Большого взрыва не было, была «инфляция»?
В предшествующей статье мы рассмотрели теорию Гамова о горячей Вселенной и открытие микроволнового реликтового излучения, которое ее подтвердило. Совокупно с теоретическим материалом прошлых лет дополнения Гамова о ядерных реакциях в ранней Вселенной прочно вошли в историю космологии и дали название всей теории — «Большой взрыв».
Теория Большого взрыва объяснила много загадок космоса. Она долго оставалась общепризнанной. Но данная теория не говорит о том, откуда взялась взрывоопасная субстанция, и как взрыв влиял на физику пространства, как распространялась материя в молодой Вселенной. С развитием науки и техники для наблюдения за космосом, изучением элементарных частиц мы больше узнали о структуре пространства и моменте зарождения мира. Были выявлены особенности Вселенной, необъясняемые данной теорией. Например, применив к теории Большого взрыва законы физики элементарных частиц, советские ученые Я. Б. Зельдович и М. Ю. Хлопов выяснили, что в ранней Вселенной должно было возникнуть много магнитных монополей, которые должны были сохраниться до наших дней. Но сегодня магниты наблюдаются только двухполюсными. Позже физик Алан Гут совместно с Генри Таем независимо получили те же результаты.
Всего проблем три:
1) гомогенность, то есть вещество и энергия во Вселенной распределены слишком равномерно;
2) плоскостность, то есть отсутствуют крупномасштабные искривления пространства (кривизна);
3) отсутствие магнитных монополей.
Действительно, теория предсказывает, что Вселенная в результате взрыва должна получиться искривленной с неравномерным распределением энергии (вещества) и с перепроизводством магнитных монополей.
Дальнейшая история вопроса связана с попытками преодолеть эти неразрешимые проблемы.
Инфляционная модель
В 1970–1980-х годах несколько ученых-теоретиков рассматривали модели развития Вселенной с фазой экспоненциального расширения на раннем этапе. Первыми предложили такую модель советские физики Андрей Линде и Алексей Старобинский. Но популярность эта теория приобрела после публикаций американца Алана Гута в 1981 году.
С 1978 Алан Гут стремился объяснить возникшие проблемы теории Большого взрыва с использованием физики элементарных частиц. Он модифицировал теорию на этапах, затрагивающих первые мгновения существования Вселенной. В 1978 он представил результаты на лекции в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Его модель была названа «инфляционной».
В 2014 Гут, Линде и Старобинский получили за теорию инфляции премию Кавли — менее престижную, но соответствующую Нобелевской премии в денежном эквиваленте. Премия была выдана после открытия реликтовых гравитационных волн (о них расскажем подробнее в одной из следующих статей), сделанного на основе анализа микроволнового реликтового излучения и послужившего ярким подтверждением теории инфляции.
Академик РАН Валерий Рубаков рассказывал «Газете.Ru»:
«У Гуса [Алана Гута] там был прокол, его модель не работала: он правильно сказал все слова о том, чего хочется, однако модель, которая бы делала экспоненциальное раздувание и при этом приводила к горячей стадии эволюции Вселенной, не работала.
А Андрей Линде одновременно с Андреасом Альбрехтом и Полом Стейнхардтом опубликовали вторую после Старобинского работающую модель инфляции, а потом Андрей додумался до того, что называется хаотической инфляцией — самый простой и естественный механизм раздувания».
Сейчас Гут ведет курс лекций в Массачусетском технологическом институте под названием «Инфляционная космология». На первой лекции он приводит такую критику теории Большого взрыва: «Обычная теория Большого взрыва ничего не говорит о том, что вызвало расширение Вселенной. В действительности, это лишь теория последствий взрыва… что взорвалось, почему взорвалось, или что произошло до того, как взорвалось. В теории Большого взрыва в действительности нет взрыва. Это безвзрывная теория, несмотря на свое название».
Теория Гута гласила, что в начальный момент времени Вселенная обладала очень высокой плотностью энергии, в следствие чего расширялась с огромной скоростью: ее объем удваивался каждые 10-35 секунд. Это очень большая скорость, именно этим объясняется равномерность распределения энергии в пространстве и плоскостность. Даже если во Вселенной были какие-то искривления пространства, то после такого расширения все будет выглядеть плоским, все значительные искажения просто растянет на огромные расстояния. То же самое и с перепадами плотности энергии. Даже если где-то есть области с более высокой плотностью, то они настолько далеко от нас, что мы их не видим, а при движении к ним плотность будет возрастать очень медленно.
Если принять радиус Вселенной перед началом инфляции за число, равное постоянной Планка 10–35 метров, то после инфляции она вырастет, например, в 1050 раз. Ее радиус при этом составит порядка нескольких тысяч световых лет. При таком росте, каким бы ни был начальный показатель кривизны, к концу экспоненциальной фазы расширения кривизна уменьшится в 10–100 раз, то есть Вселенная станет практически идеально плоской.
Точно так же решается проблема с магнитными монополями. Если флуктуации, породившие их, возникли до или пусть даже во время инфляции, то к ее окончанию они разойдутся по пространству на такие расстояния, что найти их будет невозможно. После инфляции Вселенная продолжила расширение, и число монополей в объеме куба с ребром даже в один миллиард световых лет теперь стремится к нулю.
В Инфляционной модели говорится, что изначально была только энергия. Высокой плотности энергии соответствует состояние пространства, которое называется «ложным вакуумом». Все основные силы, в том числе и гравитация в этом состоянии не работают как обычно, а частицы привычного нам вещества не существуют. В таком пространстве гравитация действует с точностью до наоборот: она создает отталкивание, которое и вызывает очень быстрое расширение. В процессе расширения плотность энергии падает, состояние пространства меняется на «истинный вакуум». В этот момент происходит Большой взрыв, возникают все основные силы и частицы — их носители, отталкивание сменяется притяжением.
Инфляция растягивает исходные неоднородности пространства до состояния незаметности, но не полностью. Благодаря квантовым флуктуациям некоторые неоднородности сохраняются. Они служат зародышами крупномасштабных структур космоса, в которых в свою очередь зарождаются скопления, галактики и звезды. В абсолютно однородном космосе гравитация не смогла бы собрать вместе достаточно материи и образовать объекты, потому что в каждой точке пространства сумма всех разнонаправленных сил притяжения соседних частиц была бы равна нулю.
Главное предсказание теории инфляции заключается в том, что структура крупных образований Вселенной — скоплений, сверхскоплений галактик — повторяется на разных масштабах космоса. Изучение реликтового микроволнового фона подтвердило это предсказание. Независимо от того, какой величины регион мы рассматриваем, материя в космосе образует так называемую «космическую паутину».
Нити паутины состоят из межгалактического газа и пыли. Эти нити еще называют филаментами. Они протянулись на многие миллионы световых лет. В узлах нитей находятся гроздья галактик. Между нитями расположены огромные практически пустые пространства, где редко встречаются даже обычные облака пыли и газа. Эти пустоты называются войдами. Их объем составляет около 70% от всего объема Вселенной. Остальные 30% — это узлы и нити.
Совсем недавно при помощи гигантского телескопа ESO в Чили ученым удалось впервые напрямую рассмотреть содержание нитей паутины. Ранее все изображения строились на основе компьютерного моделирования, теперь удалось получить фото. Оказалось, что нити наполнены карликовыми галактиками. В небольшом рассматриваемом секторе их обнаружились миллиарды. В нитях идет активное образование этих галактик.
«Это подтверждение того, что все должно быть там. Это довольно дико. Вы смотрите на пространство и думаете, что оно пустое, но на самом деле это не так. Там эта гигантская, замечательная структура», — сказал О’Каллаган Эрика Хамден, астрофизик из Университета Аризоны.
О теории инфляции в заключение можно сказать, что несмотря на ее большую объяснительную силу и сопутствующие открытия, Инфляционная модель отнюдь не стала безусловной истиной в начале этого века. У нее нашлись свои поклонники и противники. В следующей статье мы рассмотрим недостатки данной теории.
