Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности

Инфляция

А вот почему. Хотя переохлаждённое поле Хиггса обладает определёнными свойствами космологической постоянной, Гут понял, что они не абсолютно идентичны. Напротив, имеется два ключевых различия, которые всё меняют.

Во-первых, в то время как космологическая постоянная является константой — она не меняется со временем, так что она обеспечивает постоянное, неизменное отталкивание, — переохлаждённое поле Хиггса не обязательно должно быть постоянным. Подумаем о лягушке, усевшейся на выпуклость в центре чаши на рис. 10.1а. Она может сидеть там некоторое время, но рано или поздно случайный прыжок — прыжок, вызванный не тем, что чаша горячая (она уже остыла), а скорее тем, что лягушка неугомонная, — столкнёт лягушку с выпуклости, после чего она соскользнёт вниз к низшей точке чаши, как показано на рис. 10.1б. Поле Хиггса может вести себя аналогично. Его величина во всём пространстве может застрять на центральном плато энергетической чаши, в то время как температура упадёт слишком низко, чтобы вызвать существенное тепловое воздействие на поле. Но квантовые процессы будут вызывать хаотические скачки величины поля Хиггса, и достаточно большой скачок сбросит его с плато, позволив его энергии и давлению релаксировать к нулю.^{133} Расчёты Гута показали что, в зависимости от точной формы выпуклости в центре энергетической чаши этот скачок может произойти быстро, возможно, в течение такого короткого времени, как 0,00000000000000000000000000000001 (10^?35) с. Впоследствии Андрей Линде, работавший в то время в Физическом институте им. П. Н. Лебедева в Москве, и Пол Стейнхардт, работавший тогда со своим студентом Андреасом Альбрехтом в университете Пенсильвании, нашли способ для поля Хиггса релаксировать к нулевой энергии и давлению во всём пространстве даже более эффективно и существенно более однородно (при этом разрешив некоторые технические проблемы, свойственные изначальному предложению Гута).^{134} Они показали, что если чаша потенциальной энергии более гладкая и более пологая, как на рис. 10.2, то квантовые скачки могут не потребоваться: величина поля Хиггса быстро скатится в жёлоб, как мяч с горки. Итог таков: если поле Хиггса действовало подобно космологической постоянной, это продолжалось лишь крошечное мгновение.

Рис. 10.1. (а) Переохлаждённое поле Хиггса — это поле, величина которого захвачена на высокоэнергетическом плато энергетической чаши, как лягушка на выпуклости в центре чаши. (б) В типичном случае переохлаждённое поле Хиггса быстро найдёт путь вниз с плато и скатится к величине с меньшей энергией, как лягушка, спрыгнувшая с выпуклости

Рис. 10.2. Более гладкая и более пологая выпуклость позволяет величине поля Хиггса скатиться вниз в жёлоб с нулевой энергией легче и более однородно во всём пространстве

Второе отличие заключается в том, что, в то время как Эйнштейн произвольно подобрал значение космологической постоянной — количество энергии и отрицательного давления, которое она вносит в каждый объём пространства (так чтобы её отталкивающая сила в точности компенсировала силу притяжения, возникающую от обычной материи и излучения в космосе), Гут смог вычислить вклад в энергию и отрицательное давление от полей Хиггса, которые изучали они с Таем. И ответ, который он получил, был более чем в 10¹⁰⁰ (единица и сто нулей) раз больше, чем величина, выбранная Эйнштейном. Эта величина, очевидно, огромна, так что отталкивание, которое создаёт отталкивающая гравитация поля Хиггса, грандиозно по сравнению с тем, что Эйнштейн исходно имел в виду для космологической постоянной.

Теперь, если мы объединим эти два наблюдения — что поле Хиггса будет находиться на плато в высокоэнергичном состоянии с отрицательным давлением только микроскопическое мгновение и что пока оно находится на плато, генерируемое им отталкивание будет гигантским, — что мы получим? Как осознал Гут, мы получим феноменальный кратковременный взрыв. Другими словами, мы получим в точности то, чего не хватает теории Большого взрыва: взрыв, и при этом большой. Вот почему открытие Гута так воодушевляет.^{135}

Таким образом, космологическая картина, возникающая благодаря прорыву Гута, состоит в следующем. Очень давно, когда Вселенная была чудовищно плотной, носителем её энергии было поле Хиггса, имеющее значение, далёкое от низшей точки в его потенциальной чаше. Чтобы отличать это специальное поле Хиггса от других (таких как электрослабое поле Хиггса, отвечающее за появление массы у обычных семейств частиц, или поле Хиггса, которое возникает в теориях великого объединения)^{136} его обычно называют полем инфлатона. Вследствие своего отрицательного давления поле инфлатона генерировало гигантское гравитационное отталкивание, которое растаскивало каждую область пространства прочь от любой другой; на языке Гута инфлатон вызвал во Вселенной инфляцию (раздувание). Отталкивание длилось всего около 10^?35 с, но оно было столь мощным, что даже за этот краткий момент Вселенная раздулась в гигантское число раз. В зависимости от деталей точной формы потенциальной энергии поля инфлатона Вселенная могла легко расшириться в 10³⁰, 10⁵⁰, 10¹⁰⁰ раз или больше.

Эти числа потрясают. Коэффициент расширения 10³⁰ — консервативная оценка — подобен увеличению размера молекулы ДНК приблизительно до размера нашей Галактики (Млечного Пути), и всё это за временной интервал много короче, чем миллиардная от миллиардной от миллиардной доли от времени, необходимого, чтобы моргнуть глазом. Для сравнения, даже эта консервативная оценка в миллиарды и миллиарды раз больше расширения, которое могло бы возникнуть в соответствии со стандартной теорией Большого взрыва за то же время, и это превышает полный фактор расширения, который был достигнут за последующие 14 млрд лет! Во многих моделях инфляции, в которых рассчитанный фактор расширения намного больше, чем 10³⁰, результирующая пространственная протяжённость Вселенной настолько велика, что та область, которую мы можем видеть даже в самые мощные телескопы, является только крохотным кусочком всей Вселенной. В соответствии с этими моделями свет, испущенный в подавляющем большинстве областей Вселенной, до сих пор не смог достигнуть нас, и б?ольшая часть его не появится ещё очень долго после того, как исчезнут Солнце и Земля. Если весь космос уменьшить до размеров Земли, то часть, доступная нашим наблюдениям, будет намного меньше песчинки.

Примерно через 10^?35 с после начала раздувания поле инфлатона нашло путь вниз с высокоэнергетического плато, и его величина во всём пространстве соскользнула на дно чаши, выключив отталкивание. И когда поле инфлатона скатилось вниз, оно передало свой запас энергии на рождение обычных частиц материи и излучения — подобно тому как туман оседает на траву утренней росой, — которые однородно заполнили расширяющееся пространство.^{137} С этого момента история становится по существу историей стандартной теории Большого взрыва: пространство вследствие взрыва продолжает расширяться и охлаждаться, позволяя частицам материи собираться в структуры вроде галактик, звёзд и планет, которые медленно распространяются во Вселенной, которую мы видим в настоящее время, как показано на рис. 10.3.

Рис. 10.3. (а) Инфляционная космология вводит быстрое