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

Грин Брайан

Это основная идея, так что можно свободно перепрыгнуть к следующей секции. Но для тех, кто интересуется, я хотел бы сделать обсуждение немного более точным. Повторим, что инфляционное расширение приходит к завершению, когда величина поля инфлатона сползает вниз своей чаши потенциальной энергии и поле теряет всю содержащуюся в нем энергию и отрицательное давление. Мы описывали это как происходящее однородно по всему пространству, – величина инфлатона здесь, там и везде переживала одну и ту же эволюцию, – как это на самом деле следует из управляющих уравнений. Однако, это строго верно, только если мы пренебрегаем эффектами квантовой механики. В среднем величина поля инфлатона на самом деле сползла ко дну чаши, как мы ожидали, думая о нем как о классическом объекте вроде твердого шарика, скатывающегося по наклонной плоскости. Но точно так же, как лягушка, сползая на дно чаши, может прыгать и трястись по пути, квантовая механика говорит нам, что поле инфлатона переживает трепетание и дрожание. На своем пути вниз величина поля может внезапно подпрыгивать на йоту вверх или дергаться на йоту

вниз. А вследствие этого дрожания инфлатон достигает величины наименьшей энергии в разных местах в немного разные моменты. Это приводит к тому, что инфляционное расширение "отстреливается" в немного разные моменты в разных точках пространства, так что величина пространственного расширения в разных местах будет немного различаться, проводя к неоднородностям – ряби – сходным с теми, которые вы видите, когда изготовитель пиццы растягивает тесто немного больше в одном месте, чем в другом и создает маленькие изгибы. В настоящее время нормальная интуиция говорит, что дрожания, возникающие из квантовой механики, будут слишком малыми, чтобы быть значимыми на астрофизических масштабах. Но при инфляции пространство расширяется с таким колоссальным темпом, удваиваясь в размере каждые 10^–37 секунды, что даже малейшее отличие в продолжительности инфляции в соседних точках приводит к существенной ряби. Фактически расчеты, предпринятые в специальных вариантах реализации инфляции, показывают, что неоднородности, производимые таким образом, имеют тенденцию становиться даже слишком большими; исследователи часто приводят в порядок детали в данной инфляционной модели (точную форму чаши потенциальной энергии поля инфлатона) для обеспечения, чтобы квантовые дрожания не предсказывали слишком комковатой вселенной. Итак, инфляционная космология дает готовый механизм для понимания, как маломасштабные неоднородности отвечают за возникающие комковатые структуры вроде звезд и галактик во вселенной, которая на самых больших масштабах выглядит строго однородной.

Согласно инфляционной теории более чем 100 миллиардов галактик, блистающих по всему видимому пространству как небесные бриллианты, являются ничем иным, как то, что квантовая механика явно написала на небе. Для меня это осознание является одним из величайших чудес современной научной эпохи.

Золотой век космологии

Впечатляющее доказательство, поддерживающее эти идеи, исходит от тщательных, основанных на спутниках наблюдениях температуры микроволнового фонового излучения. Я подчеркивал несколько раз, что температура излучения в одной части неба совпадает с температурой в другой части с высокой точностью. Но, что я сейчас хочу отметить, так это то, что в четвертом знаке после десятичной точки температура различных областей является разной. Точные измерения, впервые выполненные в 1992м на спутнике COBE (the Cosmic Background Explorer – исследователь космического фона) и совсем недавно на спутнике WMAP (the Wilkinson Microwave Anisotopy Probe – зонд микроволновой анизотропии им. Вилкинсона), определили, что в то время как в одной области пространства температура может быть 2,7249 Кельвина, в другой области она может быть 2,7250 Кельвина, а еще в другой 2, 7251 Кельвина.

Удивительной вещью является то, что эти экстраординарно малые температурные вариации следуют картине неба, которая может быть объяснена через наделение ее тем же механизмом, который был предложен для затравочного формирования галактик: квантовые флуктуации, растянутые за счет инфляции. Грубая идея состоит в том, что когда мельчайшие квантовые дрожания размазываются по пространству, они делают его ненамного горячее в одной области и ненамного холоднее в другой (фотоны, полученные из слегка более плотного региона тратят больше энергии, преодолевая чуть более сильное гравитационное поле, а потому их энергия и температура является слегка более низкой, чем у фотонов, полученных из менее плотного региона).

(а) (b)

Рис 11.1 (а) Предсказание инфляционной космологией температурных вариаций микроволнового фонового излучения от одной точки на небе к другой, (b) Сравнение этого предсказания с основанными на спутниках наблюдениями.

Физики провели точные вычисления, основанные на этом предположении, и сформировали предсказание того, как температура микроволнового излучения должна была бы меняться от места к месту на небе, как показано на Рис. 11.1а. (Детали не существенны, но горизонтальная ось связана с угловым расстоянием между двумя точками на небе, а вертикальная ось связана с их температурным различием). На Рис. 11.1b эти предсказания сравниваются со спутниковыми наблюдениями, представленными маленькими алмазами, и вы можете видеть, что имеется экстраординарное совпадение.

Я надеюсь, у вас перехватило дух от такого соответствия теории и наблюдения, потому что если нет, это означает, что я не смог передать всю удивительность результата. Потому, на всякий случай, позвольте мне повторно подчеркнуть, что отсюда следует: установленные на спутниках телескопы недавно измерили температуру микроволновых фотонов, которые путешествовали по направлению к нам беспрепятственно около 14 миллиардов лет. Они нашли, что фотоны, прибывающие из различных

направлений в пространстве, имеют почти одинаковую температуру, отличающуюся не более чем на несколько десятитысячных градуса. Более того, наблюдения показали, что эти мельчайшие различия в температуре заполняют определенную картину на небе, демонстрируемую упорядоченной последовательностью алмазов на Рис. 11.1b. И, чудо из чудес, расчеты, проделанные сегодня на основании инфляционной схемы, могут объяснить картину этих ничтожных температурных вариаций – вариаций, установленных около 14 миллиардов лет назад, – и, чтобы увенчать сказанное, ключ для этого объяснения содержит в себе дрожания, возникающие из квантовой неопределенности. Класс!

Этот успех убедил многих физиков в состоятельности инфляционной теории. И, что одинаково важно, те и другие точные астрономические измерения, которые стали возможными только недавно, позволили космологии развиться от области, основанной на предположениях и догадках, до области, твердо основанной на наблюдениях, – наступило такое время, которое заставило многих работающих в этой области физиков назвать нашу эру золотым веком космологии.

Создание вселенной

С таким прогрессом у физиков возник мотив посмотреть, как далеко может зайти инфляционная космология. Может ли она, например, решить основную загадку, сконцентрированную в вопросе Лейбница, почему вообще имеется вселенная? Ну, по меньшей мере, с нашим сегодняшним уровнем понимания, такой вопрос требует слишком многого. Даже если космологическая теория проделала бы столбовую дорогу к этому вопросу, мы могли бы спросить, почему именно эта особая теория – ее допущения, составные части и уравнения – была значима, так что это просто сдвигает вопрос о первопричине дальше на один шаг назад. Если одна только логика как-то требуется вселенной, чтобы существовать и чтобы управляться уникальным набором законов с однозначными составными частями, тогда, возможно, мы имели бы убедительную историю. Но на сегодняшний день это ничто иное, как несбыточные мечты.

Связанный, но в некоторой степени менее амбициозный вопрос, который также задавался в разных видах в течение эпох, гласит: Откуда взялась вся масса/энергия, наполняющая вселенную? Хотя инфляционная космология полный ответ не обеспечивает, она отбрасывает на этот вопрос интригующий новый свет.

Чтобы понять, как это происходит, подумаем об огромном, но эластичном ящике, заполненном многими тысячами толпящихся детей, непрерывно бегающими и прыгающими. Представьте, что ящик полностью непроницаемый, так что ни тепло, ни энергия не могут улетучиться, но поскольку он эластичный, его стены могут двигаться наружу. Когда дети непрестанно врезаются в каждую из стен ящика, – сотни за раз, с еще большими сотнями, которые немедленно последуют, – ящик постоянно расширяется. Теперь вы можете ожидать, что поскольку стены непроницаемы, полная энергия, воплощенная в толпящихся детях, будет полностью оставаться внутри расширяющегося ящика. В конце концов, куда еще денется их энергия? Ну, хотя предположение обоснованное, оно не совсем верно. Есть еще одно место, куда может уходить энергия. Энергию, которую тратят дети каждое мгновение, они вбивают в стены, и большая часть этой энергии преобразуется в движение стен. Само расширение ящика поглощает, и поэтому резко уменьшает энергию детей.

Теперь представьте, что несколько проказников среди детей приняли решение изменить положение дел. Они зацепили огромное число резиновых лент между каждой из противоположных движущихся наружу стен ящика. Резиновые ленты оказывают направленное внутрь, отрицательное давление на стены ящика, которое действует в точности противоположно направленному наружу, происходящему от детей, положительному давлению; вместо того, чтобы переводить энергию в расширение ящика, отрицательное давление резиновых лент "отсасывает" энергию у расширения. Когда ящик расширяется, резиновые ленты растягиваются сильнее, что означает, что они заключают в себе возрастающее количество энергии.

Конечно, на самом деле мы интересуемся не расширяющимися ящиками, а расширяющейся вселенной. И наши теории говорят нам, что пространство заполнено не толпами детей и множеством резиновых лент, а, в зависимости от космологической эпохи, однородным океаном поля инфлатона или горячей баней обыкновенных частиц (электронов, фотонов, протонов и т. п.). Тем не менее, простое наблюдение позволяет нам подвести к космологии заключения, которые мы получили в случае ящика. Точно так же, как быстро движущиеся дети работают против направленных вовнутрь сил, оказываемых стенами ящика, когда тот расширяется, быстро движущиеся частицы в нашей вселенной работают против направленных вовнутрь сил, когда пространство расширяется: они работают против силы гравитации. Это наводит на мысль (которая математически подтверждается), что мы можем провести аналогию между вселенной и ящиком, заменив силу гравитации стенами ящика.

Так что, точно так же, как полная энергия, заключающаяся в детях, падает вследствие ее постоянного перекачивания в энергию стен, когда ящик расширяется, полная энергия, переносимая обыкновенными частицами материи и излучения падает вследствие ее постоянного перекачивания в гравитацию, когда вселенная расширяется. Более того, мы видим, что точно так же, как изготовленные проказниками резиновые ленты оказывают отрицательное давление внутри расширяющегося ящика, однородное поле инфлатона оказывает отрицательное давление внутри расширяющейся вселенной. Так что, точно так же, как полная энергия, собранная в резиновых лентах, возрастает при расширении ящика, поскольку она забирает энергию у стен ящика, полная энергия, заключенная в поле инфлатона возрастает, когда вселенная расширяется, поскольку оно извлекает энергию из гравитации.*