Удивительная космология

Шильник Лев

Когда потенциальный энергетический барьер много выше энергии частицы, она, казалось бы, ни в коем случае не сможет его преодолеть. Однако квантовые флуктуации вакуума заставляют пересмотреть этот вывод. Поскольку в соответствии с принципом неопределенности положение и энергию частицы невозможно установить одинаково точно, мы обязаны принимать во внимание квантовые эффекты, неизбежно влияющие на ее поведение. Рано или поздно энергия частицы случайным образом скачкообразно увеличится и станет относительно большой, в результате чего потенциальный барьер будет преодолен. Подобный феномен движения поверх барьеров известен в физике как процесс туннелирования. Нечто в том же духе однажды приключилось и с нашей Вселенной: хотя ее полная энергия равнялась нулю, случайные квантовые флуктуации позволили ей туннелировать в существование из ничего.

Итак, вынырнув из пространственно-временной пены, новорожденная Вселенная некоторое

время распухала со сверхсветовой скоростью (теория относительности, как мы помним, этого не запрещает, ибо ограничивает скорость перемещения материальных тел), а когда энергия инфлатонного поля упала до минимума, произошло рождение вещества в виде горячей плазмы. Инфляция завершилась, сменившись обычным расширением, которое мы наблюдаем по сей день.

Рождение Вселенной из квантовой пены посредством туннельного перехода отстаивает теория вечной (или хаотической) инфляции Андрея Линде. Разумеется, термин «вечная инфляция» нельзя толковать в буквальном смысле. Инфляционная стадия вечна ровно в той же мере, в какой вечны, скажем, элементарные частицы, хотя каждая из них рождается и в свой срок погибает. Наша Вселенная находилась в инфляционной фазе вполне конечное (и очень непродолжительное) время, но мироздание одной только нашей Вселенной не исчерпывается. Вселенных существует великое множество, они непрерывно выныривают из пространственно-временной пены за счет квантовых флуктуаций. Этот процесс случаен, хаотичен и не имеет ни конца, ни начала. Одни вселенные схлопываются, едва успев родиться, другие растут, оставаясь пустыми и мертвыми, поскольку законы в них таковы, что запрещают возникновение сложных структур, третьи превращаются в своего рода фантомы, ибо лишены времени и развития, а четвертые заполняются звездами, галактиками и планетами. По счастливому стечению обстоятельств мы живем именно в такой Вселенной. Попробуем пояснить механизм вечной инфляции на конкретном примере.

В планковский момент времени (10^{– 43} секунд), еще до начала инфляции, физические процессы успели распространиться максимум на расстояние планковской длины (10^{– 33} сантиметров). Только в таком элементарном объеме к началу инфляции могло быть достигнуто термодинамическое равновесие. Однако фактические масштабы Вселенной не обязательно должны ограничиваться планковской длиной; вполне вероятно, что они были намного больше и представляли собой набор крошечных областей, каждая из которых имела размер, приблизительно равный 10^{– 33} сантиметрам. Все эти области были изолированы друг от друга, потому что световому сигналу попросту не хватило времени проникнуть из одной области в другую. Следовательно, физические условия в разных областях заметно различались, меняясь от области к области хаотически. Энергетическая плотность внутри элементарных клеточек тоже существенно разнилась.

Вспомним еще раз беспорядочно разбросанные снежки на горном склоне: одни лежат почти у самого края пропасти, а другие удалены от нее на значительное расстояние. В огромном большинстве случаев снежный ком беспрепятственно скатывается вниз и легко достигает точки минимума. В таких «благополучных» областях инфляция завершается сравнительно быстро (как мы помним, она продолжается до тех пор, пока снежок находится на плато) и сменяется банальным расширением по закону Фридмана – Хаббла. Но картина осложняется тем, что отдельные комки под влиянием случайных квантовых флуктуаций могут перемещаться и в прямо противоположную сторону, достигая невообразимых скоростей, поскольку процесс раздувания развивается по экспоненте. В таких областях инфляция не завершится никогда.

Чтобы вообразить это сколько-нибудь наглядно, представьте себе резиновый лист или полиэтиленовую пленку, расчерченную на клетки наподобие шахматной доски. Каждое из полей, соответствующих в данном случае элементарному планковскому объему, можно растянуть как угодно сильно или, наоборот, оставить в неприкосновенности. В результате мы получим запутанный конгломерат, состоящий из фрагментов единого целого, деформированных сугубо индивидуально. «Спокойный» участок, где инфляция давным-давно приказала долго жить, может быть окружен бесчисленным количеством областей, находящихся в совершенно разных режимах: в одних раздувание сразу же захлебнулось, а в других продолжается до сих пор.

Поэтому размер наблюдаемой ныне Вселенной (Метагалактики), составляющий 10²⁸ сантиметров, что примерно соответствует 10 миллиардам световых лет, может оказаться ничтожной частью мироздания в целом. Там, за горизонтом событий, живут-поживают иные миры, никак не соотнесенные с нашей Вселенной. И хотя формально они с нею связаны бесспорным фактом общности происхождения, с физической точки зрения они являются «вещами в себе», ибо не имеют

никакого касательства к нашей Вселенной. Сценарий вечной стохастической (вероятностной) инфляции описывает все возможные вселенные, которые в известном смысле существуют «где-нибудь» в пространстве.

А. А. Старобинский, член-корреспондент РАН и главный научный сотрудник Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау, задается простым вопросом:

Каково практическое значение всего этого? Мы не можем видеть эти другие вселенные, поэтому к новым наблюдательным эффектам это не приводит (или мы еще не научились их находить – следует признать, что цельная теоретическая картина Метавселенной еще не разработана). Однако с мировоззренческой точки зрения ясно, что все горячие предыдущие дискуссии об «однократном рождении Вселенной» были наивными. Стало ясно, что наша видимая Вселенная есть лишь одна из возможных реализаций вселенных, которые постоянно происходят в Метавселенной в разных местах пространства (и даже в некотором смысле в разных временах – время в других вселенных, вообще говоря, не обязано коррелировать со временем в нашей Вселенной).

Коротко подытожим сказанное. Рождение классического пространства-времени из квантовой пены было следствием случайной квантовой флуктуации, а возраст Вселенной составлял тогда примерно 10^{– 43} секунд. Диаметр Вселенной в ту пору был чуть больше 10^{– 33} сантиметров, а плотность этого микроскопического сгустка достигала чудовищной величины – 10⁹³ г/см² (так называемая планковская плотность, максимально возможная в природе). Температура тоже была под стать – около 10³² градусов Кельвина. В ходе инфляции, продолжительность которой составляла несколько планковских времен (10^{– 43}—10^{– 37} секунд), температура менялась в очень широких пределах, быстро падая до нуля. Стремительное раздувание выгладило пространство и сделало его практически однородным по всем направлениям. Эпоха инфляции – это в основном холодная стадия; элементарных частиц еще нет, а материя представлена скалярным инфлатонным полем.

Когда инфлатонное поле достигло минимума потенциальной энергии, произошло рождение вещества в виде горячей плазмы из кварков, глюонов, электронов и их античастиц. Вселенная вновь разогрелась до весьма высоких температур порядка 10²⁶—10²⁹ градусов Кельвина. Экспоненциальное раздувание сменилось обычным неторопливым расширением по закону Хаббла, что воспринимается нами как Большой взрыв. Ранняя Вселенная представляла собой своего рода горячий кварковый суп: высокая температура препятствовала их объединению, а потому каждый кварк жил самостоятельной жизнью. По мере падения температуры они начали объединяться в нуклоны, так как существование кварков в виде свободных частиц при относительно низких температурах невозможно. Когда Вселенная остыла примерно до 10¹¹—10¹² градусов Кельвина (ее возраст в ту пору составлял 10^{– 4} секунд), свободных кварков в природе не осталось – все они объединились в протоны и нейтроны. Этот процесс принято называть бариосинтезом, или кварк-адронным фазовым переходом. К этому времени пространство юной Вселенной превратилось в густую кашу из протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов, а также их античастиц. Однако вот что любопытно: если частиц и античастиц по окончании инфляции было поровну, то они неминуемо должны были бы взаимно уничтожиться в процессе аннигиляции, и тогда строительного материала, необходимого для образования звезд, галактик да и нас с вами, элементарно не хватило бы. Другими словами, почему произошло нарушение симметрии между частицами и античастицами?

Итак, законы природы одинаковы для частиц и античастиц, а потому неплохо бы разобраться, каким образом возник барионный избыток. На всякий случай заметим, что окончательного ответа на этот вопрос нет, имеется несколько версий, более или менее убедительных, и каждая из них требует привлечения сложного математического аппарата. Поэтому ограничимся упрощенной моделью, которая, однако, помогает понять суть дела.

Введем гипотетическое поле, одинаково взаимодействующее как с частицами, так и с античастицами, и обозначим его греческой буквой 9. Изобразим его графически, в виде параболы. Энергия поля будет максимальной на ее ветвях и минимальной в области дна, в точке, лежащей на оси абсцисс. Для наглядности можно представить себе яму или какой-нибудь сосуд, скажем, пиалу или расширяющийся кверху фужер с округлым дном. Поместим на внутреннюю стенку пиалы шарик и примем, что его энергия тем больше, чем выше он расположен. Скатываясь ко дну пиалы, шарик теряет энергию.