Вселенная до горячего Большого взрыва

Валерий Рубаков (mozgovoyshturm.ru)

Вале­рий Руба­ков (mozgovoyshturm.ru)

Все, кто сколь­ко-нибудь инте­ре­су­ет­ся кос­мо­ло­ги­ей, зна­ют, что на ран­них эта­пах эво­лю­ции Все­лен­ной веще­ство в ней было очень горя­чим и плот­ным, а темп рас­ши­ре­ния Все­лен­ной — огром­ным. Пожа­луй, менее извест­но, что дан­ные наблю­да­тель­ной кос­мо­ло­гии неопро­вер­жи­мо сви­де­тель­ству­ют о том, что эта ста­дия, кото­рую назы­ва­ют ста­ди­ей горя­че­го Боль­шо­го взры­ва (клю­че­вое сло­во здесь — «горя­че­го»), была не самой пер­вой, что до этой ста­дии была еще какая-то эпо­ха (а воз­мож­но, и не одна) с кар­ди­наль­но ины­ми свой­ства­ми.

Сам факт суще­ство­ва­ния эпо­хи, пред­ше­ство­вав­шей горя­чей ста­дии, ни у кого из кос­мо­ло­гов не вызы­ва­ет сомне­ния, а вот вопрос, что это была за эпо­ха, до сих пор одно­знач­но не решен. Наи­бо­лее попу­ляр­на и про­ра­бо­та­на (в гораз­до боль­шей сте­пе­ни, если срав­ни­вать с дру­ги­ми) тео­рия инфля­ции, но надо под­черк­нуть, что это всё еще гипо­те­за, одно­знач­но­го под­твер­жде­ния кото­рой пока нет (хотя мно­гие вос­при­ни­ма­ют инфля­цию как дан­ность).

На самом деле инфля­ция не един­ствен­ная гипо­те­за, есть и дру­гие, речь о кото­рых пой­дет ниже. Заме­ча­тель­ная осо­бен­ность совре­мен­но­го эта­па раз­ви­тия кос­мо­ло­гии состо­ит в том, что есть осно­ва­ния пола­гать: экс­пе­ри­мен­таль­ные дан­ные (резуль­та­ты кос­мо­ло­ги­че­ских наблю­де­ний) поз­во­лят в обо­зри­мом буду­щем сде­лать выбор в поль­зу той или иной гипо­те­зы. С помо­щью дан­ных о совре­мен­ной Все­лен­ной на огром­ных мас­шта­бах рас­сто­я­ний мы рас­счи­ты­ва­ем узнать, что пред­став­ля­ла собой Все­лен­ная в те мель­чай­шие доли секун­ды сво­е­го суще­ство­ва­ния, кото­рые пред­ше­ство­ва­ли извест­ной нам горя­чей ста­дии и кото­рые, ско­рее все­го, харак­те­ри­зо­ва­лись гигант­ски­ми плот­но­стя­ми энер­гии!

Клю­чом к осо­зна­нию необ­хо­ди­мо­сти эпо­хи, пред­ше­ство­вав­шей горя­чей ста­дии, а в буду­щем — к выяс­не­нию, что это была за эпо­ха, слу­жат неод­но­род­но­сти во Все­лен­ной.

На очень боль­ших мас­шта­бах рас­сто­я­ний Все­лен­ная почти одно­род­на: обла­сти раз­ме­ром мил­ли­ард све­то­вых лет и боль­ше выгля­дят все оди­на­ко­во. На мень­ших мас­шта­бах в совре­мен­ной Все­лен­ной име­ют­ся струк­ту­ры — галак­ти­ки, скоп­ле­ния галак­тик, гигант­ские пусто­ты-вой­ды, мы с вами, в кон­це кон­цов. Зна­чит, мате­рия (обыч­ное веще­ство и тем­ная мате­рия) рас­пре­де­ле­на в про­стран­стве неод­но­род­но. Так есть сей­час, так было и в про­шлом.

Неод­но­род­но­сти в рас­пре­де­ле­нии мас­сы мате­рии и свя­зан­ные с ними гра­ви­та­ци­он­ные потен­ци­а­лы на кос­мо­ло­ги­че­ском жар­гоне при­ня­то назы­вать ска­ляр­ны­ми воз­му­ще­ни­я­ми. Воз­мож­ны так­же тен­зор­ные воз­му­ще­ния — релик­то­вые гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны. Под­черк­нем, что речь здесь не идет о гра­ви­та­ци­он­ных вол­нах, недав­но откры­тых в экс­пе­ри­мен­те LIGO: те гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны были излу­че­ны срав­ни­тель­но недав­но в резуль­та­те сли­я­ния чер­ных дыр или ней­трон­ных звезд и несут мало кос­мо­ло­ги­че­ской инфор­ма­ции.

Релик­то­вые гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны, если они суще­ству­ют, — это сиг­нал, при­шед­ший к нам как раз из той эпо­хи, кото­рая пред­ше­ство­ва­ла горя­че­му Боль­шо­му взры­ву. Об их свой­ствах, пред­ска­зы­ва­е­мых инфля­ци­он­ной тео­ри­ей, мы еще пого­во­рим. Нако­нец, в прин­ци­пе мог­ли бы быть так назы­ва­е­мые век­тор­ные воз­му­ще­ния, но даже если они обра­зу­ют­ся в свер­х­ран­ней Все­лен­ной, их ампли­ту­да быст­ро зату­ха­ет со вре­ме­нем и надеж­ды на их реги­стра­цию мало. Кста­ти, клас­си­фи­ка­ция кос­мо­ло­ги­че­ских воз­му­ще­ний (ска­ляр­ные, век­тор­ные, тен­зор­ные) была раз­ра­бо­та­на Евге­ни­ем Лиф­ши­цем в 1940-х годах.

Что­бы пояс­нить, поче­му свой­ства неод­но­род­но­стей во Все­лен­ной пря­мо сви­де­тель­ству­ют о том, что горя­чая ста­дия не была пер­вой, будем рас­суж­дать от про­тив­но­го. В пред­по­ло­же­нии, что исто­рия Все­лен­ной нача­лась непо­сред­ствен­но с горя­чей ста­дии, при­хо­дит­ся счи­тать, что эво­лю­ция нача­лась с насто­я­ще­го Боль­шой взры­ва, в «момент» кото­ро­го плот­ность мате­рии и темп рас­ши­ре­ния про­стран­ства были гигант­ски­ми — фор­маль­но бес­ко­неч­ны­ми. Заме­тим, что темп рас­ши­ре­ния про­стран­ства не име­ет пря­мо­го отно­ше­ния к ско­ро­сти пере­да­чи сиг­на­лов, поэто­му про­стран­ство в прин­ци­пе может рас­ши­рять­ся сколь угод­но быст­ро.

Надо думать, прав­да, что бес­ко­неч­но­стей в при­ро­де не быва­ет, что Все­лен­ная стар­то­ва­ла из совер­шен­но непо­нят­но­го для нас сего­дня состо­я­ния, где на всю катуш­ку рабо­та­ли эффек­ты кван­то­вой гра­ви­та­ции, а пред­став­ле­ния о про­стран­стве, вре­ме­ни и поле не име­ли при­выч­но­го для нас смыс­ла (а ско­рее все­го, опи­са­ние Все­лен­ной в этих тер­ми­нах было вооб­ще невоз­мож­ным).

Для нас сей­час это неваж­но; важ­но, что вре­мя жиз­ни Все­лен­ной с момен­та Боль­шо­го взры­ва конеч­но — сего­дня это 13,8 млрд лет. В такой кар­тине сиг­на­лы, испу­щен­ные в момент Боль­шо­го взры­ва и рас­про­стра­ня­ю­щи­е­ся с мак­си­маль­но воз­мож­ной ско­ро­стью — ско­ро­стью све­та, — про­ле­те­ли к фик­си­ро­ван­но­му момен­ту вре­ме­ни конеч­ное рас­сто­я­ние. Это рас­сто­я­ние назы­ва­ют раз­ме­ром кос­мо­ло­ги­че­ско­го гори­зон­та: обла­сти, нахо­дя­щи­е­ся в момент t на рас­сто­я­нии, боль­шем это­го раз­ме­ра, никак не успе­ли обме­нять­ся сиг­на­ла­ми, они ниче­го друг о дру­ге не зна­ют, все физи­че­ские про­цес­сы про­ис­хо­ди­ли внут­ри этих обла­стей неза­ви­си­мо.

В совре­мен­ной Все­лен­ной раз­мер гори­зон­та состав­ля­ет при­мер­но 45 млрд све­то­вых лет (за 13,8 млрд лет свет про­ле­тел рас­сто­я­ние 13,8 млрд све­то­вых лет, а к тому же Все­лен­ная сама по себе рас­ши­ри­лась). Как выгля­дят или когда-то выгля­де­ли обла­сти про­стран­ства, отде­лен­ные от нас сего­дня на рас­сто­я­ние боль­ше 45 млрд све­то­вых лет, мы не можем знать в прин­ци­пе (если счи­тать, как мы сей­час дела­ем, что горя­чая ста­дия была пер­вой). И это при том, что мы твер­до уве­ре­ны, что пол­ный раз­мер Все­лен­ной, если он вооб­ще коне­чен, зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ет раз­мер гори­зон­та. Мы видим лишь очень неболь­шую часть Все­лен­ной (точ­но не более одно­го про­цен­та ее объ­е­ма, а ско­рее все­го, на мно­го поряд­ков мень­ше).

Вер­нем­ся теперь к неод­но­род­но­стям во Все­лен­ной. Их свой­ства изме­ря­ют­ся не толь­ко путем постро­е­ния кар­ты рас­пре­де­ле­ния мате­рии в совре­мен­ной и срав­ни­тель­но позд­ней Все­лен­ной (на что наце­ле­ны глу­бо­кие обзо­ры галак­тик и ква­за­ров). Важ­ней­шим источ­ни­ком инфор­ма­ции слу­жит релик­то­вое элек­тро­маг­нит­ное излу­че­ние. Оно дает нам фото­гра­фию Все­лен­ной (точ­нее, види­мой ее части, раз­мер кото­рой сего­дня и состав­ля­ет 45 млрд све­то­вых лет) в воз­расте все­го 380 тыс. лет, в это вре­мя релик­то­вое излу­че­ние «отще­пи­лось» от веще­ства, его назы­ва­ют вре­ме­нем реком­би­на­ции.

Рис. 1. Карта реликтового излучения по данным «Планка». Пунктиром обведены холодные и теплые области, размер которых многократно превышает размеры горизонта Вселенной времен последнего рассеяния реликтовых фотонов

Рис. 1. Кар­та релик­то­во­го излу­че­ния по дан­ным «План­ка». Пунк­ти­ром обве­де­ны холод­ные и теп­лые обла­сти, раз­мер кото­рых мно­го­крат­но пре­вы­ша­ет раз­ме­ры гори­зон­та Все­лен­ной вре­мен послед­не­го рас­се­я­ния релик­то­вых фото­нов

На этом «сним­ке» (рис. 1) крас­ные обла­сти соот­вет­ству­ют более горя­чим и плот­ным обла­стям Все­лен­ной, а синие — менее горя­чим и менее плот­ным. Полез­но, навер­ное, ска­зать, что отно­си­тель­ные откло­не­ния тем­пе­ра­ту­ры и плот­но­сти веще­ства здесь от сред­не­го зна­че­ния состав­ля­ют все­го-навсе­го вели­чи­ну поряд­ка 10–5: во вре­мя реком­би­на­ции (т. е. в воз­расте 380 тыс. лет) Все­лен­ная была гораз­до одно­род­нее, чем сего­дня. Тем не менее откло­не­ния от сред­них зна­че­ний есть, при­чем — и это глав­ное для нас — на всех угло­вых мас­шта­бах. Дей­стви­тель­но, нево­оруженным гла­зом вид­но, что име­ют­ся обла­сти с раз­ме­ра­ми совсем немно­го мень­ше раз­ме­ра всей Все­лен­ной, в кото­рых тем­пе­ра­ту­ра (и плот­ность) в целом ниже или выше сред­ней по Все­лен­ной; неко­то­рые из этих обла­стей пока­за­ны пунк­ти­ром.

Вот тут-то мы и можем завер­шить наше дока­за­тель­ство от про­тив­но­го. Раз­мер кос­мо­ло­ги­че­ско­го гори­зон­та во вре­мя реком­би­на­ции состав­лял все­го око­ло 1 млн све­то­вых лет (это несколь­ко боль­ше 380 тыс. све­то­вых лет из-за рас­ши­ре­ния Все­лен­ной до реком­би­на­ции). С тех пор этот раз­мер рас­тя­нул­ся из-за рас­ши­ре­ния Все­лен­ной после реком­би­на­ции при­мер­но в тыся­чу раз, т. е. сего­дня он состав­ля­ет 1 млрд све­то­вых лет. А раз­мер всей види­мой Все­лен­ной — 45 млрд све­то­вых лет. Это озна­чает, что угло­вой раз­мер гори­зон­та эпо­хи реком­би­на­ции состав­ля­ет око­ло 2°. Гля­дя на небо в направ­ле­ни­ях, раз­ли­ча­ю­щих­ся более чем на 2°, мы видим (с помо­щью релик­то­во­го излу­че­ния) обла­сти Все­лен­ной, кото­рые в эпо­ху реком­би­на­ции ниче­го не мог­ли знать друг о дру­ге.

Это пол­но­стью про­ти­во­ре­чит наблю­да­е­мой фото­гра­фии. Во-пер­вых, все обла­сти Все­лен­ной, даже нахо­дя­щи­е­ся друг от дру­га на рас­сто­я­нии, пре­вы­ша­ю­щем тогдаш­ний гори­зонт (а сего­дня раз­де­лен­ные угло­вым рас­сто­я­ни­ем боль­ше 2°), были во вре­мя реком­би­на­ции оди­на­ко­вы­ми с точ­но­стью поряд­ка 10–5. Для это­го не было ника­ких осно­ва­ний — эти обла­сти не успе­ли еще прий­ти в при­чин­ный кон­такт!

Рис. 2. Схема, показывающая парадокс с горизонтом в ранней Вселенной. Красные конусы показывают распространение света, испущенного в момент начала расширения Вселенной, если оно совпадает с Большим взрывом, т. е. началом горячей стадии. Синий конус — наше поле зрения. По вертикали — конформное время, «замедляющееся» обратно пропорционально масштабному фактору расширяющегося пространства, по горизонтали — конформное расстояние, определяемое аналогично

Рис. 2. Схе­ма, пока­зы­ва­ю­щая пара­докс с гори­зон­том в ран­ней Все­лен­ной. Крас­ные кону­сы пока­зы­ва­ют рас­про­стра­не­ние све­та, испу­щен­но­го в момент нача­ла рас­ши­ре­ния Все­лен­ной, если оно сов­па­да­ет с Боль­шим взры­вом, т. е. нача­лом горя­чей ста­дии. Синий конус — наше поле зре­ния. По вер­ти­ка­ли — кон­форм­ное вре­мя, «замед­ля­ю­ще­е­ся» обрат­но про­пор­ци­о­наль­но мас­штаб­но­му фак­то­ру рас­ши­ря­ю­ще­го­ся про­стран­ства, по гори­зон­та­ли — кон­форм­ное рас­сто­я­ние, опре­де­ля­е­мое ана­ло­гич­но

Во Все­лен­ной, стар­то­вав­шей сра­зу с горя­чей ста­дии, обла­сти, раз­де­лен­ные угло­вым рас­сто­я­ни­ем боль­ше 2°, долж­ны были бы быть совер­шен­но раз­ны­ми — а они совер­шен­но оди­на­ко­вы (с точ­но­стью 10–5). Эту труд­ность тео­рии горя­че­го Боль­шо­го взры­ва назы­ва­ют про­бле­мой гори­зон­та. Во-вто­рых, и это, пожа­луй, глав­ное, во Все­лен­ной в эпо­ху реком­би­на­ции были более холод­ные и более теп­лые обла­сти, раз­мер каж­дой силь­но пре­вы­шал раз­мер гори­зон­та (а угло­вой раз­мер сего­дня силь­но пре­вы­ша­ет 2°); неко­то­рые из них обве­де­ны пунк­ти­ром на рисун­ке. Неод­но­род­но­сти тако­го раз­ме­ра никак не мог­ли обра­зо­вать­ся в про­цес­се эво­лю­ции Все­лен­ной от Боль­шо­го взры­ва до реком­би­на­ции. А они есть! Про­ти­во­ре­чие нали­цо.

Что­бы уйти от про­ти­во­ре­чия, необ­хо­ди­мо счи­тать, что ста­дии горя­че­го Боль­шо­го взры­ва пред­ше­ство­ва­ла какая-то дру­гая эпо­ха. Имен­но во вре­мя этой эпо­хи обра­зо­ва­лись неод­но­род­но­сти во Все­лен­ной — заро­ды­ши галак­тик, скоп­ле­ний галак­тик, а через них и мы с вами.

Из уже ска­зан­но­го ясно, что эта новая (с точ­ки зре­ния кос­мо­ло­гии соро­ка­лет­ней дав­но­сти) эпо­ха долж­на была быть в опре­де­лен­ном смыс­ле очень дли­тель­ной, ина­че неод­но­род­но­сти гигант­ско­го раз­ме­ра не поме­сти­лись бы внутрь тогдаш­не­го све­то­во­го кону­са и не мог­ли бы обра­зо­вать­ся. Нуж­но, прав­да, уточ­нить, что тре­бу­е­мая боль­шая «дли­тель­ность» новой эпо­хи не обя­за­тель­но озна­ча­ет, что эта эпо­ха долж­на зани­мать боль­шой интер­вал вре­ме­ни: доста­точ­но, что­бы изна­чаль­но близ­кие друг к дру­гу точ­ки про­стран­ства к кон­цу новой эпо­хи из-за рас­ши­ре­ния Все­лен­ной ока­за­лись раз­не­сен­ны­ми на очень боль­шое рас­сто­я­ние. Имен­но послед­няя воз­мож­ность реа­ли­зу­ет­ся в сце­на­рии инфля­ции, а в аль­тер­на­тив­ных сце­на­ри­ях новая эпо­ха дей­стви­тель­но длит­ся дол­го в обыч­ном смыс­ле это­го сло­ва.

Итак, до горя­чей ста­дии была суще­ствен­но иная эпо­ха — эпо­ха обра­зо­ва­ния пер­вич­ных неод­но­род­но­стей. Отсю­да сле­ду­ет общий вывод о том, что, изу­чая мето­да­ми кос­мо­ло­ги­че­ских наблю­де­ний свой­ства неод­но­род­но­стей, мы можем наде­ять­ся выяс­нить меха­низм их обра­зо­ва­ния, а тем самым узнать, что имен­но про­ис­хо­ди­ло во Все­лен­ной до горя­чей ста­дии.

Как обсто­ит с этим дело сего­дня? Как уже гово­ри­лось, наи­бо­лее попу­ляр­ным и раз­ра­бо­тан­ным сце­на­ри­ем новой эпо­хи явля­ет­ся инфля­ция. В этом сце­на­рии Все­лен­ная на самом ран­нем эта­пе быст­ро, экс­по­нен­ци­аль­но рас­ши­ря­ет­ся, про­стран­ство рас­тя­ги­ва­ет­ся в нево­об­ра­зи­мое чис­ло раз, а наша види­мая часть Все­лен­ной пред­став­ля­ет собой малень­кую долю обла­сти, при­чин­но свя­зан­ной к кон­цу инфля­ции.

Рис. 3. Схема причинной структуры в теории со стадией, предшествующей Большому взрыву. Вершины красных конусов — начало Большого взрыва, черным показан световой конус, исходящий из некой точки в какой‑то момент предшествующей стадии. Таким образом, все области размером с горизонт в момент рекомбинации оказываются причинно связанными. Предшествующая эпоха выглядит длительной потому, что по вертикали отложено конформное время, «текущее» очень быстро, когда Вселенная была маленькой

Рис. 3. Схе­ма при­чин­ной струк­ту­ры в тео­рии со ста­ди­ей, пред­ше­ству­ю­щей Боль­шо­му взры­ву. Вер­ши­ны крас­ных кону­сов — нача­ло Боль­шо­го взры­ва, чер­ным пока­зан све­то­вой конус, исхо­дя­щий из некой точ­ки в какой‑то момент пред­ше­ству­ю­щей ста­дии. Таким обра­зом, все обла­сти раз­ме­ром с гори­зонт в момент реком­би­на­ции ока­зы­ва­ют­ся при­чин­но свя­зан­ны­ми. Пред­ше­ству­ю­щая эпо­ха выгля­дит дли­тель­ной пото­му, что по вер­ти­ка­ли отло­же­но кон­форм­ное вре­мя, «теку­щее» очень быст­ро, когда Все­лен­ная была малень­кой

Заме­ча­тель­но, что инфля­ци­он­ные моде­ли име­ют авто­ма­ти­че­ски встро­ен­ный меха­низм обра­зо­ва­ния пер­вич­ных воз­му­ще­ний — это уси­ле­ние ваку­ум­ных флук­ту­а­ций полей (как пра­ви­ло, того само­го поля, кото­рое обес­печивает инфля­цию — инфла­то­на), про­ис­хо­дя­щее бла­го­да­ря быст­ро­му рас­ши­ре­нию про­стран­ства.

Риск­ну выска­зать пред­по­ло­же­ние, что неза­ви­си­мо от того, вер­на или нет инфля­ци­он­ная тео­рия, источ­ни­ком пер­вич­ных воз­му­ще­ний во Все­лен­ной слу­жат ваку­ум­ные флук­ту­а­ции како­го-то поля или каких-то полей, уси­лен­ные в про­цес­се эво­лю­ции. Тут надо напом­нить, что в кван­то­вой тео­рии ваку­ум — это дале­ко не без­жиз­нен­ная пусто­та: в нем всё вре­мя воз­ни­ка­ют и исче­за­ют флук­ту­а­ции всех полей, какие есть в при­ро­де.

Дру­гой язык для опи­са­ния этих флук­ту­а­ций — вир­ту­аль­ные части­цы, рож­да­ю­щи­е­ся и уни­что­жа­ю­щи­е­ся в ваку­у­ме. Эффек­ты, свя­зан­ные с эти­ми ваку­ум­ны­ми флук­ту­а­ци­я­ми, хоро­шо извест­ны, рас­счи­та­ны и изме­ре­ны с высо­кой точ­но­стью, в кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ке это лэм­бов­ский сдвиг, ано­маль­ные маг­нит­ные момен­ты элек­тро­на и мюо­на и др. В интен­сив­ных внеш­них полях и вооб­ще в необыч­ных усло­ви­ях ваку­ум­ные флук­ту­а­ции могут уси­ли­вать­ся и тем самым пре­вра­щать­ся из вир­ту­аль­ных в реаль­ные, непо­сред­ствен­но наблю­да­е­мые; в кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ке это долж­но про­яв­лять­ся, напри­мер, в рож­де­нии реаль­ных элек­трон-пози­трон­ных пар силь­ным элек­три­че­ским полем. Уси­ле­ние ваку­ум­ных флук­ту­а­ций полей в про­цес­се эво­лю­ции Все­лен­ной и явля­ет­ся, по всей види­мо­сти, меха­низ­мом обра­зо­ва­ния неод­но­род­но­стей. В этом смыс­ле все мы — дале­кие потом­ки ваку­у­ма.

Воз­мож­ность рож­де­ния релик­то­вых гра­ви­та­ци­он­ных волн в неста­ци­о­нар­ной Все­лен­ной из-за уси­ле­ния ваку­ум­ных флук­ту­а­ций была обна­ру­же­на еще в 1974 году Лео­ни­дом Гри­щу­ком, а кар­ти­на обра­зо­ва­ния неод­но­род­но­стей плот­но­сти мате­рии из нуле­вых коле­ба­ний была пред­ло­же­на неза­ви­си­мо от инфля­ци­он­ной тео­рии в рабо­тах Вла­ди­ми­ра Лука­ша 1980 года. Одна­ко полу­чав­ши­е­ся в этих рабо­тах свой­ства неод­но­род­но­стей мате­рии были дале­ки от того, что тре­бо­ва­лось для согла­сия с наблю­де­ни­я­ми.

Всё вста­ло на свои места в 1981 году, когда Вяче­слав Муха­нов и Ген­на­дий Чиби­сов выпол­ни­ли ана­лиз в инфля­ци­он­ной тео­рии и обна­ру­жи­ли, что обра­зу­ю­щи­е­ся пер­вич­ные воз­му­ще­ния обла­да­ют как раз пра­виль­ны­ми свой­ства­ми. Этот вывод бле­стя­ще под­твер­дил­ся после­ду­ю­щи­ми иссле­до­ва­ни­я­ми неод­но­род­но­стей мате­рии (с помо­щью как наблю­де­ний релик­то­во­го излу­че­ния, так и изу­че­ния рас­пре­де­ле­ния мате­рии в совре­мен­ной и срав­ни­тель­но позд­ней Все­лен­ной), выпол­нен­ны­ми с весь­ма высо­кой точ­но­стью.

Тем не менее сего­дня нам извест­ны лишь самые общие, базо­вые свой­ства воз­му­ще­ний мате­рии, поэто­му пока нель­зя ска­зать с пол­ной уве­рен­но­стью, что горя­че­му Боль­шо­му взры­ву пред­ше­ство­ва­ла имен­но инфля­ци­он­ная ста­дия. Одной из аль­тер­на­тив инфля­ции слу­жит сце­на­рий с отско­ком. В нем Все­лен­ная стар­ту­ет с пери­о­да мед­лен­но­го сжа­тия из состо­я­ния с малой плот­но­стью энер­гии, похо­же­го на совре­мен­ное состо­я­ние. В про­цес­се эво­лю­ции ско­рость сжа­тия уве­ли­чи­ва­ет­ся, плот­ность мате­рии рас­тет, а в какой-то момент сжа­тие пре­кра­ща­ет­ся и сме­ня­ет­ся рас­ши­ре­ни­ем, и эво­лю­ция пере­хо­дит в извест­ную нам горя­чую ста­дию. Пер­вич­ные неод­но­род­но­сти в таком сце­на­рии обра­зу­ют­ся на ран­ней ста­дии, когда сжа­тие про­ис­хо­дит мед­лен­но, и вре­ме­ни для обра­зо­ва­ния неод­но­род­но­стей боль­ших мас­шта­бов предо­ста­точ­но. Вари­ан­том сце­на­рия с отско­ком слу­жит сце­на­рий пуль­си­ру­ю­щей Все­лен­ной, в кото­рой эво­лю­ция — цик­ли­че­ская (сжа­тие — рас­ши­ре­ние — сжа­тие — рас­ши­ре­ние и т. д.).

Дру­гой сце­на­рий, аль­тер­на­тив­ный инфля­ции, был пред­ло­жен срав­ни­тель­но недав­но, в 2010 году Пао­ло Кре­ми­нел­ли (Paolo Creminelli), Аль­бер­то Нико­ли­сом (Alberto Nicolis) и Энри­ко Трин­ке­ри­ни (Enrico Trincherini). Они доволь­но нахаль­но назва­ли его гене­зи­сом (Genesis — Бытие, пер­вая кни­га Биб­лии). В этом сце­на­рии в началь­ном состо­я­нии Все­лен­ная пустая, плос­кая и ста­ти­че­ская. Затем в ней появ­ля­ет­ся нену­ле­вая плот­ность энер­гии, из-за это­го Все­лен­ная начи­на­ет рас­ши­рять­ся, плот­ность энер­гии и темп рас­ши­ре­ния рас­тут, а на каком-то эта­пе уже быст­ро­го рас­ши­ре­ния плот­ность энер­гии пере­хо­дит в теп­ло и начи­на­ет­ся горя­чая ста­дия. В сце­на­рии гене­зи­са обра­зо­ва­ние неод­но­род­но­стей тоже про­ис­хо­дит на ран­нем эта­пе эво­лю­ции, когда Все­лен­ная рас­ши­ря­ет­ся очень мед­лен­но.

Надо ска­зать, что постро­ить тео­ретически согла­со­ван­ные моде­ли Все­лен­ной с отско­ком или гене­зи­сом очень непро­сто. Не менее слож­но пред­ло­жить меха­низм обра­зо­ва­ния неод­но­род­но­стей со свой­ства­ми, пра­виль­ны­ми с точ­ки зре­ния наблю­де­ний. Всё это нахо­дит­ся сей­час, как гово­рят, в рабо­те. Пред­ва­ри­тель­но мож­но ска­зать, что само­со­гла­со­ван­ные и даже кра­си­вые тео­ре­ти­че­ские вари­ан­ты постро­ить мож­но, хотя для это­го надо при­вле­кать доволь­но экзо­ти­че­ские поля, до сих пор не встре­чав­ши­е­ся в при­ро­де (впро­чем, боль­шин­ство моде­лей инфля­ции тоже осно­ва­ны на вве­де­нии ново­го поля — инфла­то­на).

Мож­но ли будет выяс­нить с помо­щью экс­пе­ри­мен­тов, какой из сце­на­ри­ев реа­ли­зо­вал­ся в при­ро­де? Вполне обос­но­ван­ные надеж­ды на это есть. Они свя­за­ны с обна­ру­же­ни­ем и иссле­до­ва­ни­ем доста­точ­но тон­ких свойств неод­но­род­но­стей во Все­лен­ной. Преж­де все­го инфля­ци­он­ные моде­ли, и толь­ко они, часто пред­ска­зы­ва­ют суще­ство­ва­ние уже упо­ми­нав­ших­ся релик­то­вых гра­ви­та­ци­он­ных волн (тен­зор­ных воз­му­ще­ний), при­чем со все­ми дли­на­ми.

Наи­бо­лее инте­рес­ны гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны с дли­на­ми, близ­ки­ми или немно­го мень­ши­ми раз­ме­ра види­мой части Все­лен­ной. Пери­о­ды коле­ба­ний таких гра­ви­та­ци­он­ных волн состав­ля­ют мил­ли­ар­ды и десят­ки мил­ли­ар­дов лет! Надеж­да на их обна­ру­же­ние в том, что во мно­гих инфля­ци­он­ных моде­лях ампли­ту­ды этих гра­ви­та­ци­он­ных волн весь­ма вели­ки — поряд­ка 10–6 или немно­го мень­ше (срав­ни­те с ампли­ту­да­ми поряд­ка 10–21–10–22, харак­тер­ны­ми для гра­ви­та­ци­он­ных волн суще­ствен­но мень­шей дли­ны, заре­ги­стри­ро­ван­ных LIGO и VIRGO). Вли­я­ние релик­то­вых гра­ви­та­ци­он­ных волн на тем­пе­ра­ту­ру и осо­бен­но поля­ри­за­цию релик­то­во­го излу­че­ния может быть обна­ру­же­но буду­щи­ми экс­пе­ри­мен­та­ми, что послу­жит, на мой взгляд, дока­за­тель­ством инфля­ции.

Раз­лич­ные инфля­ци­он­ные тео­рии, а так­же вари­ан­ты аль­тер­на­тив инфля­ции отли­ча­ют­ся и тон­ки­ми кор­ре­ля­ци­он­ны­ми свой­ства­ми неод­но­род­но­стей мате­рии. На сего­дняш­нем уровне точ­но­сти наблю­де­ний эти неод­но­род­но­сти обла­да­ют самы­ми про­сты­ми (гаус­со­вы­ми) ста­ти­сти­че­ски­ми свой­ства­ми, кото­рые, кста­ти ска­зать, харак­тер­ны и для ваку­ум­ных флук­ту­а­ций про­стей­ших полей, — это одно из пря­мых ука­за­ний на изна­чаль­ную при­ро­ду неод­но­род­но­стей, о кото­рой мы гово­ри­ли выше.

Так вот, обна­ру­же­ние и изу­че­ние в буду­щем негаус­со­во­сти, если оно про­изой­дет, поз­во­лит отбро­сить одни сце­на­рии и под­твер­дить дру­гие. Отме­тим, что в про­стых инфля­ци­он­ных моде­лях негаус­со­вость очень мала, так что если они вер­ны, то ее обна­ру­же­ние — дело дале­ко­го буду­ще­го. Есть и дру­гие воз­мож­ные осо­бен­но­сти неод­но­род­но­стей мате­рии, кото­рые воз­ни­ка­ют в неко­то­рых сце­на­ри­ях и в прин­ци­пе могут быть обна­ру­же­ны путем наблю­де­ний.

Итак, ситу­а­ция в кос­мо­ло­гии сего­дня свое­об­раз­ная. С одной сто­ро­ны, мы уве­ре­ны, что горя­чей ста­дии эво­лю­ции Все­лен­ной пред­ше­ство­ва­ла дру­гая, весь­ма отли­ча­ю­ща­я­ся от нее эпо­ха, важ­ная для нас тем, что имен­но в эту эпо­ху обра­зо­ва­лись заро­ды­ши столь необ­хо­ди­мых неод­но­род­но­стей мате­рии — галак­тик, звезд, нас с вами. С дру­гой сто­ро­ны, одно­знач­но ска­зать, что это была за эпо­ха, мы сего­дня не можем. Вся надеж­да на буду­щие наблю­де­ния (и раз­ви­тие тео­рии обра­зо­ва­ния струк­тур!) — с их помо­щью мы долж­ны раз­га­дать эту, пожа­луй, глав­ную загад­ку Все­лен­ной.

Вале­рий Руба­ков,
ака­де­мик РАН

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (7 оценок, среднее: 4,43 из 5)
Загрузка...
 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

13 комментариев

  • Владимир Аксайский:

    Ста­тья понра­ви­лась – раду­ет пер­спек­ти­вой дол­го­вре­мен­ной твор­че­ской рабо­ты для всех. Поче­му-то вызы­ва­ет жгу­чий неуто­ли­мый инте­рес вопрос – …что было до…, напри­мер, до меня? Ста­тья дает надеж­ду на обод­ря­ю­щий, по-чело­ве­че­ски при­вле­ка­тель­ный ответ – …Мир, под­чи­ня­ю­щий­ся антроп­но­му прин­ци­пу – ина­че бы мы не появи­лись. Полу­ча­ет­ся, допу­сти­мо рас­ши­рить антроп­ный прин­цип и на ситу­а­цию до горя­че­го БВ? И тогда веро­ят­ность появ­ле­ния имен­но нашей Все­лен­ной, не исклю­че­но, – не мень­ше веро­ят­но­сти появ­ле­ния любо­го из нас on-line живу­щих?. Бра­тья Стру­гац­кие как-то мимо­хо­дом отме­ти­ли – …что мы зна­ем о веро­ят­но­стях? Полу­ча­ет­ся – не так уж и мало, если допу­стить рабо­то­спо­соб­ность антроп­но­го прин­ци­па и для ситу­а­ций до БВ. :)

  • Абрам Соломонович:

    Неве­ро­ят­но как нау­ка может быть инте­рес­ней любой фан­та­сти­ки ! нико­гда не заду­мы­вал­ся о том что из за огра­ни­че­ния на ско­рость све­та обла­сти види­мой все­лен­ной не мог­ли вли­ять друг на дру­га – у хогин­га и пен­ро­уза тако­го не встре­чал види­мо это оче­вид­ный факт. Автор не стал уде­лять вни­ма­ние совсем «неь­ыч­ным» сце­на­ри­ям типа «эпи­кри­ти­че­ско­го», и мни­мо­го вре­ме­ни. лет 10 назад оби­дел чело­ве­ка кото­рый писал кан­ди­дат­скую по тео­рии «тви­сто­ров», назвав её мар­ги­наль­ной, недав­но в кни­ге пен­ро­уза озна­ко­мил­ся с «попу­ляр­ным» объ­яс­не­ни­ем ‚воз­мож­но я пого­ря­чил­ся. прин­цип брит­вы окка­ма похо­же рабо­та­ет не все­гда :)

  • Абрам Соломонович:

    если мож­но один глу­пый вопрос? очень уж тема меня инте­ре­су­ет. «кон­форм­ное вре­мя» в смыс­ле оно­си­тель­ное к плот­но­сти мате­рии, как быть с точ­кой когда вре­мя ста­но­вит­ся неот­ли­чи­мым от дру­гих изме­ре­ний мож­но об этом пери­о­де как то порас­суж­дать или за этой точ­кой физи­ка закан­чи­ва­ет­ся?

    • Борис Штерн:

      Извест­ная физи­ка закан­чи­ва­ет­ся при план­ков­ской плот­но­сти. Там вооб­ще закан­чи­ва­ют­ся клас­си­че­ские коор­ди­на­ты – вре­мя.

  • Пат­ри­арх совет­ской аст­ро­фи­зи­ки Вик­тор Ама­за­спо­вич Амбар­цу­мян не жало­вал гипо­те­зу боль­шо­го взры­ва. В его все­лен­ной звез­ды рож­да­лись и уми­ра­ли непре­рыв­но и все­гда.
    По пово­ду крас­но­го сме­ще­ния он гово­рил (при­мер­но) «по доро­ге с фото­на­ми что-то про­ис­хо­дит».

    • archimed:

      И был абсо­лют­но прав. Это под­твер­жда­ет и кар­та релик­то­во­го излу­че­ния. Там не теп­лые и холод­ные обла­сти, а моло­дые и ста­рые. Если звез­ды рож­да­ют­ся и сей­час, то зачем нужен еще один меха­низм их обра­зо­ва­ния в виде боль­шо­го взры­ва. Бес­ко­неч­ная Все­лен­ная может рас­ши­рять­ся и сжи­мать­ся и без боль­шо­го взры­ва. Потом про­ще допу­стить что-то про­ис­хо­дит с фото­на­ми, чем допус­кать гигант­ские дав­ле­ния и сверх­све­то­вые ско­ро­сти рас­ши­ре­ния, тем­ную мате­рию, тем­ную энер­гию и про­чие сущ­но­сти для спа­се­ния сомни­тель­ной гипо­те­зы. В пред­став­ле­нии Амбар­цу­мя­на ниче­го это­го не тре­бу­ет­ся.

  • Клю­че­вым выво­дом авто­ра акад. Руба­ко­ва явля­ет­ся его фра­за: «горя­чей ста­дии эво­лю­ции Все­лен­ной пред­ше­ство­ва­ла дру­гая, весь­ма отли­ча­ю­ща­я­ся от нее эпо­ха, важ­ная для нас тем, что имен­но в эту эпо­ху обра­зо­ва­лись заро­ды­ши столь необ­хо­ди­мых неод­но­род­но­стей мате­рии — галак­тик, звезд, нас с вами». Этот вывод даже повто­ря­ет­ся два раза – в нача­ле и в кон­це ста­тьи.
    Но како­вы при­чи­ны появ­ле­ния неод­но­род­но­стей в самом нача­ле Все­лен­ной? Они не назва­ны, думаю, пото­му, что их нет. Нет при­чи­ны, как нет ее при рас­па­де имен­но­го это­го ато­ма ура­на 235, а не ино­го. То есть, тут мы име­ем то самое сли­я­ние мега­ми­ра и мик­ро­ми­ра , ту самую кван­то­вую гра­ви­та­цию, к кото­рой царит слу­чай­ность, и ее выра­же­ние в виде веро­ят­но­сти. Веро­ят­ность лежит в осно­ве мира изна­чаль­но при его воз­ник­но­ве­нии и далее там пра­вит бал.
    Каза­лось бы тут есть про­ти­во­ре­чие с антроп­ным прин­ци­пом, соглас­но кото­ро­му Все­лен­ная созда­на такой, что­бы мы вме­сте с галак­ти­ка­ми и ато­ма­ми-моле­ку­ла­ми в ней воз­ник­ли. Но, ско­рее, это кажу­ще­е­ся про­ти­во­ре­чие. Если уж слу­чай­ность лежит в осно­ве мира, то она мог­ла дать и такой выход как нашу галак­ти­ку и нас в ней. И даже долж­на была дать, ибо, как заме­тил Гегель, необ­хо­ди­мость есть фор­ма про­яв­ле­ния слу­чай­но­сти. В кон­це кон­цов зача­тие каж­до­го из нас есть слу­чай­ность (при­чем с очень малой веро­ят­но­стью) , но мы – есть, и, зна­чит, здесь про­яви­лась некая все­лен­ская необ­хо­ди­мость. Осо­бен­но в слу­чае тако­го отмен­но­го авто­ра, как зам.председателя комис­сии по борь­бе со лже­на­у­кой ака­де­мик В.А. Руба­ков.

  • А кто отве­тит на вопрос, поче­му во все­лен­ной суще­ству­ют рав­ные вели­чи­ны меж­ду мате­ри­ей и энер­ги­ей?
    Помни­те о апо­ри­ях зено­на элей­ско­го? Вот ещё при­пи­ши­те туда же рав­ные вели­чи­ны трех­мер­но­го наше­го мира и отве­том все­му будет сред­не­ве­ко­вая квинт­эс­сен­ция.
    А аст­ро­фи­зи­ка сего­дня как шоу-биз­нес.
    Вы в при­зра­ков вери­те? Не вери­те пото­му, что не убе­ди­ли?
    В нло вери­те? А виде­ли его?
    Пси­хо­ло­гия…

  • Отку­да берут­ся рав­ные вели­чи­ны во все­лен­ной? Помни­те апо­рии зено­на элей­ско­го? Про­чти­те их и дай­те неко­то­рый ответ равен­ству меж­ду мате­ри­ей и энер­ги­ей.
    А ещё дай­те себе ответ замкну­той систе­ме зако­на сохра­не­ния энер­гии.
    Как в трех­мер­ном мире трех­мер­ная мате­рия вме­ща­ет трех­мер­ную энер­гию?
    И вспом­ни­те или почи­тай­те про квинт­эс­сен­цию из сред­не­ве­ко­вья.
    Мой ком­мен­та­рий вам ниче­го не даст, думай­те сами.

  • Марат Шакиров:

    Ещё одна тео­рия-гипо­те­за от ака­де­ми­ка, твёр­до уве­рен­но­го, что При­ро­да созда­ла одно­сто­рон­ний Мир без Анти­ве­ще­ства. Нару­шать изво­ли­те, гос­по­да Боль­шие Учё­ные, «свои» же «зако­ны сохра­не­ния бари­о­нов» и прин­цип «пар­ных рож­де­ний» частица+античастица.(?!). Уве­рен, – любая «Тео­рия Миро­устрой­ства», исклю­ча­ю­щая из рас­смот­ре­ния Анти­ве­ще­ство, как мини­мум, – не пол­на. Всё дело в том, что в «Горя­чем сце­на­рии Все­лен­ной» не нашлось «места» Анти­ве­ще­ству – не полу­ча­ет­ся сепа­ра­ция Веще­ства и Анти­ве­ще­ства. Полу­ча­ет­ся «Тоталь­ная Анни­ги­ля­ция»! Мир «не состо­ит­ся».
    Про­бле­мы неод­но­род­но­стей Все­лен­ной, Анти­ве­ще­ства и мно­гие дру­гие полу­ча­ют непро­ти­во­ре­чи­вое реше­ние толь­ко при посту­ли­ро­ва­нии изна­чаль­но поле­вой, элек­тро­маг­нит­ной фор­мы суще­ство­ва­ния Мате­рии и… .

    • Это вполне объ­яс­ни­мо если в при­ро­де про­ис­хо­дит (а поче­му бы и нет?) пере­ход веще­ства в энер­гию гра­ви­та­ци­он­но­го поля и наобо­рот. При­чем пере­ход в веще­ство (кол­лапс звезд) про­ис­хо­дит уже с нару­шен­ным рав­но­ве­си­ем веще­ство-анти­ве­ще­ство и это рав­но­ве­сие нару­ша­ет­ся каж­дый раз со все воз­рас­та­ю­щей силой. Если все­лен­ная суще­ству­ет доста­точ­но дол­го или бес­ко­неч­но, но неиз­беж­но одна из ком­по­нент ста­нет доми­ни­ру­ю­щей.

    • archimed:

      непо­нят­но как при элек­тро­маг­нит­ной фор­ме суще­ство­ва­ния веще­ства и анти­ве­ще­ства избе­жать тоталь­ной анни­ги­ля­ции. Конеч­но анти­ча­сти­ца име­ю­щая поло­жи­тель­ную мас­су как и части­ца – это ника­кое не анти­ве­ще­ство. Сомни­тель­ная сим­мет­рия. Но если пред­по­ло­жить, что суще­ству­ет абсо­лют­ная сим­мет­рия (супер­сим­мет­рия), то тоталь­ная анни­ги­ля­ция вполне воз­мож­ная идея. Но если даже в реаль­но­сти это не про­ис­хо­дит, в пра­виль­ной моде­ли мира долж­на быть гипо­те­ти­че­ская воз­мож­ность тоталь­ной анни­ги­ля­ции.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Недопустимы спам, оскорбления. Желательно подписываться реальным именем. Аватары - через gravatar.com