Geum.ru

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материалаДокументы

Содержание


Инфляция, квантовое дрожание и стрела времени
Подобный материал:
1   ...   31   32   33   34   35   36   37   38   ...   66


Но имеется вторая, равно важная причина, почему 70 процентов является замечательным числом. Космологическая константа, которая дает вклад 70 процентов в критическую плотность, будет вместе с 30 процентами, приходящимися на ординарную материю и темную материю, давать полную массу/энергию вселенной точно равную полным 100 процентам, предсказываемым инфляционной космологией! Так что направленное наружу оттталкивание, продемонстрированное данными по сверхновым, может быть объяснено именно тем правильным количеством темной энергии для оценки невидимых 70 процентов вселенной, что вызывало недоумение в инфляционной космологии. Измерения сверхновых и инфляционная космология изумительно дополняют друг друга. Они подтверждают друг друга. Каждое направление обеспечивает подтвержденное второе мнение для другого.[24]


Объединяя наблюдаемые результаты по сверхновым с теоретическими предсказаниями инфляции, мы, таким образом, достигаем следующего эскиза космической эволюции, обобщенного на Рис.10.6. Сначала энергия вселенной переносилась полем инфлатона, которое было возвышено от своего состояния минимальной энергии. Вследствие своего отрицательного давления поле инфлатона вызвало гигантский взрыв инфляционного расширения. Затем, примерно на 10–35 секунды позднее, когда поле инфлатона сползло вниз в своей чаше потенциальной энергии, взрыв расширения подошел к концу и инфлатон избавился от своей сдерживаемой энергии, отдав ее на производство ординарной материи и излучения. Много миллиардов лет эти привычные составляющие вселенной оказывали ординарное притягивательное гравитационное воздействие, которое замедляло пространственное расширение. Но когда вселенная выросла и истончилась, гравитационное поле уменьшилось. Около 7 миллиардов лет назад ординарное гравитационное притяжение стало достаточно слабым, чтобы гравитационное отталкивание космологической константы вселенной стало доминировать, и с тех пор темп пространственного расширения постоянно возрастает.


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.


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.


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.