Шестая революция: концепция хаотической инфляции

Мы уже неоднократно убеждались, что обсуждение космологических вопросов порождает многие недоуменные вопросы. Вот некоторые из них. Почему масса Вселенной столь велика, а именно ~10⁸⁰ кг? Откуда взялась вся эта масса? Почему Вселенная расширяется довольно странным образом? Почему она является плоской? На эти вопросы найдены вполне разумные ответы в рамках теории хаотической инфляции А. Д. Линде, русского физика и космолога, ныне проживающего в США.

Линде исходит из представления об осциллирующем гравитационной вакууме, т. е. о вакууме, в котором происходят колебания. Этот вакуум является скалярным, а не векторным полем. Как это понимать? В нем нет выделенных направлений. Но он обладает энергией. Вакуум не является чем-то вроде застывшего поля, наоборот, в нем постоянно происходят какие-то флуктуации. В результате возникают некоторые пики энергии, как это показано на рис. 3.3.

Рис. 33. Неустойчивый гравитационный вакуум

Согласно законам физики, вакуум, оказавшись в неустойчивом состоянии, стремится перейти в состояние с наименьшей энергией. Наглядно это можно представить себе как движение шарика, скатывающегося с холма и в состоянии с наименьшей потенциальной энергией колеблющегося около положения равновесия. Происходящее можно представить и по-другому: ком, скатывающийся со склона снежного холма, обрастает снегом. По мере его спуска он увеличивается в размере.

Приведенная иллюстрация неполна, в ней силы трения выступают в качестве несущественного фактора. А между тем, как показывают соответствующие изыскания, колебания скалярного поля всегда связаны с возникновением своеобразных сил трения, которые существенно замедляют скорость происходящих изменений. Это обстоятельство крайне важно для понимания характера космологического расширения. Дело в том, что, согласно экспериментальным данным, отношение скорости изменения расстояния между галактиками (а) к этому расстоянию (а) равно постоянной Хаббла, слабо зависящей от времени (7). В силу указанной зависимости примем постоянную Хаббла за неизменную величину. Следовательно, при принятых упрощениях справедлива формула.

Этому уравнению удовлетворяет функция а = e^Ht. Действительно, замечательная особенность показательной функции состоит в том, что ее производная есть произведение показательной функции на производную ее степени. Таким образом, а = e^Ut • Н. Подставив это выражение в формулу (3.6), получаем тождество. Иначе говоря, наше предположение о виде функции a (t) оказалось верным.

Возвратимся к рассмотрению скалярного поля. Так как оно гравитационного свойства, то удастся его связать с уравнениями тяготения Эйнштейна, в которых фигурирует постоянная Хаббла. Медленное изменение энергетической высоты пика плотности потенциальной энергии соответствует экспоненциальному расширению Вселенной. Всего за 10^_35с Вселенная увеличилась приблизительно в 10¹⁰¹² раз. Если считать, что оно начиналось с квантовых масштабов порядка 10^-33 см, то оно достигло столь огромных размеров, по сравнению с которыми радиус наблюдаемой Вселенной ~10²⁸см ничтожно мал. Такое резкое «вздутие» Вселенной космологи как раз и называют инфляцией. Если бы мы могли видеть всю Вселенную, то она имела бы для нас сферическую форму. Но мы видим лишь малую ее часть, равную 1,4 • 10¹⁰ световых лет. Поэтому она для нас является плоской, однородной и изотропной. Это обстоятельство можно проиллюстрировать на примере футбольного мяча (рис. 3.4). Чем меньше его поверхностные шестиугольные области, тем они представляются более плоскими. В качестве существ нашей Вселенной мы живем на поверхности необычайно раздутого шара.

Рис. 3.4. Малые области шаровой поверхности являются плоскими

Итак, за возникновение Вселенной ответствен гравитационный вакуум. Имея это в виду, даже великолепные ученые порой заявляют, что Вселенная возникла из ничего. Они имеют в виду, что до развития теории космологической инфляции приходилось считать, что огромная масса Вселенной была сосредоточена в исходной сингулярности, первоатоме Леметра. Теперь же потребность в постулировании реальности такой сингулярности отпала. Акценты стали другими. На первый план выходит представление о скалярном гравитационном поле. Но оно ведь не есть ничто. «Ничто» — это пустое имя, иначе говоря, имя без области его определения. Такого рода имена не соответствуют статусу науки. Здесь, по определению, имя является названием некоторого объекта или процесса. Таким образом, Вселенная не возникла из ничего. Тот, кто использует термин «ничто» в качестве имени, совершает грубую научную ошибку.

Теория хаотической инфляции позволяет по-новому оценить статус горячей Вселенной. Весьма популярна точка зрения, что нагрев Вселенной имел место не до, а после инфляции. Вызван же он был переходом высвободившейся кинетической энергии в энергию рождающихся и разлетающихся частиц.

Что именно представляет собой исходная Вселенная, попавшая на траекторию инфляции, не вполне ясно. Это могли быть объекты негравитационной природы. Но не исключается также, что они были порождены самим гравитационным вакуумом. Инфляция не снимает вопрос о том, что ей предшествовало. Возможно, там и было нечто вроде Большого взрыва (читай: бурного события, приведшего к началу инфляции). Современные астрофизики, умудренные опытом объединения космологии с квантовой теорией поля, склонны считать, что указанное превращение, т. е. космологическая метаморфоза, будет объяснена посредством новой теории, возможно, теории струн. В отличие от своих предшественников они не склонны абсолютизировать какие-либо метаморфозы, будучи уверенными, что история мультивселенной, в том числе и нашей Вселенной, может быть продолжена как в прошлое, так и в будущее. Причем ни в первом, ни во втором случае нет конца истории. Метаморфозы сменяют друг друга.

Нет никаких оснований считать, что наша Вселенная является единственным порождением скалярного поля. Там, где это поле достаточно большое до начала инфляции, возникнут свои вселенные. Поскольку они все возникают из одного и того же скалярного поля, то между ними существует известная корреляция. По поводу ее обнаружения физики не проявляют особого энтузиазма. Ведь мы находимся в одной из вселенных, т. е. во Вселенной, из которой не можем перейти в другой мир.

Теория хаотической инфляции человеку, недостаточно знакомому с развитием физических и космологических концепций, кажется чуть ли не фантазией. А между тем она лежит на магистральной линии развития астрофизики. Разумеется, тот или иной исследователь волен отказаться от теории хаотической инфляции. Но после этого представления о космологических процессах не прояснятся, а станут более туманными. Научные маршруты всегда пролегают от менее развитых теорий к более развитым концепциям. Кто от них отказывается, тому не достигнуть сияющих вершин научного знания.

Итак, мы рассмотрели по крайней мере шесть значимых астрономических теорий, изобретение каждой из которых вполне можно расценить как научную революцию. Это теории Птолемея, Коперника, Фридмана, Гамова, Глинера, Линде (ради краткости записи мы вынуждены ограничиться шестью фамилиями). Читателю, знакомому с теорией концептуальной трансдукции, которая была изложена в главе 1, надо полагать, очевидно, что указанные теории образуют соответствующий интерпретационный ряд теорий. Он выглядит, на наш взгляд, следующим образом:

По сути, интерпретационный ряд теорий (3.7) является основной парадигмой современного космологического знания.

Выводы

• • Концепция хаотической инфляции позволяет непротиворечиво объяснить многие космологические явления, в частности ее масштабные и энергетические характеристики.
• • Динамика космологических процессов в значительной степени объясняется свойствами осциллирующего скалярного ноля.
• • Энергия Вселенной не возникает из ничего, она «заимствуется» из скалярного поля.
• • Космологическая инфляция осуществляется за 10^-35— 10^-33 с. За это время она достигает размеров, многократно превышающих доступные наблюдениям людей космические области.
• • Наша Вселенная искривлена, но нам она представляется плоской.
• • Наряду с нашей Вселенной существуют также другие миры (это положение нуждается в дополнительном обосновании).