроизводящая из «вакуумной пены» и поэтому нестареющая. Подавляющая часть объема ее всегда находится в состоянии сверхплотного «кипящего» вакуума. И из этого состояния изредка отпочковываются «пузыри», которые развиваются в системы, подобные «нашей» Вселенной. Таково, возможно, воплощение идеи антропного принципа, требующего, чтобы природа «пыталась создавать» множество вселенных с самыми разными свойствами. В этой модели взрыв Вселенной происходит вечно. Вечно продолжается фейерверк рождения новых миров. Образующиеся вновь мини-вселенные, раздуваясь, быстро теряют возможность обмена сигналами друг с другом, развиваясь изолированно и независимо. Из-за флуктуирующих начальных условий история каждой из них не похожа на историю другой.
Hosted by uCoz
Метагалактика К началу Подробнее Фотогалерея
Переход к метагалактике К началу статьи Дополнительная информация о космологии Фотографии скоплений галактик