Гонка за Нобелем - Брайан Китинг

Захватывающая мысль Гута состояла в соединении двух, казалось бы, не связанных между собой областей физики: физики конденсированного состояния и физики элементарных частиц. Он утверждал, что в самой ранней Вселенной существовал необычный феномен — поле. При определенных свойствах этого поля Вселенная могла за доли секунды расшириться от микроскопического до мегаскопического масштаба, став при этом плоской, а потом породить крошечные флуктуации, чтобы в один прекрасный день навести Алана Гута на мысль об инфляционной Вселенной. Но чтобы понять, что такое инфляция, сначала нам нужно выяснить, что такое поле.

Поле — это математический инструмент, описывающий, как физическая величина, скажем температура, меняется в разных точках пространства. Например, температура воздуха в помещении — это поле: набор чисел, которые меняются в зависимости от положения — немного ниже у окна и выше рядом с обогревателем. Такие поля, которые представляют собой простой набор чисел, соответствующих конкретным точкам в пространстве, называются скалярными полями.

Гут математически показал[21], что если в ранней Вселенной сразу после ее рождения присутствовало особое скалярное поле с определенными свойствами, то потом могли произойти поистине фантастические вещи. Он окрестил это первичное скалярное поле инфлатонным полем, или просто инфлатоном. Откуда взялось это инфлатонное поле, Гут так и не смог объяснить. Но, по его словам, это было не так важно.

Если инфлатонное поле существовало с самого начала, пока Вселенная расширялась и охлаждалась, в нем тоже должны были происходить заметные изменения. Представим себе цилиндр, наполненный газом, который можно сделать сжатым или разреженным с помощью поршня, как показано на рис. 33. Если бы вы внезапно увеличили объем цилиндра, то плотность и температура газа соответственно уменьшились бы. Точно так же, если выдвинуть поршень достаточно быстро и сильно, температура газа снизится настолько, что газ конденсируется в жидкость, т. е., как говорят физики, претерпит фазовый переход.

У Гута цилиндр — это Вселенная, вместо газа в цилиндре инфлатонное поле, а рука, вытягивающая поршень, играет роль «посредника». Хотя наша Вселенная экспоненциально расширилась по неизвестным причинам, тем не менее заполняющее ее инфлатонное поле претерпевало фазовый переход. Но поскольку в реальности ничто не бывает идеальным, фазовый переход инфлатона не может быть одинаковым во всех точках Вселенной. Например, в нашем опыте с цилиндром, наполненным обычным газом, если расширение произойдет очень быстро, внутри жидкого конденсата могут остаться области газообразной фазы — в виде пузырьков газа.

Аристотель утверждал: «Natura ablwrret vacuum» («Природа не терпит пустоты»). Как и бо́льшая часть сказанного Аристотелем о физике, это неверно. Для физиков вакуум означает отсутствие материи и энергии. В отличие от Природы, Гут полюбил такую пустоту. Его инфлатонное поле требовало особого типа вакуума, известного как ложный вакуум — ложный не потому, что его не существует, а потому, что это не истинный вакуум.

Истинный вакуум — это состояние, в котором система имеет наименьшее из возможных количество энергии. Если взять шар, скатывающийся по склону, то подножие будет тем местом, где шар достигнет низшего уровня гравитационной энергии (рис. 34). Это и есть состояние истинного вакуума. Однако, если шар попадет в углубление где-то посреди склона, он может пребывать в этом месте в состоянии покоя, но не будет находиться в состоянии наименьшей энергии, которое для него возможно. Такое состояние, когда гравитационная потенциальная энергия шара соответствует «локальному», а не глобальному минимуму, называется ложным вакуумом.

Чтобы понять первый вариант инфляционной модели, предложенный Гутом, рассмотрим цилиндр, наполненный материей, которая находится одновременно в двух разных состояниях: жидкая вода, а в ней пузырьки воздуха. Вода в жидкой фазе стабильна, но имеет более высокую энергию и плотность, чем воздушные пузырьки, находящиеся в состоянии истинного вакуума. Эти пузырьки движутся в жидкости случайным образом и время от времени сталкиваются, что приводит к высвобождению накопленной в их стенках энергии.

Гут предположил, что вся наблюдаемая нами Вселенная некогда могла быть отдельной «областью» инфлатонного поля в фазе ложного вакуума (в нашем примере это пузырящаяся жидкость в цилиндре). По мере движения времени формировались пузырьки истинного вакуума. То, что пузырьки находились в состоянии истинного вакуума, означает, что плотность и давление внутри них были абсолютно одинаковыми. Это имело важные последствия для дальнейшей эволюции Вселенной, позволяя преодолеть проблемы плоскостности и горизонта, присущие модели Большого взрыва.

Между тем бо́льшая часть предынфляционной Вселенной — жидкость в цилиндре в состоянии ложного вакуума — экспоненциально увеличивалась в размерах. Когда пузырьки истинного вакуума сталкивались и сливались, высвобождаемая при этом энергия превращалась в материю (согласно уравнению Эйнштейна E = mc2).

Во Вселенной Гута Большой взрыв — своего рода кипящий космический котел. Неважно, каким образом жидкость оказалась в цилиндре: «Инфляционный сценарий начинается с того, что одна из областей Вселенной каким-то образом оказывается в состоянии ложного вакуума. Механизм, посредством которого это происходит, никак не влияет на ее последующую эволюцию»{9}.

В модели Гута наша область Вселенной началась с небольшого пространства — размером, возможно, меньше электрона. Пока исходная область находилась в состоянии ложного вакуума, она расширялась. Если это расширение продолжалось хотя бы одну триллионную триллионной триллионной доли секунды, Вселенная за это время успела раздуться до макроскопических размеров.

Крошечные размеры исходной области объясняли ее однородность: там просто не было места для каких-либо вариаций. Тем самым разрешались проблемы однородности и горизонта. Вся наша Вселенная — вернее, та область, которую мы называем нашей Вселенной, — была маленькой частью некоего первичного ложного вакуума. Когда инфляция расширила эту область до размера наблюдаемой Вселенной, она также увеличила радиус кривизны космического пространства. Это можно сравнить с надуванием огромного воздушного шара: находящемуся на его поверхности муравью видимая ему область будет казаться плоской, как на рис. 31.

Таким образом была решена еще одна проблема модели Большого взрыва — проблема плоскостности. Без инфляции Вселенная должна была «родиться» почти идеально плоской с кривизной, отличающейся от нуля не более чем на 1/1060 (60-я степень означает единицу с 60 нолями за ней) — в самом деле, чрезвычайно тонкая настройка. С инфляцией изначальная кривизна могла быть любой, в том числе близкой к нулю, как это предполагала модель Леметра, поскольку к моменту измерения она все равно казалась бы нам совершенно плоской.