Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

Alan H. Guth, "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems", Physical ReviewD 23 (1981): 347. Формальный физический термин для обозначения «космического топлива» — скалярное поле. В отличие от более привычных электрического и магнитного полей, которые дают вектор в каждой точке пространства (величину и направление электрического или магнитного поля в этой точке), скалярное поле дает в каждой точке пространства лишь одно число (либо числа, из которых можно определить энергию поля и давление). Обратите внимание: в статье Гута, как и во многих последующих работах, подчеркивается роль инфляции в разрешении целого ряда космологических вопросов, прежде ставивших исследователей в тупик, — проблемы монополя, проблемы горизонта и, самое заметное, проблемы кривизны пространства. Доступный и полезный разбор этих вопросов см. в: Alan Guth, The Inflationary Universe (New York: Basic Books, 1998). Мне, вслед за Гутом, нравится объяснять инфляцию, поднимая более интуитивно понятный вопрос об определении внешнего толчка, давшего начало пространственному расширению Большого взрыва. [На русском языке вопрос весьма доходчиво изложен в книге Виленкин А. Мир многих миров. М.: CORPUS, Астрель, 2010. — Прим. науч. ред.]

Остывание, о котором идет речь, происходит после завершения инфляционного взрыва, когда Вселенная уже вошла в фазу менее стремительного, но все еще значительного пространственного расширения. Для простоты я обошел вниманием кое-какие промежуточные этапы развертывания космоса. Ранняя Вселенная остывала потому, что значительная часть содержавшейся в ней энергии несла в себе электромагнитные волны, а эти волны с расширением пространства растягиваются. Удлинение электромагнитных волн — так называемое красное смещение — уменьшает их энергию и снижает их общую температуру. Заметьте, однако, что, несмотря на понижение температуры, общая энтропия возрастает из-за увеличения объема пространства.

Существует также не самая популярная точка зрения, которая объясняет туманность изначальным квантовым ограничением на точность измерений, а не фундаментальной размытостью реальности. В этом подходе — его обычно называют «бомовской механикой» в честь физика Дэвида Бома, но иногда говорят и о «теории де Бройля — Бома», включая авторство нобелевского лауреата Луи де Бройля, — частицы сохраняют резкие и тонные траектории. Эти траектории отличаются от тех, что предсказывает классическая физика (на частицы во время движения действует дополнительная квантовая сила), но, воспользовавшись приведенным в главе сравнением, скажем, что эти траектории можно проводить острым пером. Неопределенность и размытость, упоминаемые в более традиционной формулировке квантовой механики, проявляются как статистическая неопределенность начального состояния любой заданной частицы. Разница между двумя этими подходами, хотя и существенная в плане картины реальности, которую рисует каждая из теорий, практически никак не влияет на квантовые предсказания.

Инфляционная космология — это совокупность теорий (в отличие от конкретной теории), основанных на предположении о том, что на раннем этапе развития Вселенная прошла короткий период стремительного ускоренного расширения. Конкретный механизм возникновения этой фазы и конкретные детали ее развития варьируют от одной математической формулировки к другой. Простейшие варианты плохо уживаются со все более точными наблюдательными данными, поэтому фокус сместился к несколько более сложным версиям инфляционной теории. Критики утверждают, что эти самые более сложные версии менее убедительны, и, более того, демонстрируют, что инфляционная парадигма слишком гибкая и полностью опровергнуть ее невозможно никакими данными. Сторонники утверждают, что мы здесь являемся свидетелями нормального научного процесса: мы непрерывно совершенствуем свои теории, приводя их в соответствие с наиболее точной информацией, извлекаемой из наблюдательных измерений и математических соображений. Говоря в более общем плане и на более формальном языке, утверждение, широко принимаемое космологами, состоит в том, что Вселенная пережила некую фазу, на протяжении которой размер сопутствующего горизонта уменьшился. Менее ясно, верно ли эта фаза описывается инфляционной космологией, в которой динамика обусловлена равномерно распределенной энергией скалярного поля, пронизывающей пространство (см. примечание 3 к этой главе), как я описал, или эта фаза, возможно, вызвана другим механизмом (среди множества предложенных физиками теорий можно назвать такие, как отскакивающая космология, инфляция браны, сталкивающиеся миры — браны, теории с переменной скоростью света и т. п.). В главе 10 мы коротко обсудим возможность отскакивающей космологии в варианте Пола Стейнхардта, Нила Турока и их коллег, в которой Вселенная проходит многочисленные циклы космологической эволюции.