Брайан Грин - Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности

{198}

Те, кто близко знаком с историей предмета, поймут, что возбуждение по поводу открытия Гута было вызвано тем, что оно давало возможность решить ключевые космологические проблемы, такие как проблемы горизонта и плоскостности, которые мы коротко рассматриваем.

Вы можете поинтересоваться, может ли электрослабое поле Хиггса, или поле Хиггса великого объединения, выполнять двойную работу — играть роль, которую мы описали в главе 9, а также одновременно управлять инфляционным расширением в более ранние времена, до формирования Хиггсова океана. Модели такого типа предлагались, но они обычно страдают от технических проблем. Наиболее убедительные реализации инфляционного расширения привлекают новое поле Хиггса, которое играет роль инфлатона.

См. примечание 197.

Секретариат — жеребец, победивший на скачках в 1973 г. в США. Выиграл все скачки «Тройной короны» для чистокровных лошадей — «Кентукки Дерби», «Прикнесс Стэйкс» и «Белмонт Стэйкс». (Прим. ред.)

Например, вы можете представлять наш горизонт как гигантскую воображаемую сферу с нами в центре, которая отделяет то, с чем мы могли бы связаться (вещи внутри сферы), от того, с чем мы не смогли бы связаться (вещи вне сферы) за время, прошедшее с Большого взрыва. Сегодня радиус нашей «сферы горизонта» составляет около 14 млрд световых лет; на ранних этапах истории Вселенной радиус сферы был намного меньше, поскольку свет имел меньше времени на распространение. См. также примечание 326.

Поскольку в этом суть того, как инфляционная космология решает проблему горизонта, чтобы избежать путаницы, позвольте мне выделить ключевой элемент решения. Допустим, однажды ночью вы с вашим другом вышли в поле и стали обмениваться световыми сигналами, включая и выключая электрические фонарики, тогда если вы развернётесь и разбежитесь друг от друга (не имеет значения, с какой скоростью вы это сделаете) — вы всегда будете в состоянии потом обменяться световыми сигналами. Почему? Потому что, чтобы избежать получения света, которым ваш друг светит вслед вам, или чтобы ваш друг мог избежать получения света, который вы посылаете вслед ему, вам надо убегать друг от друга быстрее скорости света, а это невозможно. Тогда как же области пространства, которые были в состоянии обмениваться световыми сигналами в ранней истории Вселенной (а потому, например, могли выровнять свои температуры), теперь оказываются за пределами коммуникативной области друг друга? Как ясно из примера с фонариками, они обязаны были уноситься друг от друга прочь быстрее скорости света. И в самом деле, колоссальное расталкивание отрицательной гравитации во время инфляционной фазы действительно заставило каждую область пространства уноситься прочь от любой другой намного быстрее скорости света. Ещё раз, это не входит в противоречие со специальной теорией относительности, поскольку предел скорости, установленный светом, относится к движению через пространство, а не к движению от раздувания самого пространства. Так что новое и важное свойство инфляционной космологии состоит в том, что она предполагает существование короткого периода, в течение которого имеется сверхсветовое расширение пространства.

Заметим, что численная величина критической плотности уменьшается, по мере того как Вселенная расширяется. Но суть в том, что если реальная плотность материи/энергии Вселенной равна критической плотности в один момент времени, она будет уменьшаться в точности тем же образом, и равенство критической плотности сохранится на все времена.

Склонный к математике читатель должен заметить, что во время инфляционной фазы размер нашего космического горизонта оставался фиксированным, в то время как пространство чудовищно раздулось (как можно легко увидеть, выбрав экспоненциальную форму масштабного фактора в примечании 326). Именно в этом смысле наша наблюдаемая Вселенная в инфляционной схеме является мельчайшим лоскутком гигантского космоса.

Альтернативное объяснение тонкой подстройки может заключаться в так называемом антропном принципе, который утверждает, что Вселенная такова, какова она есть, просто потому, что если бы она была иной, нас бы не было. Если бы с самого начала плотность Вселенной не была точно равна критической, жизнь никогда не возникла бы. Инфляционная космология решает эту частную проблему тонкой настройки параметров, но не решает проблему тонкой настройки вообще, так как точное равенство плотности Вселенной критической плотности — далеко не единственный пример тонкой настройки параметров. Другим примером является спектр масс элементарных частиц — будь он немного иным, не смогли бы возникнуть тяжёлые химические элементы и жизнь вместе с ними. Есть и некоторые другие подобные совпадения. Их по-прежнему приходится объяснять в рамках антропного принципа. (Прим. ред.)

Preston R. First Light. New York: Random House Trade Paperbacks, 1996. P. 118.

Превосходный обзор о тёмной материи на общем уровне см. в книге: Krauss L. Quintessence: The Mystery of Missing Mass in the Universe. New York: Basic Books, 2000.

Подготовленный читатель заметит, что я не выделяю разные проблемы, связанные с тёмной материей, которые появляются на разных масштабах наблюдения (галактический, космический), поскольку мой интерес здесь связан только с вкладом тёмной материи в плотность космической массы.

На самом деле имеются некоторые разногласия в отношении того, в этом ли состоит механизм, стоящий за всеми вспышками сверхновых типа Ia (я благодарю Д. Спергеля, обратившего моё внимание на это), но однородность этих событий — которая и нужна нам для обсуждения — имеет прочные наблюдательные основания.

Интересно заметить, что намного раньше результатов по сверхновым провидческие работы Джима Пиблза из Принстона, а также Лоуренса Краусса из Кейс Вестерн (г. Кливленд), Майкла Тернера из университета Чикаго и Гари Стейгмана из Огайо указали, что Вселенная может иметь малую ненулевую космологическую константу. Тогда большинство физиков не приняли это предположение слишком серьёзно, но теперь, с данными по сверхновым, отношение к нему существенно изменилось. Также заметим, что ранее в этой главе мы говорили, что расталкивание от космологической постоянной может описываться полем Хиггса, которое, подобно лягушке на выпуклости, захвачено выше своей конфигурации с минимальной энергией. Так что в то время как космологическая постоянная хорошо описывает результаты наблюдений, более точное утверждение состоит в том, что исследователи сверхновых пришли к выводу, что пространство должно быть заполнено чем-то подобным космологической постоянной, что генерирует гравитационное расталкивание. (Имеются сценарии, в которых поле Хиггса могло бы генерировать расталкивание, действующее в течение длительного времени, в противоположность короткому взрыву в ранние моменты инфляционной космологии. Мы обсудим это в главе 14, когда рассмотрим вопрос, действительно ли наблюдательные данные непременно требуют наличия космологической постоянной или всем требованиям могут отвечать некоторые другие идеи, приводящие к сходным явлениям в гравитации). Исследователи часто используют термин «тёмная энергия» в широком смысле для обозначения ингредиента Вселенной, который невидим для глаза, но заставляет любую область пространства отталкиваться от любой другой, вместо того чтобы притягиваться.

Тёмная энергия является наиболее широко принятым объяснением наблюдаемого ускоренного расширения, но выдвигались и другие теории. Например, некоторые предположили, что результаты наблюдений могут быть объяснены, если сила гравитации отклоняется от обычной величины, предсказываемой ньютоновской или эйнштейновской физикой, когда расстояния становятся экстремально большими — космологических масштабов. Другие ещё не верят, что результаты наблюдений действительно показывают космологическое ускорение, и ожидают, что измерения будут проведены с помощью более точных инструментов. Важно держать в уме эти альтернативные идеи, особенно если будущие наблюдения дадут результаты, которые создадут проблемы для существующих объяснений. Но пока имеется широкий консенсус, что теоретические объяснения, описанные в основном тексте, — самые убедительные.