Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Грин Брайан

Примерно через 100 миллиардов лет от сегодняшнего дня все галактики, за исключением самых близких, будут угнаны раздувающимся пространством со скоростью больше световой, так что для нас будет невозможно увидеть их вне зависимости от мощности используемых телескопов. Если эти идеи верны, то в далеком будущем вселенная будет безбрежным, пустым и уединенным местом.

Рис 10.6 Линия времени космической эволюции: (а) Инфляционный взрыв, (b) Эволюция по стандартной модели Большого взрыва, (c) Эра ускоренного расширения.

Загадки и прогресс

С этими открытиями, таким образом, кажется, что кусочки космического паззла разложились по местам. Вопросы, остававшиеся без ответа в стандартной теории Большого взрыва, – Что разжигает раздувание пространства

вовне? Почему температура микроволнового фонового излучения так однородна? Почему пространство кажется имеющим плоскую форму? – были переадресованы инфляционной теории. Даже при этих условиях тернистые проблемы относительно фундаментальных первооснов продолжали оставаться: Была ли эра перед инфляционным взрывом, и, если была, на что она была похожа? Что привело поле инфлатона, располагавшееся вне его низкоэнергетической конфигурации, к инициации инфляционного расширения? И самый новый из всех вопросов: почему вселенная, видимо, составлена из такой смеси компонентов – 5 процентов привычная материя, 25 процентов темная материя, 70 процентов темная энергия? Несмотря на безмерно радующий факт, что эта космическая рецептура согласуется с инфляционными предсказаниями, что вселенная должна иметь 100 процентов от критической плотности, и хотя это одновременно объясняет ускоренное расширение, найденное из исследований сверхновых, многие физики рассматривают эту смесь для винегрета как явно непривлекательную. Почему, спрашивают многие, состав вселенной оказался таким сложным? Почему имеется горстка рассогласованных ингредиентов в такой кажущейся хаотичной совокупности? Имеется ли некоторый осмысленный лежащий в основании план, который теоретические исследования еще должны обнаружить?

Никто не выдвинул никаких убедительных ответов на эти вопросы; они находятся среди неотложных научных пробем, двигая текущие космологические исследования, и они призваны напоминать нам о многих запутанных узлах, которые мы все еще должны распутать, прежде чем мы сможем утверждать, что имеется полное понимание рождения вселенной. Но, несмотря на еще остающиеся существенные проблемы, инфляция является далеко продвинутой космологической теорией переднего фронта. Несомненно, доверие физиков к инфляции основывается на достижениях, которые мы так долго обсуждали. Но убежденность в инфляционной космологии имеет корни, которые идут еще глубже. Как мы увидим в следующей главе, большое число других рассмотрений – происходящих как от наблюдательных, так и от теоретических открытий, – убедили многих физиков, кто работает в этой области, что инфляционная схема является самым важным и самым устойчивым вкладом нашего поколения в космологическую науку.

11 Кванты в небе с алмазами

ИНФЛЯЦИЯ, КВАНТОВОЕ ДРОЖАНИЕ И СТРЕЛА ВРЕМЕНИ

Открытие инфляционной схемы запустило новую эру в космологических исследованиях, и за прошедшее десятилетие были написаны многие тысячи статей по этой теме. Ученые рассмотрели буквально каждый уголок и щель в теории, которую вы, вероятно, уже можете представить. В то время как многие из этих работ фокусировались на деталях технического характера, другие шли дальше и показывали, как инфляция не только решает специфические космологические проблемы, недостижимые для стандартной модели Большого взрыва, но также обеспечивает мощные новые подходы к большому числу старых вопросов. Среди них имеются три разработки, – связанные с формированием компактных структур, вроде галактик; количеством энергии, требующимся для рождения вселенной, которую мы видим; и (что имеет первоочередную важность для нашей истории) происхождением стрелы времени, – на которых инфляция привела к значительному и, как говорят многие, впечатляющему прогрессу.

Давайте посмотрим.

Квантовое небесное письмо

Решение проблем горизонта и плоскостности, предложенное инфляционной космологией, было ее первым притязанием на славу, причем справедливым. Как мы видели, это было значительным успехом. Но за прошедшие с тех пор годы многие физики пришли к уверенности, что и другие достижения инфляционной теории разделили высшую позицию в списке самых важных вкладов в теорию.

Достойное похвалы достижение имеет отношение к проблеме, о которой до сего момента я не призывал вас задуматься: Как получается, что во вселенной есть галактики, звезды, планеты и другие массивные тела? В последних трех главах я просил вас сосредоточиться на астрономически больших масштабах – масштабах, на которых вселенная выглядит однородной, масштабах настолько больших, что целые галактики могли бы мыслиться как отдельные молекулы Н₂О, в то время как сама вселенная является полным однородным стаканом воды. Но рано или поздно космология сталкивается с фактом, что когда вы изучаете космос на "более мелких" масштабах, вы открываете массивные структуры, такие как галактики. И здесь еще раз мы сталкиваемся лицом к лицу с загадкой.

Если вселенная на самом деле гладкая, однородная и одинаковая на больших масштабах – свойство, которое подтверждается наблюдением и которое лежит в сердце всего космологического анализа, – то откуда взялась мелкомасштабная комковатость? Непоколебимый адепт стандартной космологии Большого взрыва может еще раз отбросить этот вопрос, ссылаясь на в высшей степени благоприятные и непостижимо тонко настроенные условия в ранней вселенной: "Возле самого начала," – как мог бы сказать этот верующий, – "вещи были в общем и целом гладкими и однородными, но не совершенно однородными. Как условия сложились таким образом, я сказать не

могу. Просто так тогда было. Со временем эти мелкие комковатости росли, поскольку комок имеет более значительное гравитационное притяжение, становясь плотнее, чем их окружение, и, следовательно, захватывая большую часть находящегося рядом материала, становились все больше. В конечном счете комки стали достаточно большими, чтобы сформировать звезды и галактики". Это была бы убедительная история, если бы не имелось два недостатка: полное отсутствие объяснения как полной начальной гомогенности, так и этих важных мелких неоднородностей. В этом моменте инфляционная космология обеспечивает радующий прогресс. Мы уже видели, что инфляция предлагает объяснение крупномасштабной однородности и, как мы сейчас узнаем, объяснительная мощь теории идет еще дальше. Замечательно, что в соответствии с инфляционной космологией начальная неоднородность, которая в конечном счете привела к формированию звезд и галактик, возникает из квантовой механики.

Эта внушительная идея возникает из взаимодействия между двумя кажущимися несопоставимыми областями физики: инфляционным расширением пространства и квантовым принципом неопределенности. Принцип неопределенности говорит нам, что всегда имеются компромиссы в том, насколько точно могут быть определены различные соответственные физические свойства в космосе. Наиболее привычный пример (см. Главу 4) заключается в следующем: чем более точно определено положение частицы, тем менее точно может быть определена ее скорость. Но принцип неопределенности также применим и к полям. По сути по тем же причинам, которые мы использовали в его применении к частицам, принцип неопределенности предполагает, что чем более точно определена величина поля в данном месте в пространстве, тем менее точно может быть определен темп изменения поля в этом месте. (Положение частицы и темп изменения ее положения – ее скорость – играют в квантовой механике роль, аналогичную величине поля и темпу изменения величины поля в данном месте в пространстве).

Я хочу обобщить принцип неопределенности, сказав, что, грубо говоря, квантовая механика делает вещи дрожащими и турбулентными. Если скорость частицы не может быть описана с абсолютной точностью, мы также не можем описать, где частица будет располагаться даже через долю секунды, поскольку скорость сейчас определяет положение потом. В известном смысле частица свободна иметь ту или эту скорость или, более точно, принять смесь многих скоростей, а потому она неистово скачет, бессистемно двигаясь по тому или иному пути. Для полей ситуация аналогичная. Если темп изменения поля не может быть определен с абсолютной точностью, тогда мы также не можем определить, какая величина поля будет в любом месте даже мгновением позже. В известном смысле поле колеблется вверх или вниз с той или иной скоростью или, более точно, оно принимает странную смесь многих различных темпов изменения, а потому его величина будет подвергаться бешеному, смазанному, хаотичному дрожанию.

В повседневной жизни мы напрямую не осведомлены о скачках как частиц, так и полей, поскольку они имеют место на субатомных масштабах. Но именно тут инфляция оказывает большое воздействие. Внезапный взрыв инфляционного расширения, растянул пространство на такой гигантский фактор, что то, что изначально относилось к микроскопическим размерам, вырастает до макроскопических. В качестве ключевого примера пионеры [1] инфляционной космологии обнаружили, что хаотические различия между квантовыми дрожаниями в данном месте пространства и в другом могли бы генерировать небольшие неоднородности в микроскопической реальности; вследствие беспорядочного квантового перемешивания количество энергии в одном месте могло бы на йоту отличаться от количества в другом. Тогда через последующее инфляционное раздувание пространства эти ничтожные вариации могли бы быть растянуты до масштабов, намного больших, чем квантовая область, давая малое количество комковатости, почти как тонкие волнистые линии, нарисованные на воздушном шаре фломастером, свободно растягиваются по поверхности шара, когда вы его надуваете. В этом, уверены физики, заключается происхождение комковатости, которую непоколебимые последователи стандартной модели Большого взрыва просто декларируют без оправдания, мол, "так тогда было". Через гигантское растягивание неизбежных квантовых флуктуаций инфляционная космология обеспечивает объяснение: инфляционное расширение растягивает мелкие неоднородные квантовые дрожания и свободно размазывает их по небу.

1. Среди лидеров в ранние 1980е в определении того, как квантовые флуктуации должны давать неоднородности, были Стивен Хокинг, Алексей Старобинский, Алан Гут, Со-Юнг Пи, Джеймс Бардин, Пол Стейнхардт, Майкл Тернер, Вячеслав Михайлов и Геннадий Чибисов.

В течение нескольких миллиардов лет, прошедших с окончания краткой инфляционной фазы, эти мельчайшие комки продолжили расти через гравитационное слипание. Точно так же, как в картине стандартного Большого взрыва, комки имеют немного более сильное гравитационное притяжение, чем их окружение, так что они стягивают находящийся рядом материал, вырастая все больше. Со временем комки выросли достаточно большими, чтобы дать материю для формирования галактик и звезд, населяющих галактики. Определенно, имеется большое число детальных этапов на пути от маленького комка к галактике, и многие все еще требуют объяснения. Но в квантовом мире, который пережил инфляционное расширение, такая неоднородность могла быть растянута из микромира до намного больших масштабов, обеспечив семена для формирования больших астрофизических тел вроде галактик.