Инфляционная модель Вселенной в изложении на пальцах™
Эпиграф:
И целого мира мало!
Могу поспорить, среди читающих эти строки нет ни одного человека, который бы ни разу в жизни не слышал о теории Большого Взрыва. Допускаю, что на Земле попадаются подобные персонажи - крестьянин из заброшенной деревушки в горах Тибета, туземец племени Тонга-Тонга, мормон из Юты, наверняка такие где-то, да встречаются. Однако если вы умеете читать, имеете доступ в Интернет и смогли, пусть случайно, зайти в этот блог - могу гарантировать, вы обязательно что-нибудь хоть краем уха, но слышали о теории Большого Взрыва.
В этом посте я расскажу о текущем научном понимании этой теории, текст получился немаленький, но обещаю, сегодня вы узнаете что-то новое, то, что раньше не знали, и даже не задумывались.
Прежде всего, забавно, но мало кто задумывался, в чем же, собственно, заключается теория Большого Взрыва? Попробуйте вот прямо сейчас покрутить в голове факты, что вы знаете о ней, а потом я изложу, как она звучит на самом деле.
Попробовали? Ну, еще 20 секунд на размышления...
А теперь пожалуйте далее
Итак. Теория Большого Взрыва утверждает, что раньше наша Вселенная была маленькая и горячая, с тех пор она расширяется и остывает. Точка. Больше ничего в данной теории нет, не выдумывайте лишнего.
Удивительно, но в классической теории Большого Взрыва нет самого важного - нет собственно Большого Взрыва. Нигде не упоминается, что это был за "взрыв", что же там взорвалось, куда взорвалось, как и почему.
Следуя основному тезису, что "сначала наша Вселенная была маленькая и горячая", можно мысленно растянуть его еще дальше (хотя обращаю внимание, это уже НЕ ЕСТЬ теория Большого Взрыва, это именно попытки растянуть границы применимости в область догадок и фантазий) и придти к предположению, что еще раньше вся Вселенная была собрана в одну точку, называемую точкой сингулярности, которая позже взорвалась по каким-то своим внутренним причинам.
Замечу, что теория Большого Взрыва ("раньше Вселенная была маленькая и горячая, а потом стала большая и холодная") сегодня не является теорией, как таковой. Можно считать, что это вполне себе научно установленный факт, подтверждаемый огромным количеством наблюдений, сегодня нет ни одного стоящего ученого, который бы сомневался в нем. Но вот насчет точки сингулярности (лежащей, повторюсь, вне пределов границ применимости теории Большого Взрыва) у ученых не только нет единого мнения, у них вообще никакого мнения нет.
Никто не имеет ни малейшего понятия, что это за "сингулярность". Сингулярность это вообще плейсхолдер (слово-заменитель) фразы "я не знаю". То есть на вопрос "равны ли классы P и NP?", или "жив ли кот Шредингера?", или даже "как звучит хлопок одной ладони?" можно смело отвечать "Сингулярность!".
Не ошибешься.
Теория Большого Взрыва была сформулирована в 20-х годах прошлого столетия, и вот уже с тех пор целый век ученые только и занимаются тем, что пытаются понять, в чем же суть сингулярности, и нельзя ли как-нибудь от нее избавиться?
Основная проблема сингулярности - в ней происходит натуральное деление на ноль, причем в самом прямом смысле. Все формулы превращаются в чепуху, 3 становится равно 5, и одна бесконечность начинает наползать на другую. А это конец физики, конец науки, дальше живут лишь драконы-ЕГГОГи, и где-то из складок пространства ехидно подмигивает сам Всевышний.
Много разных способов, подходов и хитростей предлагалось на замену сингулярности, лучше всех покуда получилось у американского физика Алана Гута в 1981-м году. Как всегда в очередной раз напомню, наука дело коллективное, Гут, как и все предшественники, вскарабкался на плечи гигантов, но в этом коротком тексте на пальцах™ я не стану перечислять всех предшественников, коллег и оппонентов, упомяну лишь одну фамилию, того заслуживающую - Алексей Старобинский, который высказывал похожие идеи ранее, но слава первооткрывателя закрепилась именно за Аланом Гутом.
Гут предложил сделать хитрый финт ушами. Внимательно следите за руками и ушами, сейчас я покажу вам фокус. Давайте мысленно(!) достанем из всех текстов слово "сингулярность" и положим вместо него фразу "скалярное поле". Обращаю ваше внимание, на данном этапе ничего не поменялось, термин "скалярное поле" продолжает являться полным аналогом ( плейсхолдером) "сингулярности", которая в свою очередь, как мы помним, лишь заменитель фразы "я не знаю".
Что это за "скалярное поле", каковы его характеристики, откуда оно появилось, что вообще, черт возьми, происходит - все так же нет ответов. Покуда "скалярное поле", или как его еще называют в английской традиции "поле инфлатонов" (потому что "инфляция" же), это лишь результат мысленного эксперимента в попытках уйти от сингулярности и придти к чему-то еще. Пока это не более чем замена шила на мыло. Но будем настоящими учеными, доведем наш мысленный эксперимент до конца, и посмотрим, что же получилось в итоге.
Итак, по Гуту, первоначальная протоВселенная была безвидна и пуста, в ней ничего не было и ничего не происходило, она была бесконечна, или как минимум очень-очень-очень большая, гораздо больше, чем современная Обозримая Вселенная, и вся она была заполнена этим самым скалярным полем, про которое нам ничего не известно, кроме того, что это какое-то поле, и что оно как ясно из названия - скалярное.
Не стану грузить читателя определением "скаляра", это не особо нужно в рамках данного поста, совсем просто и на пальцах™ можно считать, что в этом поле присутствует какая-то "напряженность". Поле несет в себе некую энергию, как грозовая туча несет в себе готовую пролиться дождем воду.
Чем эта ситуация лучше предыдущей с сингулярностью с точки зрения физики? Да всем! Пусть мы не знаем ни одной характеристики данного поля, пусть мы понятия не имеем, что там была за напряженность и откуда она взялась, но это вам не деление на ноль! Теперь у нас есть решаемая задача, можно начать писать какие-то формулы (сами понимаете, настоящего ученого мёдом не корми, дай только каких-нибудь трехэтажных формул нафигачить), в которые возможно подставлять начальные условия и коэффициенты, делить и умножать, вычислять, что получиться в итоге, и потом сравнивать с результатами непосредственных наблюдений и экспериментов.
Да, звучит смешно и даже как-то глупо, натуральное "шило на мыло", но это оказался реальный прорыв. Это шаг вперед по сравнению с тотальным "я не знаю", начертанным на бетонной стене, это уже серьезная заявка на успех, на обход, на подкоп или хотя бы на лестницу.
Однако самое смешное, что фокус со скалярным полем у Алана Гута удался, а вот формулы как раз не заладились. Алан принес в науку идею скалярного поля и его инфляции (о механизме инфляции чуточку позже), но верно описать свои мысли сухим языком математики у него не получилось. Ряды расходились, все снова начинало делиться на ноль, короче полный провал.
И лишь через год подпритухший факел инфляционной модели высоко поднял Андрей Линде, советский ученый, временно проживающий в США и возглавляющий кафедру физики в Стэнфордском университете.
Он исправил ошибки теории Алана Гута, заставил формулы сходиться и давать предсказуемый и проверяемый результат, но попутно открыл настоящий ящик Пандоры, о котором упомяну в самом конце поста, оставлю его на сладкое.
Суть инфляционной модели Вселенной (коротенько так, образно и туманно) такова:
Мы помним, что протоВселенная, предшественница нашей Вселенной, была заполнена неким скалярным полем, о котором нам ничего не известно, кроме наличия самого поля и его "скалярности". Скалярное, не скалярное, но принципы квантовой механики никто не отменял! Вот уже сто лет, как никому, включая самого Альберта Эйнштейна, ни разу не удавалось обмануть или обойти принципы квантовой механики. Что означает, что даже если это поле изначально было однородным (а оно, в принципе, не обязательно должно быть изначально однородным), все равно со временем, под действием квантовых флуктуаций в нем таки появятся мелкие неоднородности, которые по указанию его величества Квантового Случая, могут накладываться друг на друга, образовывая неоднородности крупные.
Ну, крупные-то по квантовым меркам. Все равно это все еще милли-милли-милли-...(и еще 10 раз милли-) Джоули, метры и килограммы, ни о какой нашей Вселенной, с триллионами звезд и галактик речь пока не идет.
И тут внезапно выясняется, что поле у нас не абы какое, а весьма хитрое! В обычном поле, в котором нет трения, неоднородности просто рано или поздно "замкнутся и коротнут" сами на себя. Например возьмем известное и понятное электромагнитное поле. Если где-то возникла разность потенциалов, которая продолжает увеличиваться, то рано или поздно, но закоротит обязательно. Пробежит разряд, возникнет мини-искра (или мега-молния, если разность потенциалов была большая как в грозу) и неоднородность нивелируется.
Кстати, во-первых, внимательный читатель со звездочкой(*), тут должен заявить, что электромагнитное поле, не есть поле скалярное, а как раз наоборот - векторное поле, причем весьма замороченное. Но в данном конкретном примере это роли вообще не играет. И в том и в том поле коротнет практически одинаково, по одному сценарию. Ну, и во-вторых, нельзя сказать, что прям непременно тут же коротнет, заряды могут накапливаться годами и даже миллионами лет. Все зависит от тысячи разных условий, но если прождать достаточно долго (например вечность), то короткое замыкание неоднородностей непременно случится. Естественно, это все не более чем аналогия, причем в этом месте не очень прямая, я лишь пытаюсь на пальцах™ объяснить поведение непонятного скалярного поля на примере понятного электромагнитного.
Так вот, в электромагнитном поле практически нет трения, если можно так выразиться. У электронов есть конечная скорость передвижения и они испытывают прямое сопротивление среды, которое мы и называем сопротивлением электрического тока, но изменения поля передаются со скоростью самого электромагнитного поля, т.е. со скоростью света. Если отойти от темы слишком далеко, то читатель с двумя звездочками(**) должен знать, что даже полный и абсолютный вакуум имеет некий аналог "сопротивления" электромагнитным волнам, но это уже совсем глубокие дебри силы Казимира и прочих эффектов вакуумных флуктуаций, нам туда пока не стоит углубляться, хоть такие посты из серии на пальцах™ планируются в неизвестном, но обозримом будущем.
Короче, можно сказать, что у электромагнитного поля нет внутреннего трения, или оно пренебрежимо мало. Ну, коротнуло и коротнуло в мгновение ока. Если наложить аналогию на аналогию, можно сказать, что замыкание электромагнитного поля это словно бы гора, находящаяся в области высокого потенциала, на которой лежит мячик, а область низкого потенциала это яма под горой, куда этот мячик в конце концов упадет. Так как трения почти нет, мяч несется вниз со всей скорости, фактически со скоростью света. Бац, и упал.
При падении обязательно выделится какая-то энергия, которая пойдет на нагревание окружающего пространства, земли и мячика. В случае электромагнитного поля происходит натуральный разряд поля, т.е. молния. Если дело происходило под водой (а электрические разряды могут коротить и под водой), то в этом месте образуется крохотный пузырек воздуха, когда вода распадется на составляющие ее кислород и водород. Разряд в буквальном смысле молниеносный, разность потенциалов падает быстро, пузырек воздуха получается совсем маленький.
Теперь вернемся к нашему гипотетическому скалярному полю. Так как оно все еще гипотетическое, фантазировать про него и его свойства можно как угодно. Предположим, что в этом поле существует внутреннее трение и оно очень большое. Очень-очень большое. Перекладываясь на аналогию с мячом, он будет падать с горы не в вакууме или там воздухе, а в очень вязкой и тягучей жидкости, например в подсолнечном масле или мёде.
Стало быть сила тяжести тянет мячик вниз, а сила трения мешает ему быстро падать и тянет его назад вверх. И вместо того, чтобы стремительно нестись к подножью (а мы помним, что это лишь аналогия того, как быстро разряжается неравномерность напряженности поля), мячик плавно, практически с постоянной скоростью, т.е. почти равномерно опускается вниз. Разряжение скалярного поля ответственно за создание вакуума, т.е. нашего родимого пространства-времени, падение его потенциала словно бы надувает воздушный шарик, только вместо воздуха там вакуум, а вместо шарика - наша Вселенная. Если бы все происходило без трения, напряженность скалярного поля упала бы очень быстро и у нас получился бы маленький пузырек вакуума в огромном безбрежном океане протоВселенной. Но трение (а по сути само скалярное поле) не дает напряженности падать быстро, мешает и тянет само себя назад. Из-за этого, в то время как напряженность медленно снижается, фактически стоит на месте, "сила надувания", т.е. сила, которая распирает образующийся вакуум во все стороны остается постоянной, и продолжает накачивать с прежним усилием, не смотря на то, что размеры новорожденной Вселенной все увеличиваются и увеличиваются.
Ученые знают, а вы можете мне на слово поверить, а можете проверить и погуглить, что в данном случае у нас получается уравнение, решением которого является экспонента. Т.е. получается натуральное экспоненциальное расширение Вселенной. В миллиарды миллиардов миллиардов раз. За не очень большой, весьма короткий промежуток времени. Все зависит от того, какие коэффициенты у нас входят в экспоненту, т.е. какова была начальная напряженность скалярного поля, какова была сила трения и т.д.
Расчеты показывают, если "сила распирания" не падает со временем, за какие-то 10-36 доли секунды новая с пылу с жару Вселенная (т.е. этот изначальный пузырек вакуума) может расшириться в 1026 раз. Да, это на многие порядки превосходит скорость света, но тут нет никакого парадокса. Теория Относительности запрещает любой материи передвигаться в пространстве быстрее скорости света, но совсем не запрещает самому пространству (т.е. пустоте) расширяться в стороны с любой скоростью.
Выходит, что никакого Большого Взрыва как "взрыва" вовсе не было. Было быстрое, очень быстрое, взрывообразно или экспоненциально быстрое "надувание и расширение" пузырька нашей Вселенной, именно что инфляция, от английского слова inflate - "накачивать", "раздувать".
Но тут хитрый момент! Расширяется-то вакуум, т.е. абсолютная пустота, откуда же взялась вся та энергия и материя, что составляет сейчас все наши звезды, галактики и прочий контент современного космоса? И почему Вселенная была раньше горячая, чему там быть горячему, пустому вакууму что-ли?
Здесь опять сложная фиговина с зубодробильными формулами, постараюсь разъяснить ее при помощи чего бы вы думали? Аналогии на пальцах™, ну конечно!
Вы знаете, что если у нас что-то очень быстро расширяется, то это что-то так же стремительно теряет энергию, в смысле так же быстро размазывает ее по всему расширяющемуся объему, и в каждой отдельной точке или кубометре пространства энергии становится все меньше и меньше. Это вам не хухры-мухры, это между прочим первое начало термодинамики!
У нас же получается наоборот. Если очень быстро растянуть пузырек Вселенной, он начнет мгновенно накапливать энергию. Ведь гравитационная энергия всегда идет со знаком минус. Если разнести в пространстве два тела, или, скажем, поднять тяжелый груз над поверхностью Земли, потенциальная, а следовательно и общая энергия системы увеличится! А так как все происходит быстро (напомню, очень-очень-очень-... и еще 26 раз очень быстро), то в случае с каким-нибудь газом, например воздухом, он резко охлаждается, образует туман и находящийся в нем водяной пар выпадает в осадок, образуя натуральный снег или лед. Все видели, если открыть клапан баллона со сжиженным газом, баллон тут же покрывается инеем.
А в случае со Вселенной, наоборот температура резко повышается, случается фазовый переход и высвободившаяся энергия "выпадает в осадок" в виде собственно энергии (фотонов) и материи (электронов, протонов и прочих элементарных частиц). Вот почему по окончанию инфляции, которая начиналась не такой уж и горячей, Вселенная быстро разогревается до беспредельных энергий и температур, которые раньше считалось вырвались наружу прямо из точки сингулярности. А дальше, когда мячик долетел до дна ямы и период экспоненциального расширения закончился, все продолжается по старому сценарию классического Большого Взрыва, Вселенная расширяется, но уже не экспоненциально, а медленно так, по инерции. Но теперь все это выходит без самого Большого Взрыва и его сингулярности.
Звучит непривычно, звучит каким-то обманом, но если задуматься, все логично - увеличившаяся потенциальная энергия, энергия гравитации со знаком минус в точности компенсируется энергией кинетической, энергией движения (температурой) и энергией покоя (массой) "выпавших в осадок" частиц материи. Общая энергия Вселенной продолжает оставаться равна нулю, минус сто да плюс сто дает в результате ноль. Как минус миллиард и плюс миллиард.
Если быть до конца точным, там не совсем ровно ноль получается в итоге, ведь напряженность первоначального скалярного поля, с которого все началось, в этом месте таки упала почти до нуля. Но абсолютная величина данного падения, какие-то там доли Джоуля (или в чем там у нас измеряется напряженность поля инфлатонов?), все равно остается в пределах пусть и крупных, но все еще квантовых эффектов. Это не идет ни в какое сравнение с трилли-миллиардами (точнее 1050 и так далее) килограммами народившейся материи и такими же порядками запасенной гравитационной энергии. Мышь родила гору, в прямом смысле этого слова. Точнее гору и яму рядом для равновесия.
Еще раз для понятности повторю предыдущий абзац немного другими словами. Когда в результате падения напряженности скалярного поля в нем появился маленький пузырек нашего пространства-времени, т.е. обычного вакуума, это пространство-время оказывается "немножечко погнутым". Почему? Потому что именно так любая энергия влияет на пространство. Ньютон думал, что гравитация есть сила притяжения двух масс. А Эйнштейн сказал, что гравитация есть лишь гнутость пространства. Если пространство "гнутое" в нем уже запасена какая-то гравитационная энергия, даже если это пространство абсолютно пустое и в нем нет массы. Что у нас гнет пространство? Его гнет энергия (правильнее говорить - тензор энергии-импульса). Масса это тоже энергия, много энергии, но можно обойтись и вовсе без массы, вообще любая энергия гнет пространство. Когда под действием падения энергии скалярного поля "надулся маленький пузырик вакуума", в нем уже есть энергия скалярного поля, вакуум в нем уже "гнутый". Если этот пузырь быстро растянуть в стороны, гравитационная энергия резко возрастет, что вызовет "выпадение в осадок" массы, которая с одной стороны добавляет Вселенной энергии (т.к. E=mc2) со знаком плюс, а с другой - добавляет во Вселенную гравитации этой массы со знаком минус, а значит и дальше продолжится гонка-состязание горы и мыши.
Да, напоминаю, если кто позабыл, что все это происходит в рамках мысленного эксперимента по избавлению от сингулярности! Это пока всего лишь гимнастика ума, наукой здесь еще не очень пахнет, хотя сам мысленный эксперимент - обязательный атрибут научного метода. Чтобы подняться в ранге хотя бы до гипотезы, не говоря уже о теории, нужно много пройти и многое объяснить.
Повторяю, мы все еще в процессе обмена шила на мыло. Мы никуда не ушли от непонятной первоначальной сингулярности, всего-то назвали ее немного по другому и в результате встали с ног на голову. Однако конкретные детали теории инфляционного расширения Вселенной, в отличие от классической теории Большого Взрыва, позволяют найти объяснения многим наблюдаемым феноменам (проблема начальных условий, проблема однородности и изотропности наблюдаемой Вселенной, проблема плоскости наблюдаемой Вселенной, проблема с магнитными монополями и много чего еще), перед которыми сингулярность Большого Взрыва пасовала. Это делает инфляционную модель весьма привлекательной, но совершенно не доказывает ее и не объявляет верной. В состоянии "молодой и перспективной", но "недоказанной и немного фантастической" теории инфляционная модель находилась с 80-х годов последнего века прошлого тысячелетия (это я так "30 лет назад" замысловато сказал), покуда в 2014 году не появились первые, все еще робкие, неподтвержденные и весьма косвенные улики, в смысле результаты экспериментов ее подтверждающие. А здесь уже не просто заявка, тут получается реальный успех!
Что это за эксперименты, каковы их результаты, что такое "гравитационные волны" как они связаны с инфляцией и почему их открытие тянет на нобелевскую премию, которую, я думаю, Алану Гуту и Андрею Линде таки вручат в конечном итоге, а так же все прочие технические подробности собираются в кучу и будут описаны особо, во второй части данного повествования, они тянут на полноценный отдельный пост. Здесь я лишь изложил суть инфляционной теории, остановив ее на этапе 2013 года - интересной, заманчивой, но ничем не подтвержденной.
А теперь обещанное сладкое.
Да, пока еще рано говорить с твердой уверенностью. Да, все это еще весьма вилами по воде писано, и совсем не обязательно обязано быть. Да, впереди еще долгая-предолгая дорога расчетов, ошибок и экспериментов, но.
Самая вкуснота в том, что инфляционная теория Алана Гута, а точнее как раз математические выкладки Андрея Линде подразумевают совершенно замечательную и крышесносящую штуку.
Дополнения Линде официально называются "хаотическая теория инфляции". Центральная ее часть, сама эссенция теории говорит о том, что данные "разряды скалярного поля" просто обязаны хаотически, т.е. случайно, происходить везде и всюду в изначальной протоВселенной. А это значит, что наш конкретный Большой Взрыв (который, как мы уже знаем из текущего поста, был совсем не взрыв), приведший к образованию нашей конкретной Вселенной - лишь один разряд, отдельный конкретный пузырь образовавшегося пространства, что мы зовем нашим космосом. А вокруг не просто "может быть", а по формулам прямо-таки "обязательно" должны плавать миллиарды и миллиарды других пузырей, других вселенных. В каждой из этих вселенных (уже с маленькой буквы) скалярное поле падало/разряжалось чуточку иначе, а следовательно законы физики в этих вселенных могут существенно отличаться от наших. Звезды и галактики там могли и вовсе не образоваться, или наоборот, там могло образоваться такое, что нам и не снилось в самых диких фантазиях.
Весь этот конгломерат раздувающихся пузырей-вселенных принято называть мультивселенная, хотя сам Линде предпочитает говорить по-русски "Многоликая Вселенная". Получается, что современное научное понимание происхождения и устройства нашего мира сейчас таково:
Существует бесконечная или как минимум очень большая мультивселенная, заполненная неким скалярным полем. Как долго она существует, откуда сама появилась, каковы условия в этой мультивселенной - мы понятия не имеем. Даже на полшишечки. Но ученые довольно сильно уверены, что в некоторых местах этой мультивселенной скалярное поле начинает падать, надувая пузыри обычных вселенных и образовывая в них привычное нам пространство-время. Наш конкретный пузырь начал надуваться около 13.8 миллиардов лет назад, и скалярное поле в нашей Вселенной, кстати, никуда не делось, теперь оно находится почти в минимуме, но не равно нулю! То, что расталкивает галактики нашей Вселенной в стороны, и что мы называем Темной Энергией, это и есть то самое "скалярное поле", точнее сказать, лишь часть его. Тут между прочим должно быть несколько абзацев объясняющих, что давно искомое поле Хиггса, образованное вроде бы недавно найденным бозоном Хиггса, тоже является порождением скалярного поля, а именно его внуком, потому что между скалярным и хиггсовым есть, вернее должно бы быть, еще некое суперХиггсово поле, в которое вырождается скалярное и которое в свою очередь вырождается в хиггсово. Но это не совсем доказано, и уже совсем в сторону от нашего текущего разговора, так что, пожалуй, хватит об этом.
Вокруг пузыря нашей Вселенной находятся пузыри других вселенных, которые образуются от падения скалярного поля в тех конкретных местах. Где-то их собственный местечковый большой взрыв (тоже с маленькой буквы) только-только начинается, а где-то все уже давно закончилось, а "между" этими вселенными находится просто скалярное поле в своем высоком энергетическом состоянии. Мультивселенная становится похожа на швейцарский сыр, где сам сыр это скалярное поле, а дырки в нем - мириады и мириады вселенных, одна из которых наша.
Можно ли пробурить тоннели сквозь это скалярное поле, чтобы попасть в другие "параллельные" вселенные? Неизвестно.
Как далеко от нашего пузыря до соседнего, и можно ли пробраться туда через высшие измерения? Неизвестно.
Существуют ли они вообще в действительности эти другие вселенные вокруг нашей или все это лишь фантазии? Неизвестно, но теперь в науке этому есть очень сильная уверенность.
Разве не замечательно?
UPD: Продолжение поста читайте в статье "Гравитационные волны на пальцах™".