Книга: Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

3.6. Инфляционное расширение Вселенной

Слово «инфляция» хорошо знакомо любому современному человеку. Особенно если учесть, что ее часто путают с девальвацией. Эти понятия связаны, но все-таки не тождественны. Девальвация – снижение покупательной способности денег, а инфляция – увеличение (буквально – раздувание) денежной массы.

На ранних стадиях существования Вселенной, когда денег еще не было, раздувалась сама Вселенная. Если говорить серьезно, то инфляционная стадия – это период с 10–36 до 10–33 с от Большого взрыва, в течение которого Вселенная, по самым скромным оценкам, увеличилась примерно в 1026 раз. Соответственно, ее объем (если он конечен) увеличился в 1078 раз. Заметим, что за прошедшие после окончания инфляции 13,8 млрд лет Вселенная расширилась примерно во столько же раз.

Существование инфляционной стадии существования Вселенной не следует из какой-либо физической теории. Более того, у нас нет и, возможно, в обозримом будущем не будет никаких прямых доказательств существования этой стадии. Однако подавляющее большинство серьезных космологов радостно встретили эту теорию, появившуюся в конце 1970-х – начале 1980-х гг.

Это связано с тем, что эта теория предлагала красивое решение нескольких независимых проблем, беспокоящих ученых. Эти конкретные проблемы мы назовем чуть позже, а пока заметим, чем космология на рубеже 1980-х гг. отличалась от космологии времен Хаббла и Гамова. Прежде всего, она стала куда более точной наукой. Повышение точности было связано с существенным прогрессом в астрономии, где использовались все более мощные наземные телескопы, новые методы измерения и обработки данных.

Прошли времена, когда ответы на многие вопросы были в основном качественными. Точность по порядку величины уже перестала удовлетворять ученых. Типичная точность в космологии на начало 1980-х гг. составляла десяток или несколько десятков процентов. В XXI в. точность продолжала улучшаться. В первом десятилетии XXI в. ученые добились того, что погрешности космологических параметров не превышали 10 %. Тогда многие писали о том, что космология наконец-то стала точной наукой. Сейчас ошибки определения многих космологических параметров составляют несколько процентов.

Но повышение точности существенно ужесточило требования к космологическим моделям, которые должны были удовлетворять все большему числу все более жестких ограничений. К концу 1970-х гг. появились проблемы, связанные с тем, что старая стандартная космологическая модель Гамова стала испытывать трудности с объяснением экспериментальных значений. И когда появилась теория инфляции, которая смогла решить несколько разноплановых проблем, она была воспринята как спасительное решение. Перечислим наиболее важные из этих проблем.

Первой назовем проблему плоскостности Вселенной. До появления данных по анизотропии реликтового излучения у астрономов не было надежных механизмов для оценки кривизны Вселенной. В какой-то степени вопрос о кривизне Вселенной – это вопрос об отношении плотности материи к критической плотности (о темной энергии тогда еще не было разговоров), которое обозначается ?m = ?m/?крит[49]. Плоская модель соответствует значению ?m = 1, причем это значение не меняется со временем. Закрытая модель реализуется при значениях ?m > 1, а открытая – при значениях ?m < 1. При этом решения Фридмана, на которых основывалась теория Гамова, обладают следующим свойством: любые отклонения ?m от 1 увеличиваются со временем. Соответственно, для закрытой модели ?m становится все больше, а для открытой – все меньше. Оценка масс галактик в нашей Вселенной позволила дать нижнюю оценку величины ?m. Верхнюю оценку ?m дают не только астрономические наблюдения, но и то простое соображение, что Вселенная все еще расширяется. При большой начальной плотности Вселенной за время своего существования она либо начала бы сжиматься, либо даже успела коллапсировать.

Полученные ограничения на параметр ?m оказались достаточно широкими, но из них следовало, что значение ?m через планковское время[50] после образования Вселенной могло отличаться от 1 не более чем на 10–59, независимо от знака этого отличия. У космологов возник естественный вопрос: почему так получилось? Вряд ли подобное могло произойти случайно. Значит, у природы должен существовать какой-то механизм, подгоняющий плотность материи к критической плотности. Такая тонкая подгонка (по-английски fine tuning) отсутствовала в стандартной космологической модели, хотя должна была бы быть ее важной деталью.

Вторая проблема, требовавшая решения, была связана с высокой степенью изотропности реликтового излучения. К тому моменту еще не были получены данные об анизотропии реликтового излучения, но было понятно, что после исключения дипольной компоненты относительная анизотропия ?T/T < 0,001, где ?T – флуктуации температуры реликтового излучения, а T = 2,725 К – ее среднее значение.

Реликт был излучен, когда Вселенной было около 380 000 лет. Все флуктуации плотности вещества или температуры после этого момента не могли существенно повлиять на реликтовое излучение. Но флуктуации, произошедшие до этого момента, могли немного изменить температуру и ускорить или замедлить время начала рекомбинации водорода.

Рассмотрим области, из которых было испущено реликтовое излучение. Они находятся на поверхности, которая в космологии называется поверхностью последнего рассеяния. А теперь рассмотрим эти области в двух противоположных направлениях на небесной сфере. Из анализа решения Фридмана следует, что эти области не могли иметь причинную связь, т. е. процессы, происходящие в одной из них, никак не могли повлиять на другую, и наоборот. Оценки показывали, что на карте распределения температур реликтового излучения угловые размеры причинно связанных областей должны были быть порядка 1° (см. рис. 3.4). Тем не менее высокая степень соответствия температур реликтового излучения на существенно больших угловых расстояниях свидетельствует о том, что физические процессы в этих областях протекали практически одинаково. Это ставило в тупик космологов того времени.

Третий фактор, наименее важный, на наш взгляд, состоял в следующем. В то время была популярна теория великого объединения[51], которая не только допускала возможность существования некоторых экзотических частиц вроде магнитных монополей, но и предсказывала необходимость их образования в ранней Вселенной. В то же время все попытки обнаружить подобные объекты во Вселенной не дали никаких результатов.

Основная идея инфляции заключалась в том, что на очень ранней стадии развития Вселенной в течение очень малого времени существовал какой-то фактор, действующий как эффективная космологическая постоянная. При этом Вселенная описывалась решением де Ситтера и расширялась экспоненциально, успев за ничтожную долю секунды расшириться в гигантское число раз, а постоянная Хаббла в течение какого-то времени была практически постоянна[52]. Затем этот фактор исчез, и далее Вселенная продолжала развиваться по стандартному сценарию.

Идея инфляции позволила элегантно решить три указанные выше проблемы, а также некоторые другие, например проблему аномально высокой энтропии Вселенной, проявляющуюся в большом количестве фотонов в пересчете на один барион во Вселенной.

Первая проблема решалась тем, что тонкая подстройка осуществлялась автоматически в ходе инфляционного расширения. Дело в том, что для решения де Ситтера с материей ?m изменяется прямо противоположным образом, чем для решения Фридмана: любые отклонения от 1 со временем уменьшаются. Соответственно, Вселенная могла образоваться со значением ?m, достаточно сильно отличающимся от 1, но за время инфляции оно настолько приблизилось к этому значению, что не успело ощутимо отойти от него до сих пор. Более конкретно, его отклонение от 1 за время инфляции уменьшилось в 1052 раз. Положение первого акустического пика говорит о том, что кривизна Вселенной сейчас незначительна. Этот факт можно считать косвенным подтверждением теории инфляции.

Вторая проблема решалась тем, что за счет инфляции все точки поверхности последнего рассеяния[53] оказались причинно связанными. Чтобы разобраться с этим, проделаем несложные вычисления. Пусть за период инфляционной стадии Вселенная расширилась в 1026 раз, а после ее окончания – еще во столько же раз. Всего – в 1052 раз. Размеры видимой части Вселенной мы оценили в 40 млрд св. лет, что соответствует 3,8?1026 м. После окончания инфляционной стадии, перед началом фридмановского расширения, размеры наблюдаемой в настоящее время части Вселенной были порядка 1 м. Соответственно, до начала инфляционной стадии эта область имела размер порядка 10–26 м, что существенно меньше размеров атомного ядра.

Предположим, что перед инфляционной стадией Вселенная описывалась решением Фридмана[54], и получим, что к началу инфляции в момент времени t1 свет от Большого взрыва прошел путь 3ct1. Это, по определению, и будет размер причинно связанной области на тот момент. За период инфляции пространство расширилось в 1026 раз. В результате после окончания инфляционной стадии размеры причинно связанной области были более 1 м[55]. Понятно, что эти оценки не могут заменить подробное рассмотрение распространения света на разных стадиях эволюции Вселенной, но из него следует тот же вывод: все реликтовое излучение исходит из причинно связанных областей.

Это также решает третью проблему. Предположим, что какие-то экзотические частицы родились либо вместе с Вселенной, либо до начала инфляционной стадии. Пусть одна из таких частиц попала в наши 10–26 м (это все еще существенно меньше размеров атомного ядра). Тогда в настоящий момент мы имеем все ту же одну экзотическую частицу внутри космологического горизонта, т. е. в части Вселенной, доступной для наблюдения. Вот только радиус этого горизонта теперь 40 млрд св. лет. Это явно исключает возможность ее наблюдения. Это же относится и к другим экзотическим объектам, например белым дырам или голым сингулярностям.