XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2019
ИНФЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ
Каждый из нас задумывался над тем, как устроена Вселенная, как она появилась, что находится за её пределами? Данные вопросы порождали множество теорий различных представителей общества. У каждого народа было свое представление. Например, что землю нашу подпирают четыре слона, стоящие на огромной черепахе.
Ближе к концу XX века Алексей Старобинский высказывал предположения об устройстве Вселенной, впервые заговорив об инфляционной модели Вселенной. Алан Гут провёл ряд исследований и в 1981 году предложил первый вариант теории. Немалый, если не больший, вклад внесли экс-советские учёные-астрофизики: Алексей Старобинский, Андрей Линде, а также ряд других.
Алексей Старобинский создал «скелет» этой теории. Модель инфляции он придумал на год раньше Гута, но по случайности. Он полагал, что его модель позволит избавиться от начальной сингулярности, что на самом деле было в ней невозможно. Однако он не распознал, что она может решить проблемы горизонта и плоской геометрии. Линде и Гут доработали данную модель Вселенной. Именно поэтому теорию инфляции можно назвать их общей работой.
Гут выдвинул идею, согласно которой за раздувание Вселенной отвечает отталкивающая гравитация. Он предположил, что ранняя Вселенная содержала очень необычную материю, которая порождала мощные силы гравитационного отталкивания. Эта материя – ложный вакуум.
Согласно современным теориям элементарных частиц, вакуум – это физический объект; он может быть заряжен энергией и может находиться в разнообразных состояниях. Вакуум, в котором мы живём, находится в низшем энергетическом состоянии, его называют «истинным вакуумом».
Высокоэнергичные вакуумы называют «ложными», поскольку, в отличие от истинного вакуума, они неустойчивы. Спустя короткое время, обычно малую долю секунды, ложный вакуум распадается, превращаясь в истинный, а его избыточная энергия высвобождается в виде огненного шара из элементарных частиц.
Рисунок 1 – Энергетический ландшафт скалярного поля с ложным и истинным вакуумом. Поле может туннелировать сквозь барьер, разделяющий два вакуума
Процесс распада вакуума похож на кипение воды. Посреди ложного вакуума случайным образом появляются маленькие пузырьки вакуума истинного. Конечным результатом становится истинный вакуум, заполненный плотной горячей материей. Это означает, однако, что инфляция заканчивается слишком быстро, намного раньше, чем Вселенная становится однородной и плоской. Данное рассуждение породило проблему изящного выхода.
Чтобы проиллюстрировать физику распада вакуума, рассмотрим скалярное поле и его влияние на энергию вакуума. Представим, что скалярное поле – шарик. В зависимости от начального положения шарик скатится в тот или иной энергетический минимум. Самый нижний минимум имеет почти нулевую плотность энергии; он отвечает истинному вакууму. Более высокий минимум соответствует высокоэнергичному ложному вакууму.
Скалярное поле будет находиться в состоянии ложного вакуума до тех пор, пока что-нибудь не подтолкнет его вверх, сообщив энергию, необходимую для того, чтобы преодолеть барьер и попасть в нижний минимум. Однако, согласно квантовой теории, объект может «туннелировать» сквозь энергетический барьер. Когда вы наблюдаете такое событие, то видите, как шарик исчезает и мгновенно материализуется по другую сторону барьера.
Квантовое туннелирование – вероятностный процесс. В случае ложного вакуума вероятность того, что большая область пространства туннелирует в состояние истинного вакуума, совершенно ничтожна. Туннелирование происходит в крошечных, микроскопических областях, приводя к появлению маленьких участков истинного вакуума. Это и есть процесс образования неустойчивых пузырьков, который обсуждался ранее.
Если между двумя вакуумами имеется энергетический барьер, распад вакуума может происходить только через квантовое туннелирование. Если барьера нет, шарик, представляющий поле, просто скатывается вниз в сторону истинного вакуума. Таким образом, скалярное поле остается однородным во всём пространстве, как и наша Вселенная.
Рисунок 2 – Энергетический ландшафт «сплющенного холма». Пока скалярное поле медленно скатывается вниз, инфляция продолжается
График энергетической функции напоминает по форме холм с очень пологим склоном. Высота на рисунке соответствует плотности энергии скалярного поля, а её постоянство – все, что требуется для поддержания неизменного темпа инфляции. Ключевая идея Линде состояла в том, что вблизи вершины холма скалярное поле катится очень медленно, и потому пройдет много времени, прежде чем оно пересечет эту область. Между тем Вселенная продолжает расширяться, колоссальным образом вырастая в размерах. Энергия распада ложного вакуума зажигает горячий огненный шар из элементарных частиц. Результатом окончания инфляции является Большой взрыв. Таким образом, Большой взрыв – это не разовое влияние, а постоянно происходящий процесс в инфляции. Островные Вселенные постоянно растут, потому что на их границах регулярно происходят Большие взрывы, приводящие к их расширениям. Таким образом, граница между инфляцией и островной Вселенной – Большой взрыв. Весьма примечательно, что «большая» Вселенная может быть замкнутой и конечной. Проблема изящного выхода решена.
В данный момент времени образовываются новые вселенные, которые растут со временем, как и наша. Центральные части островных вселенных стары, темны и пустынны, потому что все звезды в данных регионах уже давно умерли, исчезла жизнь. Однако во время роста появляются новые регионы по краям, которые полны новых звезд. Мы можем постараться аккумулировать нашу мудрость, создав «древо» цивилизации, передавая новым, образовавшимся на краю нашей вселенной, мирам знания, которыми обладаем. Но мы не можем этого сделать, потому что нет сигнала, распространяющегося быстрее скорости света.
Следующая особенность Большого взрыва состоит в тонкой сбалансированности вспышки. Если бы плотность материи во Вселенной была больше, ее гравитационного притяжения хватило бы, чтобы остановить расширение и в итоге заставить Вселенную вновь сколлапсировать. При немного меньшей плотности Вселенная расширяется бесконечно. Наблюдаемая плотность с точностью до нескольких процентов равна критической, отвечающей пограничной линии между этими двумя режимами. В ходе эволюции Вселенная удаляется от критического значения. Факт того, что, спустя столько миллиардов лет после возникновения нашей Вселенной, её плотность была столь близкой по значению к критической, очень маловероятен: доли от 1 %.
Строение Вселенной в инфляционной модели
Согласно теории инфляции наша Вселенная – один из многочисленных и вечнорастущих островов в океане. Взглянуть на данную модель можно с двух сторон: внешней стороны (глобальной) и внутренней (локальной).
С внешней стороны находится ложный вакуум, который усеян островными Вселенными. Это можно сравнить с океаном и многочисленными имеющимися и появляющимися новыми островами, где и то, и другое постоянно растет в своих объемах. В инфляции существует два конкурирующих совершенно противоположных друг другу процесса: распад ложного вакуума и расширение инфлирующих областей.
Рисунок 3 Раздувающийся шар ложного вакуума (темный), соединенный с внешним пространством «кротовой норой» и видимый извне как черная дыра.
Для нас Вселенная бесконечна, ей нет конца, она постоянно растет, представляется как самостоятельная бесконечная Вселенная. Это локальный вид. Нашу Вселенную можно разбить на регионы, которые, с момента Большого взрыва, чрезвычайно похожи, но различны в деталях. Процессы, происходящие в этих регионах, приводят к тому, что ко времени образования галактик они отличаются особенности структуры галактик внутри каждой из них. Количество различных взаимоположений материи ограничено. Это происходит потому, что смещения, близкие по величине, невозможно различать по причине квантовой неопределенности, сформулированной в 1927 году Вернером Гейзенбергом, и являющейся ядром квантовой физики.
Ложный вакуум имеет огромное натяжение, которое вызывает его отталкивающую гравитацию. Если он заполняет всё пространство, то натяжение повсюду одинаково и нет никаких физических проявлений, кроме гравитационных. Но если он окружён истинным вакуумом, натяжение внутри не уравновешивается никакой внешней силой и заставляет кусочек ложного вакуума сжиматься. Если он меньше некоторой критической величины, побеждает натяжение, и кусочек съеживается, как растянутая резинка. Затем, после нескольких колебаний, он распадается на элементарные частицы. Если размер больше критического, побеждает отталкивающая гравитация, и тогда ложный вакуум начинает раздуваться. В ходе этого процесса он искривляет пространство наподобие воздушного шарика.
Расширяющийся шар соединен с внешним пространством узкой «кротовой норой». Снаружи она видна как чёрная дыра, и внешний наблюдатель никогда не сможет подтвердить или опровергнуть, что внутри этой чёрной дыры скрывается огромная раздувающаяся вселенная. Аналогично, наблюдатель, который появится внутри раздувающейся вселенной-пузыря, увидит только крошечную часть всего пространства и никогда не узнает, что его вселенная имеет границу, за которой имеется другая большая вселенная.
Согласно модели Фридмана о связи между плотностью Вселенной и её крупномасштабной геометрией:
Вселенная замкнута, если плотность выше критической.
Вселенная открыта, если плотность ниже критической.
Вселенная плоская, если плотность в точности равна критической.
Вселенная удаляется от критической плотности, только если её расширение замедляется. В случае ускоренного инфляционного расширения всё обстоит наоборот: Вселенная приближается к критической плотности, а значит, становится более плоской. Поскольку инфляция увеличивает Вселенную в колоссальное число раз, нам видна лишь крошечная её часть. Эта наблюдаемая область выглядит плоской подобно нашей Земле, которая тоже кажется плоской, если смотреть на неё, находясь вблизи поверхности.
Важнейшее предсказание инфляции состоит в том, что наблюдаемая область Вселенной – плоская, имеющая евклидову геометрию. Вселенная может быть и сферической, но наш горизонт охватывает лишь ту часть, которую мы не можем отличить от плоской. Данное утверждение эквивалентно тому, что плотность Вселенной с высокой точностью является равной критической.
Обычное вещество нашей вселенной составляет лишь несколько процентов. С учётом тёмной материи набирается около 30 % критической плотности.
В 1998 году две независимые исследовательские группы измерили яркость взрывов сверхновых и далекой галактик, однако вместо замедления под действием гравитации скорость расширения возрастала. Это говорило о наличии во вселенной гравитационно отталкивающей субстанции. Плотность массы вакуума имеет нулевую плотность массы, однако, при оценивании её по величине космологического ускорения составляет около 70 % критической плотности.
Рисунок 4. Смоделированная на компьютере Вселенная с вечной инфляцией. Островные вселенные (темные) на фоне инфляционно раздувающегося ложного вакуума (светлого).
Этот вывод был позднее подтверждён наблюдениями космического микроволнового излучения, которые позволяют напрямую определить геометрию пространства. Также триумфом инфляции было объяснение небольших возмущений плотности, плохо уловимой ряби, которая позднее превращалась в галактики. Как оказалась, первичная рябь оставляет отпечаток в фоновом космическом излучении и является послесвечением Большого взрыва, содержащий образ ранней вселенной. Запущенные спутники построили карту неба, измерив излучения, приходящие со всех направлений, которая оказалась в полном согласии с теорией инфляции вселенной.
Излучение, приходящее с противоположных сторон одинаковое. Вселенная разбита на множество регионов, которые не могут сообщаться друг с другом. Именно поэтому можно сделать вывод, что Вселенная была однородна изначальна, а не вследствие какого-то физического процесса.
Даже если наша Вселенная избежит природных катастроф и самоуничтожения, она, в конце концов, лишится энергии. Умрут звезды в наших космических окрестностях, бесконечное число новых появится вдалеке от нас. Мы видим лишь небольшую часть островной вселенной, находящейся в океане ложного вакуума.
Также, мы никогда не сможем держаться на краю островной вселенной, потому как она растет быстрее скорости света. Поэтому не сможем попасть новые регионы нашей Вселенной, не сможем передать сообщения другим цивилизациям. Поле меняется в пространстве очень плавно, вакуум в соседних областях распадается почти одновременно. Именно по этой причине Большие взрывы следуют стремительно друг за другом, расширяя границы островной вселенной.
1. Теория инфляционной Вселенной, или теория Мультивселенной / Линде А.Д. [Электронный ресурс].
2. Вечная инфляция / Мир многих миров. Физики в поисках иных вселенных / Александр Виленкин [Электронный ресурс].
3. Одна Вселенная или множество? / Александр Виленкин [Электронный ресурс].
Источник
Инфляционная модель Вселенной
Инфляционная модель Вселенной – научная космологическая теория о законе и состоянии расширения Вселенной на раннем этапе Большого взрыва. В отличие от стандартной модели горячей Вселенной, данная теория предполагает ускоренный период расширения Вселенной на раннем этапе при температуре выше 1028 Кельвинов.
Общие сведения
Инфляционная модель Вселенной была разработана относительно недавно. Еще в 30-х годах 20 века ученые знали, что наша Вселенная непрестанно расширяется. Важную роль в этом сыграло открытие закона Хаббла , который указывал на данный факт. Ученые поняли, что процессу расширения Вселенной предшествовало свое начало. По этой причине они решили, применяя физико-математические законы, теоретически воссоздать процесс формирования Вселенной и понять, что именно послужило толчком к ее расширению.
Создавая теорию формирования Вселенной, ученые столкнулись с рядом вопросом, например: почему во Вселенной так мало антивещества, если оно должно состоять с веществом в примерно равных пропорциях; как получилось, что температура всех областей Вселенной примерно одинакова, если отдельные ее части никак не могли контактировать друг с другом; почему Вселенная обладает именно такой массой и энергией, которая способна замедлить хаббловское расширение и многое другое. Занимаясь поиском ответов на эти вопросы, ученые вывели стандартную модель горячей Вселенной, которая гласит, что в самом начале своего зарождения Вселенная была очень плотной и горячей, и в ней существовало единое поле взаимодействия между всеми частицами. Впоследствии, когда Вселенная расширилась и остыла, это поле распалось на электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое взаимодействие, которое позволили частицам, из которых состояла первобытная Вселенная, объединяться в атомы и другие сложные структуры.
В 1981 году американский ученый Алан Гут понял, что выделение сильных взаимодействий из единого поля, а также фазовый переход первобытного вещества Вселенной из одного состояния в другое произошел примерно через 10–35 секунды после рождения Вселенной. Этот период можно условно назвать «первоначальной кристаллизацией Вселенной» или «экстренным расширением Вселенной». В чем-то этот процесс напоминает процедуру замерзания воды и превращения ее в лед. Всем известно, что вода при замерзании расширяется. Алану Гут предположил, что на самом начальном этапе формирования Вселенной произошло ее скачкообразное расширение, благодаря которому Вселенная за крохотные доли секунды расширилась в 50 раз. Свою теорию ученый назвал инфляционной моделью Вселенной (инфляция от англ. Inflate – раздувать, накачивать). При помощи этой модели можно объяснить, почему Вселенная обладает такой массой и энергией, которая позволяет замедлить хаббловское расширение, а также, почему температура всех областей нашей Вселенной примерно одинакова.
Проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной
Хаббловское расстояние совпадает с размерами наблюдаемой нами Вселенной. Это говорит нам о том, что из-за конечности возраста нашей Вселенной и скорости света можно наблюдать сейчас только те области Вселенной, которые находятся на равном или меньшем расстоянии горизонта наблюдений.
В планковскую эпоху Большого взрыва (самая ранняя стадия развития Вселенной) в наблюдаемой Вселенной состояло около 1090 областей, взаимодействие и причинная связь между которыми отсутствовала. Схожесть начальных условий в таком огромном количестве областей считалась маловероятной. Даже в более поздние периоды Большого взрыва проблема схожести начальных условий в несвязанных причинно областях остается.
Например, в эпоху рекомбинации приходящие к нам с близких направлений фотоны реликтового излучения должны были содействовать с областями первичной плазмы, между которыми за все время их существования не успела установиться причинная связь. Другими словами, можно было рассчитывать на значительную анизотропность реликтового излучения, но наблюдения показывают, что оно изотропно, причем в достаточно высокой степени.
Проблема плоской Вселенной
Согласно последним научным данным плоскость Вселенной весьма близка к критической плоскости, при которой кривизна пространства равна нулю. Согласно научной гипотезе, отклонение плотности Вселенной от критической плотности должно увеличиваться в процессе течения времени. Для объяснения пространственной кривизны Вселенной в рамках стандартной модели , необходимо принять отклонение ее плотности в планковскую эпоху.
Говоря максимально простым языком, стандартная модель горячей Вселенной не способна объяснить плоскость Вселенной, в то время, как инфляционная модель Вселенной позволяет это сделать. Ее постулаты гласят, что неважно насколько сильно было искривлено пространство нашей Вселенной в миг ее инфляционного расширения – по окончанию этого расширения ее пространство оказалось почти полностью прямым. Кривизна пространства, согласно общей теории относительности, зависит от количества энергии и материи, которые в нем находятся. По этой причине в нашей Вселенной находится достаточно материи, чтобы уравновесить хаббловское расширение.
Источник