Питер Эткинз - Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

Так как эти идеи являются довольно странными, будет полезно взглянуть на них в более широком контексте. Во-первых, примечательным фактом является то, что химики до поздней стадии развития их науки не считали воздух подходящим предметом для изучения, ибо как нечто несубстанциональное может иметь химические свойства? То же самое мы можем думать о вакууме. История науки, похоже, следует по пути, на котором мы узнаем все больше и больше о все меньшем и меньшем; воздух уже седая древность, а в центре внимания физиков теперь множество разных вакуумов, и можно предположить, что, когда они подойдут к построению теорий об подлинном моменте начала Вселенной, им придется изучать уже совсем абсолютное ничто. Может быть, мы откроем, что абсолютное ничто имеет свойства и может принимать различные формы! [44]

Нам следует остановиться на вопросе, как наличие энергии у вакуума приводит к быстрому раздуванию. Этот механизм представляет собой вид положительной обратной связи. Во-первых, чем больше расширяется Вселенная, тем больше в ней образуется вакуума, и если вакуум обладает энергией, то полная энергия Вселенной возрастает. Далее, решения Фридмана показывают, что скорость расширения Вселенной растет вместе с энергией, которую она содержит, поэтому скорость расширения возрастает вместе с расширением. Поскольку скорость расширения пропорциональна масштабу Вселенной, этот масштаб возрастает экспоненциально со временем. Экспоненциальные изменения нарастают очень быстро, поэтому все большая скорость раздувания присутствует, пока присутствует скалярное поле (рис. 8.9).

Рис. 8.9.Раздувающаяся Вселенная. В короткий период времени после начала масштаб Вселенной начинает возрастать с колоссальной скоростью, более чем удваивая свой радиус каждые 10 −35секунды. Эра раздувания выглядит экспоненциальным ростом размера, но заканчивается за 10 −32секунды. После этого расширение проходит гораздо более неторопливо и соответствует одному из сценариев, показанных на рис. 8.4.

Однако в модели де Ситтера есть проблема отсутствия механизма прекращения раздувания. Раздувание продолжалось бы вечно, и в результате все вещество и излучение Вселенной быстро размазались бы до нуля, оставляя Вселенную пустой. Это противоречит опыту, поэтому его модель раздувания была отброшена и по большей части забыта. Однако в конце двадцатого века концепция раздувания возродилась на двух изолированных островках интеллектуальной активности, каждый за горизонтом коммуникации другого. Один центр активности был в тогдашнем Советском Союзе, где в 1979 г. Алексей Старобинский использовал идеи из общей теории относительности для развития более ранней идеи, которую другой русский, Эраст Глинер, предложил в 1965 г. За горизонтом, в Соединенных Штатах, Алан Гут рассматривал проблему нежелательного возникновения магнитных монополей как проблему физики частиц, и в 1981 г. пришел к похожей идее.

Центральной идеей этой ранней версии раздувания была идея рассматривать его как вид «фазового перехода», изменения состояния, аналогичного превращению воды в лед. Когда Вселенная раздувается, она охлаждается, и ее расширение столь огромно, что она может охладиться до абсолютного нуля. Тогда, однако, наступает момент, когда ложный вакуум коллапсирует в истинный вакуум, освобождая огромное количество энергии. Чтобы обрисовать этот переход, представьте себе ложный вакуум подобным жидкой фазе воды, прозрачной среде, которая выглядит, как будто там ничего нет. Раздувающееся состояние Вселенной похоже на переохлажденную воду, она имеет температуру много ниже точки замерзания, но остается жидкой. Когда вода внезапно замерзает, она освобождает «скрытую теплоту», поскольку молекулы воды организуются в структуру с более низкой энергией, лед. Подобным же образом переохлажденный ложный вакуум внезапно превращается в истинный вакуум, освобождая всю энергию скалярного поля, повышая температуру Вселенной и приводя раздувание к концу. С этого момента сценарий Большого Взрыва завершен, и Вселенная продолжает расширяться гораздо более неторопливо.

В этом суть «старого» сценария раздувания. Как можно предположить из этого названия, существует и более новая версия. Проблема старой модели состоит в том, что освобождение энергии снова нагревает Вселенную так сильно, что в конце эры раздувания появляется много дефектов — монополей, — слишком много для того, чтобы раздувание могло их унести. Другая проблема связана со скоростью, с которой раздувание происходит и приходит к концу. Например, в своей ранней форме Вселенная коллапсировала бы прежде, чем у раздувания было бы время развиться. Один из «новых» сценариев раздувания решает эти проблемы.