Geum.ru

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   ...   29   30   31   32   33   34   35   36   ...   66


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]


Космологическая картина, возникающая из прорыва Гута, следовательно, такова. Давным давно, когда вселенная была чудовищно плотной, ее энергия передавалась Хиггсову полю, возвышавшемуся в своей чаше потенциальной энергии на далекой от низшей точки величине. Чтобы отделить это особое Хиггсово поле от других (таких как электрослабое Хиггсово поле, отвечающее за появление массы у обычных семейств частиц, или Хиггсово поле, которое появляется в теориях великого объединения[13]), его обычно называют полем инфлатона.*


(*) "Вы можете подумать, что я забыл поставить "i" в последнем слоге ("inflaton" вместо "inflation"), но это не так; физики часто дают полям имена, такие как фотон и глюон, которые оканчиваются на "он"."


Вследствие своего отрицательного давления поле инфлатона генерировало гигантское гравитационное отталкивание, которое растаскивало каждый регион пространства прочь от любого другого; на языке Гута инфляция заставляла вселенную раздуваться. Отталкивание длилось всего около 10–35 секунды, но оно было столь сильным, что даже за этот кратчайший момент вселенная раздулась в гигантское число раз. В зависимости от деталей точной формы потенциальной энергии инфляционного поля вселенная могла легко расшириться на фактор 1030, 1050 или 10100 или больше.


Эти числа потрясяют. Фактор расширения 1030 – консервативная оценка – подобен увеличению размера молекулы ДНК грубо до величины галактики Млечного Пути, и все это за временной интервал много короче, чем миллиардная миллиардной миллиардной доли от мигания глаза. Для сравнения, даже этот консервативный фактор расширения в миллиарды миллиардов раз больше расширения, которое могло бы возникнуть в соответствии со стандартной теорией Большого Взрыва за тот же самый временной интервал, и это превышает полный фактор расширения, который возник в целом за последующие 14 миллиардов лет! Во многих моделях инфляции, в которых рассчитанный фактор расширения намного больше, чем 1030, результирующая пространственная протяженность вселенной настолько велика, что регион, который мы, возможно, можем видеть даже в самые мощные телескопы, является мельчайшей долей целой вселенной. В соответствии с этими моделями свет, эмитированный из безбрежного большинства областей вселенной, еще не мог достигнуть нас, и большая часть его не появится еще очень долго после того, как Солнце и Земля исчезнут. Если весь космос уменьшить до размеров Земли, то часть, доступная нашим наблюдениям, будет намного меньше, чем песчинка.


Грубо через 10–35 после начала раздувания поле инфлатона нашло свой путь от плато с высокой энергией и его величина во всем пространстве соскользнула на дно чаши, выключив отталкивательное давление. А раз уж величина инфлатона скатилась вниз, она передала свою сдерживаемую энергию на производство обычных частиц материи и радиации, – подобно тому, как туманная дымка оседает на траву как утренняя роса, – которые однородно заполнили расширяющееся пространство.[14] С этого момента история, по существу, становится такой же, как и в стандартной теории Большого взрыва: пространство продолжает расширяться и охлаждаться после раздувания, позволяя частицам материи слипаться в структуры вроде галактик, звезд и планет, которые медленно распространяются по вселенной, которую мы в настоящее время видим, как показано на Рис. 10.3.


Открытие Гута – окрещенное инфляционной космологией – вместе с важными усовершенствованиями, внесенными Линде, Альбрехтом и Стейнхардом, обеспечило объяснение того, что заставило пространство расширяться в первую очередь. Хиггсово поле, удерживаемое на величине выше своей нулевой энергии, может обеспечить выдавливание пространства вовне к раздуванию. Гут обеспечил Большой взрыв Взрывом.


Инфляционная структура


Открытие Гута было быстро провозглашено крупным достижением и стало доминирующим направлением космологических исследований. Но отметим две вещи. Первое, в стандартной модели Большого взрыва сам Взрыв, предположительно, произошел в момент времени нуль, в самом начале вселенной, так что он выглядит как акт творения. Но точно так же, как кусок динамита взрывается только когда он должным образом подожжен, в инфляционной космологии Взрыв произошел только тогда, когда условия сложились правильные, – когда имелось поле инфлатона, чья величина обеспечила энергию и отрицательное давление, которое явилось топливом отталкивательной гравитации для раздувания вовне, – и это не нуждается в сравнении с "творением" вселенной. По этой причине инфляционный взрыв лучше всего мыслить как событие, которое пережила предшествовавшая вселенная, но не обязательно как событие, которое создало вселенную. Мы отметили это на Рис. 10.3, сохранив некоторое размытое пятно от Рис. 9.2, обозначив наше продолжающееся неведение относительно фундаментального начала: более точно, если инфляционная космология верна, наше неведение относительно того, почему имелось поле инфлатона, почему чаша его потенциальной энергии имела правильную форму, чтобы произошла инфляция, почему имелось пространство и время, в рамках которых имело место все обсуждение, и, вспомнив более великую фразу Лейбница, почему есть что-то вместо ничего.


Рис 10.3 (а) Инфляционная космология вводит быстрое гигантское раздувание пространственной протяженности в ранней истории вселенной, (b) После раздувания эволюция вселенной переходит в стандартную эволюцию, разработанную в модели Большого взрыва.


Второе и связанное наблюдение таково, что инфляционная космология не является отдельной однозначной теорией. Скорее это космологическая система, выстроенная вокруг осознания, что гравитация может быть отталкивательной и, следовательно, может двигать раздувание пространства. Точные детали раздувания вовне – когда оно произошло, как долго оно длилось, сила направленного вовне давления, фактор, на который вселенная увеличилась во время раздувания, количество энергии, которую инфляция вложила в обычную материю, когда раздувание подошло к концу, и так далее – зависят от деталей, больше всего от размера и формы потенциальной энергии поля инфлатона, которые в настоящее время находятся вне наших способностей определить их только из теоретических рассмотрений. Так что многие годы физики изучали все виды возможностей – различные формы потенциальной энергии, различные количества полей инфлатона, которые работают в тандеме, и так далее – и определили, какие выборы дают теориям лучшее соответствие с астрономическими наблюдениями. Важной вещью является то, что имеются аспекты инфляционных космологических теорий, которые переступают пределы деталей и поэтому являются общими, по существу, для любой реализации. Само раздувание вовне, по определению, является одним из таких свойств, и потому любая инфляционная модель приходит ко Взрыву. Но имеются и другие свойства, присущие всем инфляционным моделям, которые живы, поскольку они решают важные проблемы, которые привели в тупик стандартную космологию Большого взрыва.


Инфляция и проблема горизонта


Одна из таких проблем называется проблемой горизонта и заключается в однородности микроволнового фонового излучения, о чем мы говорили раньше. Повторим, что температура микроволновой радиации, достигающей нас по одному направлению в пространстве, согласуется с температурой радиации, которая приходит по любому другому направлению с фантастической точностью (лучше, чем тысячная доля градуса). Этот наблюдательный факт является стержневым, поскольку он удостоверяет однородность всего пространства, что позволяет сделать гигантские упрощения в теоретических моделях космоса. В предыдущих главах мы использовали эту однородность, чтобы существенно снизить количество возможных форм пространства и чтобы обосновать однородное космическое время. Проблема появляется, когда мы пытаемся объяснить, как вселенная стала однородной. Как так получилось, что обширные удаленные рагионы вселенной так упорядочились, что стали иметь почти одинаковую температуру?


Если вы мысленно вернетесь к Главе 4, то одна из возможностей такова, что точно так же, как нелокальное квантовое запутывание может коррелировать спины двух широко разнесенных частиц, может быть, оно может коррелировать также и температуры двух широко разнесенных регионов пространства. Хотя это интересное предположение, потрясяющая ничтожность запутывания во всех наиболее контролируемых ситуациях, как обсуждается в конце этой главы, по существу это исключает. Ладно, возможно, имеется более простое объяснение. Может быть, давным давно, когда каждый регион пространства был ближе к каждому другому, их температуры выравнивались через их тесный контакт, почти как горячая кухня и холодная жилая комната приходят к одной и той же температуре, когда дверь между ними на время открыта. В стандартной теории Большого взрыва, однако, это объяснение также не годится. Приведем один из способов подумать об этом.


Представьте просмотр пленки, на которой изображен полный курс космической эволюции от начала до сегодняшнего дня. Остановите пленку на некотором произвольном моменте и спросите себя; могут ли два отдельных региона пространства, подобных кухне и жилой комнате, влиять на температуру друг друга? Могут ли они обмениваться светом и теплом? Ответ зависит от двух вещей: расстояния между регионами и количества времени, истекшего с момента Взрыва. Если расстояние между ними меньше, чем путь, который может проделать свет за время с момента Взрыва, тогда регионы могут повлиять друг на друга; в противном случае не могут. Теперь вы можете подумать, что все регионы наблюдаемой вселенной могли взаимодействовать друг с другом когда-то вблизи начала, поскольку чем дальше мы отматываем пленку назад, тем теснее становятся регионы и поэтому им легче провзаимодействовать. Но это рассуждение слишком поспешное; не принят во внимание тот факт, что не только регионы пространства были ближе друг к другу, но также и времени у них было меньше, чтобы совершить обмен.


Чтобы провести корректный анализ, представьте космическую пленку, прокручивающуюся в обратном направлении, в то время как вы сосредоточились на двух регионах пространства, находящихся в настоящее время на противоположных сторонах наблюдаемой вселенной, – регионах настолько удаленных, что они в настоящее время находятся вне сферы влияния друг друга. Если для уменьшения вдвое расстояния между ними мы отмотаем космическую пленку более чем наполовину назад по направлению к началу, тогда даже если регионы пространства были ближе друг к другу, коммуникации между ними были все еще невозможны: они были разделены наполовину по сравнению с сегодняшним положением, но и времени с момента Взрыва прошло тоже меньше, чем половина от сегодняшнего, так что свет смог бы пролететь только меньше половины нужного расстояния. Аналогично, если из этой точки на пленке мы переместимся более чем наполовину назад к началу, чтобы еще раз вдвое уменьшить расстояние между регионами, коммуникации между ними остаются еще более затрудненными. При таком виде космической эволюции, даже если регионы были ближе друг к другу в прошлом, становится более загадочным – не менее – что они каким-то образом смогли выровнять свои температуры. В зависимости от того, как далеко свет может пропутешествовать, регионы становятся все более отсеченными друг от друга по мере того, как мы исследуем их все дальше назад во времени.


Это в точности то, что происходит в стандартной теории Большого взрыва. В стандартной теории Большого взрыва гравитация действует только как притягивающая сила, так что с самого начала она действует, чтобы ослабить расширение пространства. Теперь, если что-либо ослабляется, ему потребуется больше времени, чтобы покрыть заданную дистанцию. Например, представьте, что Секретариат покинул старт стремительной иноходью и покрыл первую половину скаковой дистанции за две минуты, но, поскольку сегодня не его лучший день, он заметно сдал на второй половине и взял три дополнительные минуты до финиша. При просмотре пленки скачек в обратном порядке мы отмотали пленку более чем наполовину назад, чтобы увидеть, как Секретариат пересекает отметку половины дистанции (мы передвинулись по пятиминутной пленке всех скачек назад к двухминутной отметке). Аналогично, поскольку в стандартной теории Большого взрыва гравитация ослабляет расширение пространства, из любой точки на космической пленке нам нужно отмотать больше чем половину назад во времени, чтобы уполовинить расстояние между двумя регионами. И, как выше, это означает, что даже если области пространства были ближе друг к другу в более ранние времена, было более трудно – а не менее – для них оказать друг на друга влияние, и потому более загадочно, – а не менее – что они как-то достигли одинаковой температуры.


Физики определяют космический горизонт региона (или, для краткости, горизонт) как наболее удаленные окружающие регионы пространства, которые достаточно близки к данному региону, чтобы любая пара могла обменяться световыми сигналами за время, прошедшее с момента Взрыва. Имеется аналогия с самыми удаленными вещами, которые мы можем видеть на земной поверхности из любой отдельной точки отсчета.[15] Тогда проблема горизонта заключается в загадке, присущей наблюдениям, что области, чьи горизонты всегда были разделены, – области, которые никогда не могли взаимодействовать, находиться в связи или любым способом оказывать влияние друг на друга, – каким-то образом имеют почти одинаковую температуру.


проблема горизонта не подразумевает, что стандартная модель Большого взрыва неверна, но она взывает к объяснению. Инфляционная космология его обеспечивает.


В инфляционной космологии имелось краткое мгновение, во время которого гравитация была отталкивательной, и это заставило пространство расширяться все быстрее и быстрее. Во время этой части космической пленки, вы могли бы отмотать пленку менее чем наполовину назад, чтобы вдвое уменьшить расстояние между регионами. Подумайте о скачках, в которых Секретариат покрыл первую половину дистанции за две минуты, а затем, поскольку это были бега его жизни, ускорился и промчался через вторую половину за одну минуту. Вы будете перематывать назад только трехминутную пленку к двухминутной отметке – менее, чем наполовину назад, – чтобы увидеть его пересекающим отметку половины дистанции. Аналогично, ускоряющийся темп разделения любых двух регионов пространства во время инфляционного расширения предполагает, что уменьшение вдвое расстояния между ними потребует отматывания космической пленки менее – намного менее, – чем наполовину назад к началу. Следовательно, если мы двигаемся дальше назад во времени, для любых двух регионов пространства становится легче оказать влияние друг на друга, поскольку, соответственно говоря, имеется больше времени для их взаимодействия. Расчеты показывают, что если фаза инфляционного расширения заставила пространство расшириться, как минимум, на фактор 1030 (число, которое легко достигается в отдельных реализациях инфляционного сценария), все области пространства, которые мы видим в настоящее время, – все регионы пространства, чьи температуры мы можем измерить, – были в состоянии взаимодействовать также легко, как смежная кухня и жилая комната, и потому естественно пришли к одинаковой температуре в ранние моменты вселенной.[16] В двух словах, пространство расширяется достаточно медленно в самом начале, чтобы однородная температура могла широко установиться, а затем в ходе интенсивного взрыва все более быстрого расширения вселенная состыковала вялый старт и широкое разнесение близких регионов.


Таким образом инфляционная космология объяснила однородность микроволнового фонового излучения, заполняющего пространство, которая в ином случае загадочна.


Инфляция и проблема плоскостности


Вторая проблема, адресуемая инфляционной космологии, имеет дело с формой пространства. В Главе 8 мы установили критерии однородной пространственной симметрии и нашли три способа, которыми ткань пространства может изгибаться. Обращаясь к нашей двумерной визуализации, имеются возможности положительной кривизны (форма подобная поверхности шара), отрицательной кривизны (седловая форма) и нулевой кривизны (форма подобная бесконечной плоской поверхности стола или экрану видеоигры конечных размеров). С ранних дней ОТО физики осознавали, что полная материя и энергия в каждом объеме пространства – плотность материи/энергии – определяет кривизну пространства. Если плотность материи/энергии высока, пространство свернется в форму сферы; это значит, что будет положительная кривизна. Если плотность материи/энергии низка, пространство будет расширятся вовне как седло; это значит, будет отрицательная кривизна. Или, как отмечалось в последней главе, для очень специального количества плотности материи/энергии – критической плотности, равной массе около пяти атомов водорода (около 10–23 грамм) в каждом кубическом метре, – пространство будет лежать точно между этими двумя экстремумами и будет совершенно плоским; это значит, что кривизны не будет.


Теперь о загадке.


Уравнения ОТО, которые лежат в основе стандартной модели Большого взрыва, показывают, что если плотность материи/энергии в начале была в точности равна критической плотности, то она останется равной критической плотности, когда пространство расширяется.[17] Но если плотность материи/энергии была хотя бы чуть-чуть больше или чуть-чуть меньше, чем критическая плотность, последующее расширение уведет ее очень и очень далеко от критической плотности. Чтобы прямо почувствовать числовые величины, отметим, что если через секунду после Большого Взрыва вселенная не дотягивала до критической плотности, имея 99,99 процента от нее, расчеты показывают, что сегодня ее плотность была бы в любом случае уведена вниз до величины 0,00000000001 от критической плотности. Эта разновидность ситуации подобна той, с которой столкнулся скалолаз, который прогуливается по тонкому как бритва уступу с крутым склоном с каждой стороны. Если его шаг направлен прямо по грани, он сможет пересечь уступ. Но даже малейший ошибочный шаг, сделанный чуть слишком влево или вправо, приведет к существенно иному исходу. (И с риском получить одну из слишком далеко идущих аналогий, это свойство стандартной модели Большого Взрыва также напоминает мне душевую много лет назад в студенческом общежитии колледжа: если вы сможете установить кран абсолютно точно, вы сможете получить комфортабельную температуру воды. Но если вы отклонитесь на йоту туда или сюда, вода будет или обжигающая или замораживающая. Некоторые студенты просто прекращали мыться совсем).


Десятилетия физики пытались измерить плотность материи/энергии во вселенной. В 1980е, хотя измерения были далеки от завершения, одна вещь стала определенной: плотность материи/энергии вселенной не является в тысячи и тысячи раз меньше или больше, чем критическая плотность; эквивалентно, пространство искривлено несущественно, или положительно или отрицательно. Это осознание бросило неудобный свет на стандартную модель Большого взрыва. Оно подразумевало, что для соответствия стандартного Большого взрыва наблюдениям некоторый механизм – один из тех, которые никто не может объяснить или идентифицировать, – должен был тонко настроить плотность материи/энергии ранней вселенной экстраординарно близко к критической плотности. Например, расчеты показывают, что через одну секунду после Большого взрыва плотность материи/энергии вселенной должна была находиться в пределах миллионной от миллионой доли процента от критической плотности; если бы материя/энергия отклонилась от критической величины на любое, большее этого мизерного ограничения значение, стандартная модель Большого взрыва предсказала бы плотность материи/энергии сегодня, которая чрезвычайно отличалась бы от того, что мы наблюдаем. Тогда в соответствии со стандартной моделью Большого взрыва, ранняя вселенная была бы сильно похожа на скалолаза, покачивающегося вдоль экстремально узкого склона. Малейшее отклонение в условиях миллиарды лет назад должно было бы привести к сегодняшней вселенной, сильно отличающейся от показанных астрономами измерений. Это известно как проблема плоскостности.


Хотя мы охватили существенные идеи, важно понять смысл, в котором проблема плоскостности является проблемой. Проблема плоскостности ни в каком смысле не показывает, что стандартная модель Большого взрыва не верна. Стойкий последователь прореагирует на проблему плоскостности пожиманием плечами и лаконичной репликой: "Это просто так, как это было тогда давно", приняв тонко настроенную плотность материи/энергии ранней вселенной, – которую стандартная модель Большого взрыва требует, чтобы дать предсказания, которые находятся в одном и том же диапазоне, что и наблюдения, – как необъяснимую данность. Но этот ответ вызовет отвращение у большинства физиков. Физики чувствуют, что теория чрезвычайно неестественна, если ее успехи зависят от экстремально точной настройки свойств, для которого вы не имеете фундаментального объяснения. Без предложения причин, почему плотность материи/энергии ранней вселенной должна была бы быть так тонко настроена на приемлемую величину, многие физики нашли стандартную модель Большого взрыва слишком придуманной. Так что проблема плоскостности высвечивает экстремальную чувствительность стандартной модели Большого взрыва к условиям в удаленном прошлом, о которых мы знаем очень мало; это показывает, как теория для своей работоспособности должна предполагать, какой была вселенная.