Хаотическая теория инфляции вселенной
Одним из главных желаний физиков является построение теории, которая бы естественным образом предсказывала наблюдаемые значения всех параметров фундаментальных частиц. Хочется верить, что правильная теория, описывающая наш мир, должна быть красивой и простой.
Однако большинство параметров элементарных частиц больше похожи на набор случайных чисел, чем на проявления некой скрытой гармонии природы. Например, масса электрона в тысячу раз меньше массы протона, который на два порядка легче W-бозона, масса которого на 17 порядков меньше фундаментальной планковской Между тем, уже достаточно давно было отмечено, что небольшое изменение (в 2-3 раза) массы электрона, постоянной тонкой структуры $\alpha_e$, константы сильного взаимодействия $\alpha_s$ или постоянной тяготения $G= M_p^<-2>$ привело бы к тому, что жизнь того типа, который мы знаем, никогда не смогла бы возникнуть. Добавление или изъятие хотя бы одного из пространственных измерений сделало бы невозможным существование планетных систем. Действительно, при размерности пространства-времени $d > 4$ сила гравитационного взаимодействия падает быстрее, чем $r^<-2>,$ а при $d 
Рис. 1. Движение скалярного поля в теории с $V(\phi) =
Если скалярное поле $\phi$ изначально было большим, постоянная Хаббла $H$ также была велика, в соответствии со вторым уравнением. Это означает, что вязкий член был очень большим, и скалярное поле двигалось очень медленно, подобно шарику в вязкой жидкости. Потому на этой стадии плотность энергии скалярного поля, в отличие от подобной величины для обычной материи, оставалась практически постоянной, и расширение вселенной продолжалось с гораздо большей скоростью, чем в старой космологической теории. Благодаря быстрому росту размеров вселенной и медленности движения поля $\phi,$ вскоре после начала данной стадии мы имеем $\ddot\phi \ll 3H\dot\phi,$ $H^2 \gg
Последнее уравнение показывает, что размер вселенной $a(t)$ на данной стадии растет примерно как $e^
Эта стадия экспоненциально-быстрого расширения называется инфляцией. В реалистичных версиях инфляционной теории ее длительность может быть достаточно малой, вплоть до $10^<-35>$ секунд. Как только поле $\phi$ становится достаточно малым, вязкость также уменьшается, инфляция кончается, и скалярное поле начинает осциллировать вблизи минимума $V(\phi).$ Как любое быстро осциллирующее классическое поле, оно теряет энергию за счет рождения пар частиц. Эти частицы, взаимодействуя между собой, приходят в тепловое равновесие с некой температурой $T$. С этого момента соответствующая часть вселенной может быть описана стандартной теорией горячей вселенной.
Главное отличие инфляционной теории от старой космологии становится очевидным, если посчитать размер типичной инфляционной области в конце инфляции. Даже если начальный размер инфляционной вселенной был очень мал (порядка планковского длины $l_P \sim 10^<-33>$ см.), после $10^<-35>$ секунды инфляции вселенная достигает огромных размеров — $l \sim 10^<10^<12>>$ см. Это приводит к тому, что вселенная становится практически плоской и однородной на больших масштабах, так как все неоднородности растягиваются в $10^<10^<12>>$ раз.
Этот фактор является модельно-зависимым, однако во всех реалистичных моделях вселенная после инфляции оказывается на много порядков больше масштаба той части вселенной, которую мы можем видеть ($l \sim 10^<28>$ cm). Это сразу же решает большинство проблем классической космологии (Linde, 1990a).
Рассмотрим вселенную, изначально состоящую из многих областей со случайным образом распределенным скалярным полем $\phi$ (или же ансамбль вселенных с различными величинами поля). В тех частях, где скалярное поле слишком мало, инфляция никогда не начинается, потому они не вносят существенного вклада в объем вселенной. Основную же ее часть занимают те области, в которых скалярное поле изначально было большим. Инфляция таких областей формирует огромные «острова» в первичном хаосе, размер каждого такого «острова» существенно превышает размер наблюдаемой части вселенной. Именно поэтому я называю этот сценарий хаотической инфляцией
Есть существенное отличие данного сценария от старой идеи создания всей вселенной в некий момент времени (Большой Взрыв) практически однородной и нагретой до бесконечно больших температур. В новой модели более не требуются условия изначальной однородности и термодинамического равновесия. Каждая часть вселенной может иметь сингулярное начало (см. в работе (Borde et al, 2001) обсуждение современного состояния вопроса). Однако, в контексте хаотической инфляции это не означает, что вся вселенная как целое возникла из сингулярности. Различные части вселенной могли возникать в разные моменты времени, и потом разрастаться до размеров, значительно превышающих размер вселенной. Наличие начальной сингулярности (или сингулярностей) не означает, что вселенная была создана как целое в результате единственного Большого взрыва. Это означает, что бы более не вправе говорить, что вся вселенная родилась в некий момент времени $t=0$, до которого ее не существовало. Это справедливо для всех вариантов теории хаотической инфляции, даже если не принимать во внимание процесс самовоспроизведения вселенной, обсуждающийся в разделе 4.
Возможность того, что наша однородная часть вселенной возникла из начального хаотического состояния, имеет важное значение для антропного принципа. До сих пор мы рассматривали простейшую инфляционную модель с всего одним скалярным полем. Реалистичные модели элементарных частиц, однако, вводят множество других скалярных полей. Например, в соответствии со стандартной теорией электрослабого взаимодействия, массы всех элементарных частиц зависят от величины хиггсовского скалярного поля $\varphi$ в нашей вселенной. Эта величина определяется положением минимума эффективного потенциала $V(\varphi).$ В простейших моделях $V(\varphi)$ имеет только один минимум. Однако в общем случае этот потенциал может иметь множество различных минимумов. Так, в простейшей суперсимметричной теории, объединяющей слабое, сильное и электромагнитное взаимодействия, эффективный потенциал имеет несколько различных минимумов равной глубины по отношению к двум скалярным полям, $\Phi$ и $\varphi.$ Если эти скалярные поля скатываются в различные минимумы в разных частях вселенной (этот процесс называют спонтанным нарушением симметрии), массы элементарных частиц и законы взаимодействий в них будут различными. Каждая из этих частей может стать экспоненциально большой в результате инфляции. В некоторых из этих частей не будет разницы между сильным, слабым и электромагнитным взаимодействиями, и жизнь нашего типа будет невозможна. Другие же части будут похожи на ту, в которой живем мы (Linde, 1983c).
Это значит, что даже если мы и найдем последнюю Теорию Всего (TOE, Theory of Everything), мы все равно будем не в состоянии однозначно предсказать свойства элементарных частиц в нашей вселенной; вселенная может состоять из различных экспоненциально больших частей с различными свойствами элементарны частиц. Это — важный шаг на пути к доказательству антропного принципа. Следующий же шаг может быть сделан, если мы примем во внимание квантовые флуктуации в процессе инфляции.
Квантовые флуктуации на инфляционной стадии
В соответствии с квантовой теорией поля, пустое пространство не вполне пусто. Оно наполнено квантовыми флуктуациями всех видов физических полей. Длины волн всех квантовых флуктуаций скалярного поля $\phi$ в ходе инфляции растут экспоненциально. Как только длина волны какой-либо флуктуации становится большей, чем $H^<-1>,$ она прекращает осциллировать и ее амплитуда замораживается на некой ненулевой величине $\delta\phi (x)$ из-за большого вязкого члена $3H\dot<\phi>$ в уравнении движения скалярного поля. Амплитуда этой флуктуации в дальнейшем остается практически неизменной, тогда как ее длина волны экспоненциально растет. Таким образом, проявления такой «замороженной» флуктуации равносильны проявлениям классического поля $\delta\phi (x),$ рожденного квантовыми флуктуациями.
Так как в вакууме содержатся флуктуации всех длин волн, инфляция ведет к непрерывному рождению новых возмущений классического поля с длинами волн, большими $H^<-1>$. Средняя амплитуда возмущений, рожденных за интервал времени $H^<-1>$ (за это время вселенная расширяется в $e$ раз) дается выражением $ |\delta\phi(x)| \approx \frac
Эти квантовые флуктуации ответственны за формирование галактик(Mukhanov and Chibisov, 1981; Hawking, 1982; Starobinsky, 1982; Guth and Pi, 1982; Bardeen et al, 1983). Однако если в ходе инфляции постоянная Хаббла достаточно велика, квантовые флуктуации скалярных полей могут приводить не только к формированию галактик, но также и к разделению вселенной на экспоненциально большие области с различными свойствами.
Для примера вновь рассмотрим простейшую суперсимметричную теорию, объединяющую слабое, сильное и электромагнитное взаимодействия. Различные минимумы эффективного потенциала в данной модели разделены расстоянием $\sim 10^ <-3>M_p$. Амплитуды квантовых флуктуаций полей $\phi,$ $\Phi$ и $\varphi$ в начале инфляционной стадии могут достигать $10^ <-1>M_p$. Это значит, что на начальных стадиях инфляции скалярные поля $\Phi$ и $\varphi$ могут свободно перепрыгивать из одного минимума потенциала в другой. Потому, даже если они изначально находились в одном и том же минимуме по всей вселенной, по окончании стадии хаотической инфляции вселенная окажется разделена на множество экспоненциально больших областей, соответствующих всем возможным минимумам эффективного потенциала.(Linde, 1983c, 1984b).
Источник
Теория хаотической инфляции и ииссиидиология возвращают феномен сознания в науку
Теория хаотической инфляции позволяет отвечать на вопросы о том, что предшествовало образованию мироздания, избегая сложности, которая существует в классической теории Большого взрыва – космологической сингулярности. Теория инфляции допускает существование иных миров, Вселенных и позволяет предположить наличие разумной жизни не только в нашей Вселенной. Автор этой статьи в рамках этой теории рассуждает о возникновении сознания наряду с формированием вещества, дополняя ее мыслями на базе ииссиидиологии – антропо-космологической концепции о взаимосвязи человека с окружающим миром. Рассматриваются ииссиидиологические принципы многомирия, представления об Универсальном Плазменно-Дифференциационном Излучении для иллюстрации причин, активирующих сознательную динамику. Теория хаотической инфляции позволяет отвечать на вопросы о том, что предшествовало образованию мироздания, избегая сложности, которая существует в классической теории Большого взрыва – космологической сингулярности. Теория инфляции допускает существование иных миров, Вселенных и позволяет предположить наличие разумной жизни не только в нашей Вселенной. Автор этой статьи в рамках этой теории рассуждает о возникновении сознания наряду с формированием вещества, дополняя ее мыслями на базе ииссиидиологии – антропо-космологической концепции о взаимосвязи человека с окружающим миром. Рассматриваются ииссиидиологические принципы многомирия, представления об Универсальном Плазменно-Дифференциационном Излучении для иллюстрации причин, активирующих сознательную динамику.
1. Введение
17 марта 2014 г. было объявлено о детектировании первичных гравитационных возмущений плазмы вещества, предшествующих Большому взрыву [1]. В сентябре этого же года ажиотаж вокруг обнаружения гравитационных волн существенно спал, так как оказалось, что поляризацию В-моды также обнаруживает рассеянная галактическая пыль. Тем не менее, теоретики и экспериментаторы продолжают искать подтверждения интуитивно-разумным положениям о том, что
- наша Вселенная массой более 10 50 тонн возникла не из «ничего»,
- первоначальная плотность Вселенной была не бесконечной большой.
А некоторые ищут подтверждение даже тому, что
- физические законы по-разному действуют в разных областях Вселенной,
- и не просто в областях, а в разных Вселенных,
- и может, их существует множество в силу разнообразия осцилляций скалярного поля?
Теория хаотической инфляции позволяет рассуждать на эти темы и предлагает красивые решения проблем теории Большого взрыва. Эта теория имеет логичную и стройную, интуитивно понятную аргументацию, поэтому многие ученые прикладывают усилия для ее экспериментального подтверждения.
Я поднимаю бокал за совершаемый наукой труд в теории и практике и… позволю себе его ненадолго опустить, вот почему. Место для материи в теориях и экспериментах было всегда, было место и ее описаниям в ее разных вариациях и взаимодействиях. Но мы любим, страдаем, радуемся, размышляем, задаем наши вопросы не только благодаря работе нейронов, гормональным всплескам и внешним воздействиям материального мира. В практике жизни мы не можем умалить роль сознания, поскольку именно оно толкает нас познавать материальный мир и мир, куда более сложный, – взаимоотношений.
Сознание – настолько неудобный параметр в научных гипотезах, что даже великие Декарт и Ньютон приняли решение исключить его из своих вычислений. И сделали значительный вклад в научную парадигму, оказав помощь потомкам в понимании законов природы. Тем не менее, отмечая все большую глубину научных выводов, мы не можем бесконечно долго вытеснять из них феномен человеческого сознания. Я думаю, что когда-нибудь мы признаем, что объективность научных данных в некотором роде субъективна, то есть зависит от параметров психоэмоциональных состояний экспериментаторов и не только их.
Попробуем представить, где найти место сознанию, чувствам, мыслям в одной из передовых теорий современности – теории хаотической инфляции Вселенной. Для этого положений лишь данной теории нам будет недостаточно, поэтому я воспользуюсь в дополнение к повествованию идеями о происхождении сознания из антропо-космологической концепции «Ииссиидиология».