Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
Шрифт:
Так дела обстояли до пророческой ночи в декабре 1979, когда Алан Гут, преддокторский стипендиат физики, работавший в Стэнфордском Линейном Ускорительном Центре (сейчас он профессор Массачусетского технологического института), показал, что мы можем сделать лучше. Намного лучше. Хотя имелись неясные детали, которые сегодня, более чем через два десятилетия уже разрешены полностью, Гут сделал открытие, что окончательно все заполнившее космологическое безмолвие было следствием Большого взрыва со Взрывом, который был больше, чем кто-либо мог ожидать.
Гут не имел подготовки космолога. Его специальность была физика частиц, и в конце 1970х вместе с Генри Туи из Корнельского университета он изучал различные аспекты Хиггсовых полей в теориях великого объединения. Вспомним из обсуждения последней главы о спонтанном нарушении симметрии, что Хиггсово поле дает вклад в минимально возможную энергию, которая может быть в области пространства, когда величина поля выпадает к особому ненулевому значению (величина которого зависит от детальной формы чаши его потенциальной энергии). В ранней вселенной, когда температура была экстраординарно высока, мы обсуждали, как величина Хиггсова поля дико флуктуировала от одного значения к другому, как лягушка в горячей металлической чаше, чьи ноги опалялись, но когда вселенная остывала, Хиггсы скатились в чашу к величине, которая минимизировала их энергию.
Гут и Туи изучали причины, по которым Хиггсово поле может быть задержано на пути к достижению наименьшей энергетической конфигурации (к выемке в чаше на Рис.9.1с). Если мы применим аналогию с лягушкой к вопросу, который задавали Гут и Туи, он будет таким: что если так уж случится, что лягушка в одном из своих ранних прыжков, когда чаша начала охлаждаться, приземлится на центральном плато? И что если, когда чаша продолжит охлаждаться, лягушка зависнет на центральном плато (неторопливо поедая червей), вместо того, чтобы сползти вниз в выемку
Гут и Туи заинтересовались этой возможностью, поскольку их расчеты наводили на мысль, что это может иметь отношение к проблеме (проблема магнитного монополя [8] ), с которой исследователи столкнулись в ходе различных попыток великого объединения. Но Гут и Туи осознали, что тут может быть иное следствие и, ретроспективно, именно поэтому их работа оказалась стержневой. Они предположили, что энергия, связанная с переохлажденным Хиггсовым полем, – вспомним, что высота поля на чаше представляет его энергию, так что поле имеет нулевую энергию только если его величина лежит в выемке чаши, – может влиять на расширение вселенной. В начале декабря 1979 Гут проследовал за этим подозрением, и вот что он нашел.
8. Обычные магниты всегда имеют как северный, так и южный полюса. В отличие от этого, теории великого объединения предполагают, что могут иметься частицы, которые подобны чистому северному или чистому южному магнитным полюсам. Такие частицы называются монополями и они могли бы иметь большое влияние на стандартную космологию Большого взрыва. Они никогда не наблюдались.
Хиггсово поле, которое удержалось на плато, не только наполняет пространство энергией, но, что критически важно, Гут осознал, что оно дает вклад в однородное отрицательное давление. Фактически он нашел, что раз уж энергия и давление связаны, Хиггсово поле, которое удержалось на плато, имеет те же самые свойства, как и космологическая константа: оно пропитывает пространство энергией и отрицательным давлением, и в точности в тех пропорциях, как и у космологической константы. Так Гут открыл, что переохлажденное Хиггсово поле важным образом влияет на расширение пространства: подобно космологической константе оно оказывает отталкивательное гравитационное воздействие, которое подвигает пространство к расширению. [9]
9. Гут и Туе обнаружили, что переохлажденное Хиггсово поле будет действовать как космологическая константа, открытие, которое было сделано ранее Мартинусом Вельтманом и другими. Фактически, Туе говорил мне, что был ограниченный лимит страниц в Physical Review Letters, журнале, в который они с Гутом послали свою статью, и они не уместили в заключительные утверждения ничего о том, что их модель должна вызывать период экспоненциального расширения. Но Туе также заметил, что это было достижение Гута в осознании важности космологических последствий периода экспоненциального расширения (что будет обсуждаться позже в этой и следующей главе), и, следовательно, в помещении инфляции во фронт и в центр космологической карты.
Во временами извилистой истории открытия русский физик Алексей Старобинский нашел несколькими годами ранее другой способ генерирования того, что мы сейчас называем инфляционным расширением, работа была описана в статье, которая не была широко известна среди западных ученых. Однако, Старобинский не подчеркнул, что период такого быстрого расширения мог бы решить ключевые космологические проблемы (такие как проблемы горизонта и плоскостности, что будет коротко обсуждено), что объясняет частично, почему его работа не вызвала отклика энтузиазма, который получил Гут. В 1981 японский физик Катсушико Сато также разработала версию инфляционной космологии, а даже раньше (в 1978) русские физики Геннадий Чибисов и Андрей Линде случайно обнаружили идею инфляции, но они нашли, – когда исследовали детально, – что она допускает разновидность важной проблемы (обсуждающейся в комментарии 11), и потому не стали публиковать свой труд.
Склонный к математике читатель должен заметить, что нетрудно увидеть, как возникает ускоренное расширение. Одно из уравнений Эйнштейна есть (d2a/dt2)/a = –4G/3(+3p), где а, и p есть масштабный фактор вселенной (ее "размер"), плотность энергии и плотность давления, соответственно. Заметим, что если правая сторона этого уравнения положительна, масштабный фактор будет расти с возрастающим темпом: темп роста вселенной будет ускоряться со временем. Для Хиггсова поля, восседающего на плато, его плотность давления оказывается равной отрицательной величине его плотности энергии (то же самое справедливо для космологической константы), так что правая сторона в самом деле положительна.
В этот момент, поскольку вы уже свыклись с отрицательным давлением и оттталкивательной гравитацией, вы можете подумать: Ну хорошо, это прекрасно, что Гут нашел особый физический механизм для реализации идеи Эйнштейна о космологической константе, ну и что? Что это за великое дело? Концепция космологической константы давно уже отброшена. Ее введение в физику было ничем иным, как замешательством Эйнштейна. Почему переоткрытие чего-то, что дискредитировало себя более шести десятилетий назад, вызывает такое возбуждение?
Инфляция
А вот почему. Хотя переохлажденное Хиггсово поле обладает определенными свойствами космологической константы, Гут понял, что они не полностью идентичны. Напротив, имеются два ключевых различия – различия, которые делают различным все.
(а) (b)
Рис 10.1 (а) Переохлажденное Хиггсово поле это поле, чья величина захвачена на высокоэнергетическом плато энергетической чаши, как лягушка на выпуклости, (b) Типичный случай, когда переохлажденное Хиггсово поле быстро найдет свой путь долой с плато и скатится к величине с меньшей энергией, как лягушка, спрыгнувшая с выпуклости.
Первое, в то время как космологическая константа является константой, – она не меняется со временем, так что она обеспечивает постоянное, неизменное отталкивание наружу, – переохлажденное Хиггсово поле не обязано быть константой. Подумаем о лягушке, усевшейся на выпуклость на Рис. 10.1а. Она может болтаться там некоторое время, но рано или поздно хаотический прыжок тем или иным образом – прыжок, вызванный не тем, что чаша горячая (она уже остыла), а скорее тем, что лягушка неугомонная, – столкнет лягушку с выпуклости, после чего она сползет вниз к низшей точке чаши, как показано на Рис. 10.1b. Хиггсово поле может вести себя аналогично. Его величина по всему пространству может завязнуть на центральной выпуклости его энергетической чаши, в то время как температура упадет слишком низко, чтобы вызвать существенное термическое перемешивание. Но квантовые процессы внесут хаотические скачки в величину Хиггсова поля, и достаточно большой скачок сбросит его с плато, позволив его энергии и давлению релаксировать к нулю. [10] Расчеты Гута показали, что в зависимости от точной формы выпуклости чаши этот скачок может произойти быстро, возможно, в течение такого же короткого времени, как 10–35 секунды. Впоследствии Андрей Линде, тогда работавший в Физическом институте Лебедева в Москве, и Пол Стейнхардт, тогда работавший со своим студентом Андреасом Альбрехтом в Университете Пенсильвании, открыли, что путь для релаксации Хиггсова поля к нулевой энергии и давлению во всем пространстве происходил даже более рационально и существенно более однородно (при этом разрешив некоторые технические проблемы, свойственные оригинальному предложению Гута [11] ). Они показали, что если чаша потенциальной энергии была более гладкая и более полого наклоненная, как на Рис. 10.2, квантовые прыжки могут не быть обязательными: величина Хиггсова поля быстро скатилась бы в выемку, что весьма похоже на мяч, скатывающийся с холма. Результат таков, что если Хиггсово поле действует подобно космологической константе, оно делает это только в течение
10. Физика, лежащая в основании этих квантовых скачков, есть принцип неопределенности, затронутый в Главе 4. Я буду явно обсуждать применение квантовой неопределенности к полям в Главах 11 и 12, но, чтобы предварить этот материал, коротко отмечу следующее. Величина поля в данной точке пространства и темп изменения величины поля в этой точке играют ту же роль для полей, как положение и скорость (импульс) играют роль для частицы. Таким образом, точно так же, как мы не можем когда-либо знать сразу определенное положение и определенную скорость частицы, поле не может иметь определенную величину и определенный темп изменения этой величины в любой данной точке пространства. Чем более определена величина поля в данный момент, тем более неопределен темп изменения этой величины – это означает, тем более вероятно, что величина поля изменится моментом позже. А такое изменение, индуцированное квантовой неопределенностью, это то, что я имел в виду, когда ссылался на квантовые скачки величины поля.
11. Вклад Линде и Альбрехта со Стейнхардом абсолютно решающий, поскольку оригинальная модель Гута – сейчас называемая старой инфляцией – страдала фатальным пороком. Вспомним, что переохлажденное Хиггсово поле (или в терминологии, которую мы вводим, поле инфлатона) имеет величину, которая восседает на выпуклости его энергетической чаши однородно во всем пространстве. Так что, когда я описывал, как быстро переохлажденное поле инфлатона могло бы спрыгнуть к низшей величине энергии, вы могли бы спросить, будет ли этот квантово-индуцированный прыжок происходить везде в пространстве в одно и то же время. А ответ такой, что не будет. Вместо этого, как утверждал Гут, релаксация поля инфлатона к нулевой величине энергии имеет место через процесс, названный пузырьковым зародышеобразованием: инфлатон падает к своей нулевой величине энергии в одной точке пространства, и тут пробуждается распространяющийся вовне пузырек,чьи стенки двигаются со скоростью света, в котором инфлатон падает к нулевой величине энергии с прохождением через стенку пузырька. Гут вообразил, что много таких пузырьков с хаотически расположенными центрами в конце концов соберутся воедино, чтобы дать вселенную с нулевой энергией поля инфлатона везде. Проблема, однако, как Гут сам осознал, в том, что окружающее пузырьки пространство все еще заполнено полем инфлатона с ненулевой энергией, так что такие области будут продолжать подвергаться быстрому инфляционному расширению, растаскивая пузырьки друг от друга. Поэтому тут нет гарантии, что растущие пузырьки найдут друг друга и соединятся в большой, однородный пространственный простор. Более того, Гут утверждал, что энергия поля инфлатона не теряется, когда оно релаксирует к нулевой энергии, а конвертируется в обычные частицы материи и радиации, населяющие вселенную. Чтобы довести модель до соответствия с наблюдениями, однако, эта конверсия должна была бы давать однородное распределение материи и энергии по всему пространству. В механизме, который предложил Гут, эта конверсия должна была бы происходить через столкновения стенок пузырьков, но расчеты – проведенные Гутом и Эриком Вайнбергом из Колумбийского университета, а также Стивеном Хокингом, Ианом Моссом и Джоном Стюардом из Кембриджского Университета – обнаружили, что итоговое распределение материи и энергии было бы не однородным. Таким образом, оригинальная инфляционная модель Гута привела к существенным проблемам в деталях.
Прозрение Линде и Альбрехта со Стейнхардом – теперь называемое новой инфляцией – урегулировало эти досадные проблемы. Через замену формы чаши потенциальной энергии на ту, что на Рис. 10.2, эти исследователи обнаружили, что инфлатон мог бы релаксировать к своей нулевой величине энергии "скатываясь" с энергетического холма во впадину, постепенный и изящный процесс, который не требует квантовых прыжков, как предлагалось первоначально. И, как показали их расчеты, это слегка более постепенное скатывание с холма успешно пролонгирует инфляционное раздувание пространства, так что один отдельный пузырек легко вырастает достаточно большим, чтобы заключить в себе целую наблюдаемую вселенную. Таким образом, в этом подходе не требуется беспокоиться об объединении пузырьков. Что имеет равную важность, вместо конверсии энергии поля инфлатона в обычные частицы и радиацию при столкновениях пузырьков в новом подходе инфлатон постепенно завершает эту конверсию энергии однородно через все пространство через процесс подобный трению: когда поле скатывается с энергетического холма – однородно по пространству – оно передает свою энергию зацепляясь (взаимодействуя с) за более привычные поля частиц и излучения. Новая инфляция, таким образом, сохраняет все успехи подхода Гута, но оказывается способной уладить существенные проблемы, с которыми тот столкнулся.
Примерно через год после важного прогресса, предложенного новой инфляцией, Андрей Линде совершил другой прорыв. Чтобы новая инфляция успешно возникла, должно одновременно встать на свои места большое количество ключевых элементов: чаша потенциальной энергии должна иметь правильную форму, величина поля инфлатона должна начинаться с высокого положения в чаше (и, слегка более формально, сама величина поля инфлатона должна быть однородна в достаточно большой пространственной области). Наряду с тем, что для вселенной возможно достижение таких условий, Линде нашел способ генерации инфляционного взрыва при более простом, намного менее изощренном наборе условий. Линде осознал, что даже при простой чаше потенциальной энергии, такой как на Рис. 9.1а, и даже без точного расположения начальной величины поля инфлатона инфляция все еще может легко иметь место. Идея такова. Представьте, что в очень ранней вселенной вещи были "хаотическими" – например, представьте, что имелось поле инфлатона, чья величина хаотически скакала от одной величины к другой. В некоторых местах в пространстве его величина могла быть малой, в других местах его величина была средней, а еще в других местах в пространстве его величина могла быть высокой. Теперь, в местах, где величина поля была малой или средней ничего особенно достойного внимания не происходило. Но Линде осознал, что нечто фантастически интересное могло бы иметь место в областях, где полю инфлатона случилось достичь высокой величины (даже если область была мельчайшей, не более 10–33 сантиметра в поперечнике). Когда величина поля инфлатона высока, – когда она находится в вышине энергетической чаши на Рис. 9.1а, – устанавливается разновидность космического трения: величина поля пытается скатиться с холма к более низкой потенциальной энергии, но ее высокая величина дает вклад в тормозящую силу сопротивления, так что она скатывается очень медленно. Таким образом, величина поля инфлатона должна была быть возле постоянной величины и (почти как инфлатон на вершине холма потенциальной энергии в новой инфляции) должна была давать вклад в почти постоянную энергию и почти постоянное отрицательное давление. А нам теперь очень привычно, что это условия, требуемые чтобы двигать взрыв инфляционного расширения. Таким образом, не привлекая особо специальной энергетической чаши и не устанавливая поле инфлатона в специальную конфигурацию, хаотическое окружение ранней вселенной могло бы легко вызвать инфляционное расширение. Не удивительно, Линде назвал этот подход хаотической инфляцией. Многие физики рассматривают его как наиболее убедительное осуществление инфляционной парадигмы.
Рис 10.2 Более гладкая и более полого спадающая выпуклость позволяет величине Хиггсова поля скатиться вниз в выемку нулевой энергии более легко и более однородно во всем пространстве.
Второе отличие заключается в том, что, в то время как Эйнштейн осторожно и произвольно выбрал величину космологической константы, – количество энергии и отрицательное давление, которое она вносит в каждый объем пространства, – так что ее отталкивающая вовне сила должна была в точности компенсировать притягивающую вовнутрь силу, возникающую от обычной материи и излучения в космосе, Гут смог оценить вклад в энергию и отрицательное давление от Хиггсовых полей, которые они с Туи изучали. И ответ, который он нашел, был более чем в 10100 раз больше, чем выбранная Эйнштейном величина. Эта величина, очевидно, огромна, так что отталкивание вовне, обеспечиваемое отталкивательной гравитацией Хиггсова поля, монументально по сравнению с тем, что Эйнштейн исходно представлял с космологической константой.
Теперь, если мы объединим эти два наблюдения, – что Хиггсово поле будет находиться на плато в высокоэнергичном состоянии с отрицательным давлением только кратчайший момент, и что, пока оно находится на плато, генерируемое им отталкивание наружу будет гигантским, – то что мы получим? Ну, как осознал Гут, мы получим феноменальный короткоживущий направленный вовне взрыв. Другими словами, мы получим в точности то, чего избегает теория Большого взрыва: взрыв и при этом большой. Это то, почему открытие Гута так воодушевляет. [12]
12. Те, кто близко знаком с историей предмета, осознают, что возбуждение по поводу открытия Гута было сгенерировано его решениями ключевых космологических проблем, таких как проблемы горизонта и плоскостности, как мы коротко описываем.