Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Ця ситуація вельми нагадує те, що могло трапитися з вами, якщо вам колись доводилося планувати велику вечірку, а тоді забути вчасно поставити пиво в холодильник. Тоді ви ставите пиво в морозильник, проте в ході вечірки забуваєте про нього. Наступного дня ви знаходите пиво, відкриваєте пляшку і – бабах! – пиво в пляшці зненацька замерзає та розширюється, розбиваючи скло й спричиняючи страшенний гармидер. Поки кришку не знято, пиво перебуває під великим тиском, а за цього тиску й температури пиво рідке. Але щойно ви знімаєте кришку та знижуєте тиск, пиво раптово замерзає. Під час цього фазового переходу, у ході якого пиво переходить у новий, урівноважений стан, вивільняється достатня кількість енергії, щоб крига, яка розширюється, розбила пляшку.

Тепер уявіть собі аналогічну ситуацію в холодному кліматі. Свіжого та дощового зимового дня температура може швидко впасти нижче від точки замерзання, примушуючи дощ змінитися снігом. А от калюжі води на вулиці можуть замерзнути не одразу, тим паче якщо їх постійно збурюють колеса машин. Пізніше, коли рух стає менш жвавим, вода може раптово замерзнути, спричиняючи появу на дорозі небезпечної чорної криги. Через попереднє збурення машинами та швидке зниження температури вода застрягає в «метастабільній фазі», себто у вигляді рідини. Утім, урешті-решт відбувається фазовий перехід, і формується чорна крига. Оскільки за таких низьких температур преференційним найменш енергетичним станом води є твердий, то в результаті замерзання рідина вивільняє надмірну енергію, яку зберігала в метастабільному рідкому стані.

Гут задумався, що сталося б у ранньому всесвіті, якби така поведінка мала місце під час переходу, описаного ТВО, себто якби яке б не було скалярне поле, котре для цього переходу грає роль поля Хіггса, залишилося б на короткий час у початковому основному стані, що зберігає симетрію, навіть попри охолодження всесвіту нижче від точки, у якій преференційним стає новий конденсований основний стан, який симетрію порушує. Гут збагнув, що цей тип енергії, який це поле зберігало в просторі до завершення переходу, буде відштовхуватися гравітацією. Унаслідок цього всесвіт різко розшириться (можливо, у гігантську кількість разів, на двадцять п’ять порядків чи більше) за мікроскопічно короткий час.

Далі Гут відкрив, що цей період стрімкого розширення, яке він назвав роздуттям, здатен розв’язати кілька наявних парадоксів, пов’язаних із картиною Великого вибуху, зокрема пояснити, чому всесвіт на великих масштабах настільки однорідний та чому тривимірний простір на великих масштабах виглядає настільки близьким до геометричної пласкості. Без роздуття відповісти на ці запитання, схоже, неможливо. Перша проблема розв’язується, оскільки впродовж стрімкого розширення будь-які початкові неоднорідності розгладжуються, точно як зморщена повітряна кулька стає гладенькою, коли її надувають. Якщо розвинути цю аналогію, то поверхня кульки, надутої дуже сильно, скажімо, до розмірів земної кулі, виглядатиме дуже пласкою, точно як Канзас. Цей феномен, який породжує двовимірне сприйняття Землі, поширюється й на тривимірну кривизну простору як такого. Після роздуття простір здаватиметься пласким; якщо точніше, він виглядатиме як усесвіт, у якому, на думку більшості з нас, ми вже й так живемо, де паралельні лінії не перетинаються, а осі x, y та z в усіх точках усесвіту вказують у тих самих напрямках.

Після роздуття енергія, що зберігалась у просторі в лжевакуумному стані, вивільниться, породжуючи елементарні частинки та повторно нагріваючи всесвіт до високої температури, створюючи таким чином природну й реалістичну початкову умову подальшого стандартного гарячого розширення в рамках Великого вибуху.

Мало того, через рік після того, як Гут запропонував свою картину, кілька груп здійснили обрахунки, що сталося б із частинками й полями під час стрімкого розширення всесвіту в процесі роздуття. Вони відкрили, що незначні неоднорідності, спричинені квантовими ефектами ранніх часів, під час роздуття «заморозяться». Після роздуття ці незначні неоднорідності розростуться й утворять галактики, зірки, планети тощо й також залишать відбиток на реліктовому мікрохвильовому фоновому (РМФ) випромінюванні, який точно відповідає пізніше встановленій закономірності. Проте, використовуючи різні моделі роздуття, можемо одержати різні передбачення РМФ-анізотропій (на цьому етапі роздуття є радше моделлю, аніж теорією, а оскільки експериментально не встановлено існування якогось одного унікального ТВО-переходу, допустимі й багато різних варіантів).