© "Семь искусств"
  июль 2017 года

Борис Штерн: Прорыв за край мира

В то время, когда работа Гута по инфляции была у всех на слуху, Андрей рассказал про некоторые свои соображения по этому поводу. Это было в фиановской столовой. Как сейчас помню — ели борщ.

Борис Штерн

Прорыв за край мира

(продолжение. Начало в №4/2017 и сл.)

Часть III. Прорыв

 В этой части мы описываем теорию космологической инфляции, или раздувающейся вселенной, которая ответила на фундаментальные вопросы и парадоксы, касающиеся Большого взрыва, и находит все новые подтверждения.

19. Откуда взялась Вселенная

 Выше описаны детали картины, которая впоследствии получила имя «космологическая инфляция». Эти детали оставалось только собрать воедино, для того, чтобы выявилось нечто очень важное, произошедшее в самом Начале. Напомним, Большой взрыв давно стал такой же очевидностью, как шарообразность Земли. Однако, теория Большого взрыва имела одну очень смутную сторону: начальные условия. Они привели к удивительной однородности в причинно не связанных областях, гигантскому размеру, плоской геометрии и обеспечили громадное содержимое. Начальные условия выступили тем ковром, под который приходилось заметать основные проблемы космологии. Причем казалось, что вопрос о начальных условиях будет в терминах науки решен не скоро, что это вопрос для философов, или, прости Господи, теологов.

Оказалось, что этот проклятый вопрос решается той же силой Природы, что придала Земле шарообразную форму: гравитацией. Только не в ее тяготеющей ипостаси, а в отталкивающей.

 Это был, конечно, прорыв. Возьмем на себя смелость назвать его второй космологической революцией, которая произошла в начале 80-х годов в несколько стадий, которые мы осветим, придерживаясь хронологической последовательности.

Исторически первый достаточно проработанный вариант механизма инфляции предложил Алексей Старобинский в 1980 году. В основе механизма лежала модификация уравнений Эйнштейна — такая, что сказывается только при огромной кривизне пространства-времени. Модификация заключалась в добавлении члена, пропорционального квадрату кривизны пространства-времени. Основания для такой модификации были почерпнуты из квантовой теории поля. Это напоминает эффект Казимира, в котором металлические пластины «деформируют» нулевые колебания электромагнитного поля в вакууме. В модели Старобинского нулевые колебания вакуумных полей «деформируются» большой кривизной четырехмерного пространства-времени. При этом энергия вакуума не уменьшается, как в эффекте Казимира, а увеличивается, причем очень сильно. Это в точности соответствует возникновению скалярного поля, которое дает гравитационное расталкивание пространства. Тот же эффект, с другой стороны, эквивалентен действию лямбда-члена Эйнштейна, только в данном случае он не постоянен, а становится ничтожным, когда ускоренное расширение Вселенной прекратилось.

Алексей Старобинский

Алексей Старобинский (фото из Википедии)

Ретроспективный анализ, показал, что модель Старобинского эквивалентна более поздней и наиболее реалистичной модели инфляции с сильным полем (сценарий медленного скатывания). К сожалению, в момент появления эта работа не вызвала должного резонанса. Назывались разные причины, например, изоляция советских ученых в те времена. Однако, статья была опубликована в хорошем международном журнале и впоследствии неплохо цитировалась. Более того, в свете новых данных по реликтовому излучению, модель Старобинского, дополненная работой В. Муханова и Г.Чибисова (см. ниже) вышла в число фаворитов. Сейчас, когда опубликованы окончательные данные космического микроволнового телескопа WMAP и когда они проанализированы вместе со всей совокупностью разнообразных данных, добытых разными инструментами, видно, что эта модель легче многих других вписывается в полную картину.

Наконец, работа Старобинского завоевала заслуженную популярность. Осознавал ли сам Алексей все значение своей работы? Действительно, в статье не говорится, что этот механизм позволяет решить главные проблемы космологии. Впрочем, лучше мы об этом спросим его самого ближе к концу книги.

Именно это утверждение, что инфляция решает основные парадоксы, совершенно явно и с напором сделал Алан Гут (Alan Guth), опубликовавший позже в том же году статью с другим механизмом космологической инфляции. Именно эта статья привела к появлению новой парадигмы. Возможно даже не столько статья, сколько интенсивная пропагандистская кампания, которую вел Гут, выступая на десятках конференций и семинаров по всему миру, убеждая и вдалбливая.

Алан Гут (фото из Википедии)

Алан Гут (фото из Википедии)

Научные работники зачастую опасаются докладывать свои результаты, пока они не опубликованы, дескать, украдут. Как правило, это не слишком опытные ученые. Конечно, бывает, что и крадут, но редко —намного чаще не замечают или игнорируют. Особенно, когда работа открывает направление перпендикулярное мейнстриму, если она находится вне сферы интересов основных действующих лиц данной области науки. В этом случае упорное продвижение новых результатов в круг внимания научной общественности — такая же неотъемлемая часть работы, как и написание статьи. Алан Гут хорошо справился с этой частью работы. Вот сценарий Алана Гута:

Существует скалярное поле Φ, с потенциалом, где есть метастабильное и основное состояния. Это, например, может быть аналог поля Хиггса, но с гораздо более высокой плотностью энергии, такое поле может отвечать за нарушение симметрии, связанной с великим объединением. Мы этого поля не «щупали», и никогда не сможем этого сделать напрямую. Скалярное поле можно обнаружить, возбудив его — родив частицу поля, что и произошло недавно с полем Хиггса. В данном же случае частица поля Φ имеет такую массу, что о перспективах ее рождения на ускорителях можно забыть. Однако, есть достаточно сильные аргументы за то, что такое поле должно существовать. Например, теория Великого объединения, в которой энергетический масштаб этого поля, т.е. характерный потенциал V1 неплохо экстраполируется из физики доступных нам масштабов: видно, что он лишь на два — три порядка ниже планковской энергии.

Потенциал поля-инфлатона в сценарии Алана Гута. Разные кривые соответствуют разным температурам.

Потенциал поля-инфлатона в сценарии Алана Гута. Разные кривые соответствуют разным температурам.

Сценарий Гута начинается с очень плотного и очень горячего зародыша Вселенной. Откуда этот зародыш взялся — отдельный вопрос, многократно обсуждавшийся. Например, микровселенная может появиться как результат редкой (но не безнадежно редкой) квантовой флуктуации. Важно, чтобы зародыш расширялся (по закону Фридмана) и чтобы все поля были в термодинамическом равновесии. Характерное время первой стадии сценария — 10-37 или 10-36 секунды, за это время зародыш расширился и остыл до 1016 ГэВ. Это важный момент, поскольку при такой температуре плотность энергии поля Φ становится сравнимой с плотностью энергии частиц, а у эффективного потенциала поля появляется новый минимум, как показано на рис 18.2. Это момент фазового перехода.

Но переход поля в новый минимум задерживается — происходит переохлаждение, подобное тому, что может происходить при замерзании воды. Поле Φ «успокаивается», оставаясь в локальном минимуме Φ1 — именно в том, где величина поля равно нулю, а потенциал V1 огромен. Это метастабильное состояние также известно как «ложный вакуум». Согласно остроумной формулировке Андрея Линде — «тяжелое ничто» (heavy nothing). По мере остывания плотность энергии статического поля все больше начинает перевешивать тепловую плотность энергии. А давление у постоянного и однородного скалярного поля, напомним, отрицательное. И в какой то момент суммарное давление в зародыше вселенной меняет знак — становится отрицательным. Вселенная переохлаждается —  скалярное поле застревает в локальном минимуме, в метастабильном состоянии. По мере охлаждения давление идет все дальше в минус и, наконец, пересекает критическую черту -1/3 ε.

Как только это происходит, знак самотяготения вселенной меняется. До этого гравитация стремилась замедлить скорость расширения пузырька, теперь она начинает его раздувать. Размер вселенной начинает расти, кривизна уменьшается. А скалярное поле никуда не девается — оно по-прежнему занимает весь объем, лишь становится однородней. Получается тот же самый закон роста, что у размножения нейтронов при ядерном взрыве, или бактерий в идеальных условиях —  экспоненциальное расширение. Каждый равный промежуток времени, типа 10-37 секунды, размер вселенной удваивается, а кривизна уменьшается в два раза. И это продолжается довольно долго —  пока поле Φ остается в минимуме  Φ1 могут пройти многие десятки или сотни времен удвоения размеров Вселенной. За это время из микроскопического зародыша вселенная становится гигантской, ее пространство совершенно плоским — евклидовым.

При этом скорость удаления любых двух точек друг от друга быстро становится выше скорости света. Это ничему не противоречит — точки попадают в причинно не связанные области пространства, никакая информация от одной точки к другой не может быть передана в принципе. Ограничение на относительную скорость движения тел в специальной теории относительности —  локальный принцип. Он глобален в стационарной вселенной, но не в расширяющейся. Возможно, причинная связь теряется не навсегда —  когда-нибудь при более медленном расширении вселенной она восстановится, но на стадии экспоненциального раздувания любой объем быстро «рассыпается» на гигантское количество ничего не знающих друг о друге областей. Но важно то, что эти причинно не связанные области имеют общее происхождение —  они помнят общие условия с которых стартовали.

Наконец, скажем, через 10-35 секунды метастабильное поле «вскипает», выделяя свою энергию в частицы. Как это происходит? В сценарии Гута поле в отдельных местах туннелирует через потенциальный барьер в основное состояние  Φ0. При этом образуются растущие пузырьки новой фазы — истинного вакуума. Пузырьки сталкиваются, ложный вакуум «выгорает» передавая свою энергию частицам. Вселенная снова разогревается, давление меняет знак —  становится положительным. Экспоненциальное расширение заканчивается.

Дальше все снова происходит по сценарию Фридмана, только вселенная уже имеет гигантские размеры и почти нулевую кривизну. Она продолжает расширяться с замедлением, и еще вырастет на много порядков, испытав в самом начале ряд других метаморфоз. При этом ей гарантировано практически вечное, а может быть и просто вечное существование.

Таков сценарий возникновения нашей Вселенной с помощью механизма космологической инфляции, который первым получил широкую известность. В этом сценарии, однако, есть один неправильный эпизод. О нем скажем ниже. Очень часто достижения, менявшие представления о мире, содержали в себе неправильные элементы: Колумб думал, что открыл периферию Индии, Коперник считал орбиты планет круговыми, Хаббл ошибся в определении своей постоянной более чем в пять раз. Гут предложил сценарий рождения Вселенной, который в данном конкретном виде работать не мог, но который ухватывал суть. Поэтому прежде чем перейти к последующим более правильным сценариям, мы перечислим важнейшие вещи, зафиксированные и четко изложенные Гутом в основополагающей статье.

Вернемся к фундаментальным вопросам, перечисленным в начале главы III.

  1. Почему Вселенная так велика и сбалансирована (близка к плоской) с невероятной точностью?

 —  Потому, что инфляция раздула ее на десятки порядков, сделав кривизну Вселенной ничтожной. Напомним, согласно уравнениям Фридмана динамику расширения Вселенной определяет отношение кривизны трехмерного пространства к постоянной Хаббла (мы можем сравнивать величины разных размерностей, выразив их в планковских единицах или в данном случае, помножив кривизну на скорость света). Это отношение, Ωk, могло быть порядка единицы до начала инфляции. В процессе инфляции кривизна уменьшилась на много порядков, а постоянная Хаббла не изменилась. Вселенная стала плоской с огромной точностью — это и есть та «точность броска», которая обеспечила огромное время расширения с замедлением до ничтожной скорости в отдаленном будущем. Если Вселенная раздулась, например на 100 порядков, то после инфляции  Ωk ~ 10-100. Можно говорить в терминах средней плотности Вселенной —  ее отличие от критической как раз и определятся параметром  Ωk, то есть инфляция автоматически обеспечивает точнейший баланс между скоростью расширения и плотностью: настолько точный, что он будет сохранятся неопределенно долгое время.

  1. Почему Вселенная столь однородна, хотя ее наблюдаемые области не были причинно связаны в первые мгновения? Что так согласовало параметры Большого взрыва в причинно не связанных областях?

— Все наблюдаемые части Вселенной составляли одну причинно-связанную область до начала инфляции. Эта связь была потеряна, но общее прошлое, а вместе с ним и общее скалярное поле остались. Поле, практически не меняясь, раздулось вместе с пространством, и к окончанию инфляции было повсюду одинаковым. Выгорание однородного поля дало однородные условия в областях, потерявших причинную связь.

  1. Почему во Вселенной так много частиц (порядка 1090 только в ее видимой части)? Другими словами — откуда у Вселенной такая большая энтропия?

 —  Частицы образовались в результате распада скалярного поля, которого стало очень много —  при расширении вселенной заполняющее ее поле, в отличие от газа частиц, не меняет своей плотности —  остается тождественным себе самому. Т.е суммарная энергия поля на инфляционной стадии росла экспоненциально. Вся эта энергия перешла в частицы. При дальнейшем расширении Вселенной число частиц в сопутствующем объеме оставалось примерно одинаковым. Причем, никакого нарушения закона сохранения энергии не было: в каждый момент отрицательная гравитационная энергия связи вселенной равна по абсолютной величине энергии скалярного поля (а потом и энергии частиц). Так что все содержимое огромной Вселенной получено как бы «бесплатно».

Этим вселенная, как целое, отличается от любого объекта внутри нее: в ней глобально не действует принцип сохранения материи — все, что есть во вселенной, образовалось практически из ничего, вопреки классикам естествознания, начиная с древних греков, утверждавших невозможность подобного. Необъятное содержимое Вселенной перед нами. А то, что оно получено ценой абстрактной отрицательной энергией связи, не портит впечатления от грандиозного процесса творения всего из ничего.

  1. Что дало начальный толчок расширению Вселенной?

 —  Сценарий космологической инфляции как раз и есть описание этого начального толчка.

Пока оставляем в стороне четвертый вопрос — почему физика Вселенной оказалась как будто специально подогнанной под существование человека? На этот вопрос будет дан ответ ниже, когда речь пойдет о следующих стадиях развития теории.

Теперь о неправильности этого замечательного сценария. Она заключается в его конечной стадии — в выходе из режима инфляции. Гут предположил, что поле переходит в новое состояние с нулевой энергией путем туннельного перехода в разных точках —  образуются пузырьки новой фазы, которые потом растут и объединяются. Оказывается, не объединяются! На самом деле, пузырьки удаляются друг от друга продолжающейся инфляцией гораздо быстрее, чем они растут —  расстояние между ними увеличивается экспоненциально и никакого темпа рождения новых пузырьков не хватит, чтобы победить эту экспоненту.

Если вернуться к исходным предположениям — неправильной оказалась форма потенциала, точнее барьер между двумя минимумами. Но как выяснилось, никакой барьер и не нужен —  без него все работает лучше и проще.

20. Все даже еще проще

 Где-то году в 1982 в столовой ФИАН произошел разговор, который хорошо запомнился Игорю Ткачеву. Рассказ об этом разговоре, заслуживает того, чтобы передать его полностью.

Игорь Ткачев о давнем разговоре с Андреем Линде

В то время, когда работа Гута по инфляции была у всех на слуху, Андрей рассказал про некоторые свои соображения по этому поводу. Это было в фиановской столовой. Как сейчас помню — ели борщ.

В сценарии Гута инфляция заканчивается, когда поле туннелирует через потенциальный барьер. Он считал, что туннелирование происходит сразу из локального минимума в основной, как на верхнем рисунке. Для оценки вероятности он использовал так называемое тонкостенное приближение. В его сценарии образовывалось много пузырей новой фазы, которые сталкивались и объединялись в горячую однородную вселенную.

Андрей сказал, что это большой вопрос — куда туннелирует поле. А если потенциал устроен так, что второго минимума нет и кривая уходит вообще вниз? Что тогда —  туннельный переход произойдет в минус бесконечность? Да нет, конечно! То, куда оно перейдет, надо считать, и тонкостенное приближение здесь не годится. Потенциал после туннельного перехода не может стать выше из-за закона сохранения энергии. Ниже —  может, но не сильно ниже —  вероятность этого очень мала: под барьером наберется больший отрицательный интеграл действия, который идет в экспоненту, когда считаешь вероятность.

Игорь Ткачев иллюстрирует варианты туннельного перехода инфлатона — как это предполагалось в работе Гута (вверху), и как это должно происходить на самом деле (внизу). Снимок автора.

Игорь Ткачев иллюстрирует варианты туннельного перехода инфлатона — как это предполагалось в работе Гута (вверху), и как это должно происходить на самом деле (внизу). Снимок автора.

Андрей честно посчитал, куда с наибольшей вероятностью попадает поле после туннельного перехода, причем считать пришлось на компьютере — это не так просто. Оказалось, поле туннелирует немного ниже минимума на склон, как на нижнем рисунке. И здесь, на склоне, его значение велико —  не намного ниже, чем в локальном минимуме. Андрей посчитал, что происходит после этого —  тут считать даже легче. Оказалось, что инфляция отнюдь не заканчивается. Поле продолжает раздувать пространство и успевает раздуть его на много порядков, пока не сползет вниз по склону.

 Из этого следовали важнейшие вещи — сценарий Гута неверен в своем конце: пузыри новой фазы, протуннелировавшие через барьер, не успевают объединиться, перемешаться и разогреться, дав однородную горячую вселенную —  они разносятся на огромные расстояния. И второе следствие — не нужно изобретать хитрые потенциалы с барьером. Инфляция может работать и без них. Это очень серьезные следствия, и Андрей, еще не очень доверяя своим результатам, стремился обсудить их с возможно большим кругом коллег, чтобы получить уверенность и поддержку, прежде чем публиковать статью.

———————————-

 Итак, потенциальный барьер был призван задержать скалярное поле в локальном минимуме, чтобы оно успело раздуть Вселенную прежде, чем упадет в основное состояние. Но, оказывается, поле и без барьера может застрять вблизи своего первоначального значения. Для этого нужно, чтобы расширение было быстрым, а потенциал поля —  пологим. На языке хорошо знакомых явлений, быстрое расширение играет роль вязкого трения, а наклон потенциала V(Φ) аналогичен наклону поверхности, по которой катится шарик. Есть разные возможности сконструировать скалярное поле. Вариант, предложенный взамен сценария Гута Андреем Линде и одновременно Альбрехтом и Стейнхардтом — потенциал с плоской вершиной при нулевом поле и минимумом в стороне, как изображено на рисунке.

Потенциал инфлатона в модели «новой инфляции»

Потенциал инфлатона в модели «новой инфляции»

Вход в стадию инфляции, как и в сценарии Гута — термодинамический: горячая протовселенная расширяется и адиабатически охлаждается. Если в начале поле находится в термодинамическом равновесии при высокой температуре, оно должно сесть в нуль. Это довольно общее свойство систем —  находиться при высокой температуре в наиболее симметричном состоянии (на самом деле изображенный потенциал похож на донышко бутылки в комплексных координатах, и ноль является центром симметрии). При расширении зародыша вселенной опять происходит переохлаждение, и инфляция начинается точно так же, как изложено выше. И точно также вселенная успевает раздуться на десятки порядков величины, пока поле, преодолевая вязкое трение, катится вниз с «пологой горки».

 Разница в том, что в этом сценарии поле, не встречая никаких барьеров, в конце концов «целиком» сваливается в минимум. Потенциальная энергия поля превращается сначала в энергию его колебаний, а в конечном счете передается рождаемым частицам. Наступает новое термодинамическое равновесие, дальше все идет по хорошо знакомому закону Фридмана, хотя впереди остается еще много нетривиальных событий.

Этот вариант выхода из инфляции пережил придирчивую проверку многими авторами — он действительно работает при достаточно общих предположениях.

Как в исходном сценарии Гута, так и в новом сценарии (он так и называется: «новая инфляция») остается один этап, который для свого объяснения требует

слегка напрячься: как протовселенная добралась до старта инфляции. Она должна была достаточно расшириться и остыть, чтобы скалярное поле с отрицательным давлением перевесило энергию частиц и переменных полей. Дистанция от планковского состояния до начала раздувания относительно невелика, и проблема его преодоления несравненно проще, чем создание огромной Вселенной без механизма инфляции. И все же зазор в три порядка по температуре и интервал в миллион планковских времен требуется преодолеть (он именно таков, если механизм приводится в действие полем масштаба великого объединения).

Вероятно, для описания этого скачка можно было бы использовать что-то вроде квантомеханического описания подбарьерного туннелирования (распад ядер и т.п.). Можно было бы, если бы существовала наука под названием «квантовая гравитация». Увы, до применения квантовой механики к подобным задачам еще далеко. Но по крайней мере концепция туннельного перехода дает подходящую метафору, позволяющую легко смириться с проблемой доинфляционной стадии.

21. … И еще проще

Следующий важный шаг сделал Андрей Линде уже без других претендентов на приоритет. На самом деле все может быть еще проще — инфляция может произойти без всяких хитростей типа специального потенциала с плоским максимумом в нуле и без термодинамического равновесия с переохлаждением. Возьмем произвольное поле с естественным чашеобразным потенциалом.

Андрей Линде, 1989 г. Фото из архива А. Линде

Предположим, что вблизи планковского состояния, образовался фрагмент пространства-времени, заполненного скалярным полем. «Вблизи» означает удаление от планковских условий, достаточное для того, чтобы фрагмент мог рассматриваться в рамках классической теории. Пусть поле будет достаточно однородным, а вклад горячей материи —  незначительным. Тогда давление в нем может оказаться отрицательным, удовлетворяющим условию инфляции: p < — 1/3 ε.

Схема потенциала в концепции хаотической инфляции: поле находится на склоне потенциала, но скатывается настолько медленно, что пространство успевает раздуться на десятки порядков.

Схема потенциала в концепции хаотической инфляции: поле находится на склоне потенциала, но скатывается настолько медленно, что пространство успевает раздуться на десятки порядков.

Примет ли эта инфляция «вселенский» масштаб (т.е. раздует пространство на много порядков) или тут же прекратится? Это зависит от того насколько полог склон потенциала и насколько быстро пошло раздувание. Напомним — скорость раздувания (постоянная Хаббла) играет роль вязкого трения. Для большой скорости раздувания требуется большое отрицательное давление, значит и большая плотность энергии, она же —  потенциал поля (V(Φ) на картинке и ε в формуле совпадают, если поле однородно и постоянно). А для пологости склона ось Х должна быть длинной, то есть величина Φ должна быть большой. Величина поля имеет размерность массы, и необходимое значение оказывается больше массы Планка. Ничего страшного, величина поля — достаточно абстрактная величина, главное, чтобы значение потенциала было ниже планковского масштаба —  тогда есть классическое пространство-время, с которым можно работать. Еще важно, чтобы поле было достаточно однородным в некоторой области пространства в несколько раз превышающей размеры горизонта.

Так вот, если «чаша» потенциала достаточно широка и если Природа пробует любые стартовые условия, то она обязательно попробует и те, что перечислены выше. И тут уже возврата нет — готова гигантская вселенная. И не только… Но об этом «не только» — ниже.

Из-за того, что для запуска механизма достаточно подходящей комбинации из разнообразного множества случайных начальных условий, Андрей Линде назвал этот сценарий «хаотической инфляцией». Только надо помнить, что термин «хаотический» относится лишь к старту. В дальнейшем все происходит как и в предыдущем варианте — вполне регулярно и с предсказуемым исходом.

Большое преимущество этого сценария — не требуется ни термодинамического равновесия, ни фазового перехода, предшествующих инфляции. В сценариях Гута и «новой инфляции» цепочка событий выглядела следующим образом: горячая вселенная — переохлаждение — инфляция — горячая вселенная. В случае с хаотической инфляцией первые две стадии, каковые безусловно являются обузой, отпадают. Не надо больше объяснять, как установилось доинфляционное термодинамическое равновесие (далеко не очевидно, что это возможно), не нужен весьма специфический вид потенциала и т.п.

Пожалуй, хаотическая инфляция и есть общепринятая ныне концепция зарождения Вселенной, точнее, ее часть.

22. Почва под ногами

 В этой точке, прежде чем продолжать рассказ, стоит остановиться и задаться вопросом: а не потеряна ли у нас почва под ногами? Мы заглянули в такие дикие масштабы Природы, которые не возможно ни представить, ни воспроизвести — откуда у нас может быть уверенность, что наши методы познания работают и там. Не является ли все вышеизложенное лишь буйной фантазией теоретиков, которую невозможно хоть как-то сопоставить с опытом.

Про сопоставление с опытом речь пойдет ниже, а сейчас попробуем понять статус теории на уровне общих соображений.

Во-первых, в науке уже есть немало примеров, когда теория, экстраполированная из земных лабораторий на недосягаемые масштабы, получала фактическое подтверждение. Пример из области космологии — первичный нуклеосинтез. Модель горячей Вселенной описывает, как в первые секунды и минуты от Большого взрыва менялась температура и плотность. Зная из земных экспериментов, как протекают ядерные реакции, можно вычислить, сколько каких элементов синтезировалось из протонов и нейтронов в ранней Вселенной. Вычислили. Потом определили состав межгалактических облаков газа по линиям поглощения в спектрах далеких квазаров. Все совпало. Это довольно старый результат, есть гораздо более эффектные примеры того, как теоретики предсказывали явления на совершенно запредельных масштабах, что потом блестяще подтверждалось наблюдениями. Об одном таком случае рассказано ниже.

Во-вторых, теория, на основе которой построен изложенный выше сценарий, очень жесткая и никаких безудержных фантазий не допускает. Посмотрим, как выглядит космологическая инфляция с точки зрения критерия фальсифицируемости Поппера. Согласно Попперу только та теория может претендовать на звание научной, которая может быть опровергнута. Напомним, что первый получивший широкую известность вариант инфляции Гута был тут же опровергнут из-за теоретической несостоятельности.

А как насчет экспериментальной фальсифицируемости? Очень просто. Например, если какую-то часть темной материи составляют черные дыры планковской массы или какие-то другие экзотические вещи, скажем, космические струны и т.п., которые могли образоваться только ДО инфляции. Во время инфляции и тем более после нее инфляции они образоваться не могут, поскольку требуют для своего образования очень больших возмущений метрики, близких к планковским по своей амплитуде. А плотность энергии при инфляции недостаточна для возникновения таких возмущений. Если подобнее объекты будут обнаружены, то теорию инфляции можно считать отвергнутой. По данной теории вся «околопланковская» экзотика разнесена на гигантские расстояния, так что плотность доинфляционных образований на десятки порядков меньше плотности обычного вещества. Если это не так — инфляции быть не могло.

Теория инфляции могла бы быть поставлена под сомнение, если бы оказалось, что сумма плотностей всех видов энергии во Вселенной существенно отличается от критической. В теории инфляции такое могло получиться только случайно с весьма малой вероятностью.

Это к вопросу об эмпирической фальсифицируемости теории космологической инфляции. Ниже, в интервью с Вячеславом Мухановым перечислены другие жесткие критерии, невыполнение которых означало бы, что теория инфляции должна быть отвергнута. Она пока все их успешно проходит.

Еще один аргумент в пользу теории, на сей раз «эстетический»: концепция инфляции проста, красива и эффективна. Эффективна в том плане, что, исходя из очень простых предположений, объясняет сразу несколько фундаментальных парадоксов происхождения Вселенной.

Такая теория обязана работать! Правда, никогда нельзя окончательно отрицать, что могут быть и другие теории, которые еще более обязаны работать. Об этом мы поговорим в конце книги.

Как насчет верифицируемости, или по-русски, проверяемости?

Что касается эмпирических подтверждений — они пока косвенные, но их несколько и вместе они весьма убедительны. Подтверждения заключаются в том, что все предсказания теории инфляции, которые удалось проверить, выполняются. Мы вернемся к ним ниже, а сейчас только один факт: космологическая инфляция (правда намного более медленная) идет прямо сейчас, и это факт, твердо установленный с помощью наблюдений.

23. Инфляция здесь и сейчас

Где-то с 80-х годов стало возникать подозрение, что с расширением Вселенной по классическому закону Фридмана что-то не так. Выше в интервью Владимира Лукаша уже упомянуто, что в 70-х Ганн и Кинсли опубликовали данные, говорящие в пользу того, что Вселенная расширяется с ускорением. Тогда это казалось нонсенсом и не могло быть принято всерьез. Однако, в 90-х, когда теория космологической инфляции была широко признана, об ускоренном расширении современной Вселенной некоторые космологи стали поговаривать как о реальной возможности. Одна из причин — измерения постоянной Хаббла все уверенней давали высокие значения, диктовавшие слишком маленький возраст Вселенной, если бы она расширялась с замедлением. Постепенно ускоренное расширение Вселенной превращалось из экзотической гипотезы в рабочий сценарий, стали появляться работы с аргументами в его пользу.

Наконец, в 1998 году вышли статьи двух групп с одинаковым выводом: данные по далеким сверхновым свидетельствуют об ускоренном расширении Вселенной. Первая статья (Адам Рисс и др.) опубликована Группой поиска сверхновых с большим z (High z Supernova Search Team). Вторая (Саул Перлмуттер и др.) — группой Проекта космологии сверхновых (Supernova Cosmology Project). Обе группы охотились за очень далекими сверхновыми типа Ia.

Почему именно этот тип? Потому, что такие сверхновые — лучшая стандартная свеча огромной яркости, видимая с космологических расстояний. По своей природе Ia — белый карлик, постепенно набиравший массу за счет перетекания вещества с соседней звезды. Белый карлик очень прост и предсказуем: он держится против огромной силы тяготения за счет давления ферми-газа электронов (это эффект из области квантовой механики —  электроны не дают звезде сколлапсировать по той же причине, по которой электроны атома не падают на ядро). Однако у массы белого карлика есть четкий предел имени Чандрасекара, выше которого давление электронного ферми-газа не способно удержать тяготение. Как только белый карлик набирает вес до этого предела, он взрывается. Взрыв при этом грандиозен и, главное, стандартен как по яркости, так и по кривой блеска —  взрываются одинаковые по массе и по устройству объекты. Небольшая разница может быть связана с химическим составом (важно число электронов на единицу массы, разное для водорода и, например, железа), но эта зависимость калибруется по форме кривых блеска. Далекие сверхновые важны потому, что яркость только тех объектов, которые находятся на космологических расстояниях, чувствительна к разным вариантам кинематики Вселенной.

На рисунке — диаграмма Хаббла для далеких и близких сверхновых, опубликованная в статье Группы поиска далеких сверхновых. Сверху —  диаграмма Хаббла, как она есть, снизу —  отнормированная на «нулевую гипотезу». В качестве последней авторы приняли плотность материи (обычной и темной) 0.2 от критической (ΩM = 0.2), как показывали в то время данные наблюдений, и предположение, что больше во Вселенной ничего нет.

Диаграмма Хаббла для сверхновых Ia из статьи A. Reiss et al.,

Диаграмма Хаббла для сверхновых Ia из статьи A. Reiss et al.,

 По горизонтальной оси — красное смещение. По вертикальной оси —  звездная величина сверхновой за вычетом ее абсолютной звездной величины. На общедоступном языке это означает 2.5 log(L10/L), где L10 — светимость данного объекта, как он наблюдался бы с десяти парсек, L — светимость, наблюдаемая с Земли. Чем выше точка, тем ниже наблюдаемая светимость. Линии соответствуют разным космологическим параметрам (см текст). На нижней панели —  та же диаграмма, отнормированная на теоретическую зависимость для ΩM = 0.2, ΩL = 0.

Мы видим, что разные модели Вселенной согласуются с данными по-разному. Эффект вроде бы небольшой. Точки для далеких сверхновых отклоняются вверх от нулевой гипотезы в среднем всего лишь на величину стандартной ошибки. Но поскольку точек много, и все отклоняются вверх, факт отклонения оказывается статистически значимым. Отклонение вверх в данных координатах означает меньшую яркость (примерно на 20 — 30 процентов). Значит сверхновые дальше, чем предсказывает нулевая модель. Значит, расширение происходило дольше и немного по другому закону. Чтобы свести концы с концами требуется расширение с ускорением. Чтобы расширение шло с ускорением, у Вселенной должно быть уравнение состояния с отрицательными давлением, как это изложено в главе 13: p < — 1/3 ε. Значит содержимое Вселенной не ограничивается обычной и темной материей, значит в ней также есть совсем другая субстанция. Ее назвали «темной энергией». Вклад в темной энергии состав Вселенной обозначается как ΩΛ — по ассоциации с Λ-членом Эйнштейна.

Очень скоро вышла статья Прелмуттера с соавторами, где число далеких сверхновых на диаграмме Хаббла было уже около 30, и они свидетельствовали об ускоренном расширении Вселенной уверенней. Но часть космологической общественности медлила с признанием этого факта. Например, списывали наблюдаемое отклонение на эволюционный эффект, дескать, раньше химический состав белых карликов был другим. Но сомнения продолжались недолго.

В том же 1998 году (и еще несколько раз позднее) в Антарктиде был проведен эксперимент BOOMERanG (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics). Аэростат с микроволновым телескопом был запущен на волю циркулярных ветров «Полярной воронки» и за две недели подобно бумерангу (в чем был второй смысл аббревиатуры) описал круг на высоте около 40 км. Он наблюдал лишь небольшую часть неба, зато с хорошим угловым разрешением. Результат был поразительным. На угловом спектре неоднородностей реликтового излучения проявился четкий пик под названием «акустическй». О том, что это такое подробно рассказано в главах 30 и 31. Вскоре открытие было подтверждено экспериментом MAXIMA с меньшим охватом неба, но с лучшим угловым разрешением.

BOOMERanG перед запуском. На заднем плане — вулкан Эребус. (Википедия)

BOOMERanG перед запуском. На заднем плане — вулкан Эребус. (Википедия)

Положение акустического пика четко свидетельствовало: наша Вселенная трехмерно-плоская или евклидова, другими словами. Это значит, что сумма плотностей энергии всех субстанций во Вселенной точно равна критической. В то же время измерения масс скоплений галактик по разбросу скоростей уверенно давали значения средней плотности Вселенной заметно меньше критической —  не более 30%. Этот предел включал всю материю, подверженную гравитационной неустойчивости —  обычную и темную. И если мы видим, что плотность энергии обычной материи вместе с темной не выше 0.3 от критической, значит, по меньшей мере еще недостающие 0.7 должны содержаться совсем в другой субстанции, давление которой должно быть отрицательным, иначе вообще концы с концами не сходятся. Потом последовали новые подтверждения из измерений крупномасштабной структуры Вселенной, из данных космических микроволновых телескопов. Сейчас ускоренное расширение Вселенной —  столь же твердо установленный факт, как и то, что Земля имеет форму эллипсоида.

Что из себя может представлять темная энергия, составляющая около 70% содержимого Вселенной? Первый возможный ответ — это вакуум с ненулевой плотностью энергии. Почему она могла оказаться ненулевой? Во-первых потому, что, как уже обсуждалось выше, вообще непонятно почему энергия вакуума близка к нулю —  она может быть любой из-за огромных нулевых колебаний полей дающих вклад разного знака. Во-вторых, пространство может быть заполнено неким скалярным полем, находящимся в стационарном состоянии —  в минимуме потенциала, который, тем не менее, отличен от нуля. Эти два случая различаются лишь терминологически. В обоих случаях имеем уравнение состояния p = -e, и определенный прогноз: Вселенная всегда будет расширяться экспоненциально, если только вдруг вакуум не окажется метастабильным и не перепрыгнет в более низкое состояние. Тогда будет катастрофа. В обоих случаях, перефразируя выражение Андрея Линде, мы имеем дело с «легким ничто», плотностью 10-29 г/см3.

Второй вариант — темная энергия, это скалярное поле, находящееся не в минимуме, а на склоне своего потенциала. Тогда оно постепенно меняется, находясь в режиме медленного скатывания. В этом случае давление находится где-то в интервале между -1/3  и — e. Такой вариант темной энергии называется «квинтэссенция». Это уже «легкое нечто», у квинтэссеции есть выделенная система отсчета и определенная динамика. В принципе параметр w в уравнении состояния темной энергии, p = — w e, поддается измерению — квинтэссенцию можно отличить от вакуума. Это дело обозримого будущего.

Как бы там ни было, благодаря открытию темной энергии теория инфляции получила новую опору. Пусть это уже не та инфляция, а на много порядков более медленная — принцип тот же. Между прочим, темная энергия, как и инфлатон, раздувавший Вселенную перед Большим взрывом, тоже из области невообразимо далеких от нас масштабов, но далеких в другую сторону: низкая энергия, низкая плотность. Как поле, раздувшее вселенную в первые мгновения ее существования, так и темная энергия связаны с новой физикой —  мы ничего не знаем ни про первое, ни про второе напрямую из лабораторных экспериментов. Но если масштаб взаимодействий, ответственных за раннее раздувание, возможно, просматривается вдали, как результат экстраполяции экспериментальных данных, то уровень темной энергии не связан с нашей физикой никак, по крайней мере, не видно, как он может быть связан. Таким образом, явление, наблюдаемое нами воочию, более загадочно, чем ранняя инфляция. И вместе с тем оно явно демонстрирует, что найденный «на бумаге» механизм, призванный объяснить происхождение Вселенной, прекрасно работает прямо сейчас, не важно, что с другими параметрами и другим результатом. Кстати, насчет результата современного раздувания. Никто не может исключить, что когда-нибудь, раздув нашу Вселенную на много порядков, скажем через триллион лет, это «слабенькое» скалярное поле тоже «выгорит», породив совершенно новый мир из частиц ничтожной массы, образующих связанные структуры огромного размера на основе взаимодействий, неизвестных нам из-за своей слабости. Интересно, что скопления галактик никуда не денутся и в ту эпоху. Как уже предположено в главе 1, кое-где и тогда будут происходить рецидивы массового образования звезд. И разумные жители тех планетных систем никак не ощутят, что Вселенная перешла в новую фазу жизни —  слишком эфемерными для их инструментов будут эти новые структуры. Но в них будет заключаться основное содержимое будущей Вселенной. Это только предположение, но отнюдь не бессмысленное.

(продолжение следует)

Борис Штерн: Прорыв за край мира: 5 комментариев

  1. Ася Крамер

    Все-таки, я ещё раз повторю: эта книга — не для Портала. Во первых, потому что — книга, это не публицистический жанр. Во-вторых, не адаптирована.

  2. Марк Зайцев

    Не согласен с Асей Крамер, статья очень интересная и познавательная. Даже пропуская формулы, из рассказа можно понять драматургию современной астрофизики. Как представляется ученым Вселенная, как идет открытие новых представлений о макромире. Статья не адаптирована для детей, чтение требует сосредоточенности, но зато результат оправдывает труд — прикасаешься к настоящей науке.

  3. М.Тартаковский

    Следствие немыслимо без причины
    и
    из ничего не может возникнуть нечто.
    Нынешние гипотезы (именуемые теориями) Большого взрыва противоречат этим постулатам логики.

  4. Б.Тененбаум

    В кои веки могу (частично) согласиться с А.Крамер — прочесть-то этот материал я прочел, но ровно ничего не понял. Написано для специалистов, которых в данном случае по определению очень немного. Конечно, аудитория Портала широка, и, надо думать, найдется кто-нибудь, кто прокомментирует данную публикацию со знанием дела? Но среднего читателя это все оставляет за бортом …

  5. М.Тартаковский

    Тененбаум: «Среднего читателя это все оставляет за бортом …»
    Вспоминается, как этот спец в тандеме с почившим в бозе матроскиным доказывали, что при ядерных реакциях вещество не исчезает, а «испаряется в виде пыли».

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *