Шон Кэрролл - Вечность. В поисках окончательной теории времени

Поле, у которого нет ничего, кроме потенциальной энергии (ни вибраций, ни движения, ни скручивания), просто существует, не изменяясь. Следовательно, его потенциальная энергия на кубический сантиметр остается постоянной, даже если Вселенная расширяется. Мы понимаем, что это значит: это энергия вакуума. (Точнее, это один из многих возможных вкладов в полную энергию вакуума.) Поле можно представлять себе как мяч, катящийся вниз по склону холма; он стремится к тому, чтобы остановиться в покое во впадине между холмами, где значение энергии ниже всего, – по крайней мере, ниже, чем любое другое соседнее значение. Разумеется, возможны и другие значения поля, которым соответствует еще более низкая энергия, но эти, более глубокие «впадины» разделены «холмами». На рис. 14.6 поле может счастливо жить при любом значении: A, B или C, но только в точке B энергия на самом деле минимальна. Значения A и C известны как «ложные вакуумы», и они кажутся состояниями с самой низкой энергией лишь тогда, когда для сравнения вы берете только соседние значения. «Истинный вакуум», где энергия на самом деле меньше всего, – это B. (Для физика «вакуум» – это не упражнение для укрепления брюшного пресса и даже не обязательно «пустое пространство». Это просто «состояние теории с самой низкой энергией». Посмотрите на кривую потенциальной энергии для какого-то поля: дно каждой впадины соответствует отдельному вакуумному состоянию.)

Гут совместил эти идеи в своем сценарии инфляционной Вселенной. Вообразите, что гипотетическое поле инфлатона пребывает в точке A, в одном из ложных вакуумов. Поле вносит существенный вклад в энергию вакуума, вследствие чего Вселенная ускоренно расширяется. Теперь нам остается лишь объяснить, как поле сумело переместиться из ложного вакуума A в истинный вакуум B, в котором мы сейчас живем, – как случился этот фазовый переход, превращающий энергию, запертую в поле, в обычную материю и излучение. Изначально Гут предположил, что это произошло, когда в ложном вакууме появились пузыри истинного вакуума, которые затем увеличились и, столкнувшись с другими пузырями, заполнили все пространство. Как выясняется, такой вариант, известный сегодня под названием старой инфляции, не работает; переход случается либо слишком быстро, и тогда инфляционного расширения не хватает, либо слишком медленно, и тогда инфляция никогда не заканчивается.

К счастью, вскоре после публикации первоначальной статьи Гута было сделано альтернативное предположение: представьте себе, что инфляция не застряла во «впадине» ложного вакуума, а начинается на возвышенном плато – длинном и почти плоском. Поле медленно катится вниз по плато, сохраняя почти постоянную энергию, и в конце концов падает с обрыва (фазовый переход). Это называется новой инфляцией, и в настоящее время это самая популярная среди космологов реализация идеи инфлатирующей Вселенной. [267]

Однако этим дело не ограничивается. Помимо решения проблем горизонта, плоскостности и монополей, к инфляции также прилагается совершенно неожиданный бонус: она способна объяснить истоки небольших флуктуаций плотности ранней Вселенной, которые впоследствии выросли в звезды и галактики.

Рис. 14.7.Кривая потенциальной энергии, соответствующая «новой инфляции». Поле никогда не застревает во впадине, а просто очень медленно катится вниз с возвышенного плато, прежде чем рухнуть в минимум. Плотность энергии в течение этой фазы не постоянна, но близка к тому

Механизм прост и неизбежен: квантовые флуктуации. Инфляция старается изо всех сил, для того чтобы сделать Вселенную как можно более однородной, но ей не преодолеть фундаментальный предел, определяемый квантовой механикой. Конфигурация не может стать слишком однородной, иначе мы нарушим принцип неопределенности Гейзенберга, описав состояние Вселенной слишком точно. Неизбежная квантовая нечеткость в плотности энергии от места к месту во время инфляции оставляет свой отпечаток на плотности материи и излучения, в которые инфляция преобразуется, а это можно перевести в очень точные и конкретные предсказания того, какие типы возмущений плотности мы должны увидеть в ранней Вселенной. Это те самые начальные возмущения, приводящие к температурным флуктуациям микроволнового фонового излучения и вырастающие в конечном итоге в звезды, галактики и кластеры. Пока предсказанные инфляцией типы возмущений прекрасно согласуются с данными наблюдений. [268]Дух захватывает, когда смотришь на небо, на все эти галактики, рассыпанные по пространству, и понимаешь, что все они зародились в квантовых флуктуациях, когда Вселенной была всего лишь доля секунды от роду.