Брайан Китинг - Гонка за Нобелем. История о космологии, амбициях и высшей научной награде

Прошло два года. Гут превратился из постдока в профессора Массачусетского технологического института, прежде чем разработал детально свою теорию. В эпохальной статье «Инфляционная Вселенная: возможное решение проблем горизонта и плоскостности» Гут засеял семенами совершенно новое поле космологии {8} . Но взойдут ли эти семена?

Реальность превзошла самые смелые его ожидания.

В начале 1980-х годов семена Гута пали на благодатную почву. Это была замечательная эпоха в физике, когда теории конденсированных сред — теории газов, жидкостей и твердых тел — соединялись с теориями физики высоких энергий, описывающими частицы, силы и поля.

Захватывающая мысль Гута состояла в соединении двух, казалось бы, не связанных между собой областей физики: физики конденсированного состояния и физики элементарных частиц. Он утверждал, что в самой ранней Вселенной существовал необычный феномен — поле . При определенных свойствах этого поля Вселенная могла за доли секунды расшириться от микроскопического до мегаскопического масштаба, став при этом плоской, а потом породить крошечные флуктуации, чтобы в один прекрасный день навести Алана Гута на мысль об инфляционной Вселенной. Но чтобы понять, что такое инфляция, сначала нам нужно выяснить, что такое поле.

Поле — это математический инструмент, описывающий, как физическая величина, скажем температура, меняется в разных точках пространства. Например, температура воздуха в помещении — это поле: набор чисел, которые меняются в зависимости от положения — немного ниже у окна и выше рядом с обогревателем. Такие поля, которые представляют собой простой набор чисел, соответствующих конкретным точкам в пространстве, называются скалярными полями.

Гут математически показал [21], что если в ранней Вселенной сразу после ее рождения присутствовало особое скалярное поле с определенными свойствами, то потом могли произойти поистине фантастические вещи. Он окрестил это первичное скалярное поле инфлатонным полем, или просто инфлатоном. Откуда взялось это инфлатонное поле, Гут так и не смог объяснить. Но, по его словам, это было не так важно.

Если инфлатонное поле существовало с самого начала, пока Вселенная расширялась и охлаждалась, в нем тоже должны были происходить заметные изменения. Представим себе цилиндр, наполненный газом, который можно сделать сжатым или разреженным с помощью поршня, как показано на рис. 33. Если бы вы внезапно увеличили объем цилиндра, то плотность и температура газа соответственно уменьшились бы. Точно так же, если выдвинуть поршень достаточно быстро и сильно, температура газа снизится настолько, что газ конденсируется в жидкость, т. е., как говорят физики, претерпит фазовый переход.

У Гута цилиндр — это Вселенная, вместо газа в цилиндре инфлатонное поле, а рука, вытягивающая поршень, играет роль «посредника». Хотя наша Вселенная экспоненциально расширилась по неизвестным причинам, тем не менее заполняющее ее инфлатонное поле претерпевало фазовый переход. Но поскольку в реальности ничто не бывает идеальным, фазовый переход инфлатона не может быть одинаковым во всех точках Вселенной. Например, в нашем опыте с цилиндром, наполненным обычным газом, если расширение произойдет очень быстро, внутри жидкого конденсата могут остаться области газообразной фазы — в виде пузырьков газа.

Аристотель утверждал: «Natura ablwrret vacuum» («Природа не терпит пустоты»). Как и бо́льшая часть сказанного Аристотелем о физике, это неверно. Для физиков вакуум означает отсутствие материи и энергии. В отличие от Природы, Гут полюбил такую пустоту. Его инфлатонное поле требовало особого типа вакуума, известного как ложный вакуум — ложный не потому, что его не существует, а потому, что это не истинный вакуум.

Истинный вакуум — это состояние, в котором система имеет наименьшее из возможных количество энергии. Если взять шар, скатывающийся по склону, то подножие будет тем местом, где шар достигнет низшего уровня гравитационной энергии (рис. 34). Это и есть состояние истинного вакуума. Однако, если шар попадет в углубление где-то посреди склона, он может пребывать в этом месте в состоянии покоя, но не будет находиться в состоянии наименьшей энергии, которое для него возможно. Такое состояние, когда гравитационная потенциальная энергия шара соответствует «локальному», а не глобальному минимуму, называется ложным вакуумом.