Что такое инфляционная модель Вселенной

Инфляционная теория, или инфляционная модель Вселенной, объединяет идеи из квантовой физики и физики частиц для исследования ранних моментов Вселенной сразу после Большого взрыва. Согласно ей Вселенная образовалась в очень нестабильном состоянии, спровоцировавшем ее быстрое расширение в самые первые мгновения. Одним из последствий этого расширения стало то, что Вселенная намного больше, чем предполагалось изначально, и простирается она куда дальше, чем могут заглянуть наши телескопы. Кроме того, эта теория предсказывает некоторые свойства, которые не объяснены в рамках теории Большого взрыва, — как, например, равномерное распределение энергии и плоская геометрия пространства-времени.

Теория инфляционной Вселенной разработана физиком Аланом Гутом в 1980 году. Сегодня она считается общепринятой частью теории Большого взрыва, даже несмотря на то, что центральные идеи последнего устоялись намного раньше, чем была сформулирована инфляционная теория.

Теория Большого взрыва на протяжении многих лет показывала себя весьма успешно — в частности, учитывая то, что она была подтверждена посредством открытия реликтового излучения (микроволнового фона). Однако, несмотря на большой успех этой теории в объяснении большинства аспектов, наблюдаемых во Вселенной, оставались три проблемы:

– Проблема гомогенности, или почему Вселенная была настолько равномерной спустя всего секунду после Большого взрыва;

– Проблема плоскостности;

– Предсказанное перепроизводство магнитных монополей.

Модель Большого взрыва вроде как предсказывала искривленную Вселенную, в которой энергия распределялась неравномерно и в которой было множество магнитных монополей. Однако ничто из этого не соответствовало данным.

Физик Алан Гут впервые узнал о проблеме плоскостности на лекции Роберта Дика в Корнеллском университете в 1978-м. В последующие годы Гут применял к сложившейся ситуации концепции из физики частиц и разработал инфляционную модель ранней Вселенной.

Двадцать третьего января 1980 года Гут представил полученные данные на лекции в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Его революционная идея заключалась в том, что принципы квантовой физики из самого сердца физики частиц можно применить к ранним моментам возникновения Большого взрыва. По его данным, Вселенная должна была обладать высокой плотностью энергии. В соответствии с термодинамикой, плотность Вселенной должна была заставить ее расширяться с невероятной скоростью.

По сути, согласно новой на тот момент модели, Вселенная должна была возникнуть в «ложном вакууме» и в отсутствие механизма Хиггса (другими словами, бозон Хиггса не существовал). Она должна была пройти через процесс переохлаждения в поисках стабильного низкоэнергетического состояния («истинного вакуума», в котором работает механизм Хиггса) — и именно это запустило период быстрого расширения.

Насколько быстрого? Как гласит модель, Вселенная увеличивалась вдвое каждые 10^-35 секунд. Таким образом, в первые 10^-30 секунд после Большого взрыва она бы успела удвоиться в размерах 100 тысяч раз, а этого более чем достаточно, чтобы объяснить проблему плоскостности. Даже если у Вселенной была некая кривизна в самом начале, такая степень расширения привела бы к тому, что сегодня все выглядело бы плоским. (Заметьте, размера Земли достаточно, чтобы она выглядела для нас плоской, хотя мы знаем, что поверхность, на которой мы стоим, изогнута и образует сферический объект.)

К тому же энергия распределена настолько равномерно из-за того, что в самом начале мы были очень маленькой частью Вселенной, которая расширилась настолько быстро, что даже если там и были значительные неравномерности в распределении энергии, они были бы слишком далеко от нас, чтобы мы могли их заметить или ощутить. Это, в свою очередь, служит решением проблемы гомогенности.

Как утверждает сам Алан Гут, проблемой теории было то, что, как только инфляция запустилась, ей пришлось бы продолжаться бесконечно. Ученые не видели намеков на какой-то отчетливый механизм «отключения» этого процесса.

Кроме того, если пространство постоянно расширялось с такой скоростью, то ранее высказанная Сидни Коулманом идея не сработала бы. Коулман предсказал, что при фазовых переходах в ранней Вселенной образовывались маленькие пузыри, которые объединялись друг с другом. При наличии инфляции пузыри отдалялись бы друг от друга слишком быстро, не успевая объединиться.

На эту проблему обратил внимание советский физик Андрей Линде. Он изучил ее и выяснил, что существует иная интерпретация, предоставляющая решение этой проблемы. В то же время — это были все еще 1980-е годы — по другую сторону железного занавеса Андреас Альбрехт и Пол Стейнхардт самостоятельно пришли к похожему решению.

Все дело в том, что в изначальной модели Гута допускалось возникновение более одной инфляционной области, которые, в свою очередь, могли сталкиваться. В таком случае получался беспорядочный космос, в котором излучение и вещество обладают неоднородной плотностью. Это совсем не соответствовало тому, что наблюдалось в реальности. Линде, Альбрехт и Стейнхардт изменили уравнение скалярного поля — и все обрело смысл. Согласно этому решению, наша наблюдаемая Вселенная произошла из одного вакуумного пузыря, который отделился от других инфляционных областей пространства. Речь идет о невообразимо — по всем меркам — огромных расстояниях.

У инфляционной теории есть несколько названий. Например, космологическая инфляция, космическая инфляция, инфляция, старая инфляция (так называют оригинальную версию теории Алана Гута), новая инфляционная теория (модель, разработанная Линде, Альбрехтом и Стейнхардтом).

Также есть два близких варианта теории: хаотическая теория инфляции и вечная инфляция. В этих теориях механизм инфляции не просто случился однажды — сразу после Большого взрыва, — а происходит снова и снова в разных регионах пространства. Эти модели предполагают быстрорастущее число «пузырьковых вселенных», являющихся частью Мультиверса, или Мультивселенной. Некоторые физики отмечают, что эти предсказания присутствуют во всех версиях инфляционной модели Вселенной, и поэтому не считают их разными теориями.

Источник