Інфляційна модель всесвіту простими словами. Чи вірна інфляційна модель розширення всесвіту

Крім питання про походження Всесвіту, сучасні космологи стикаються з низкою інших проблем. Щоб стандартна теорія великого вибуху могла передбачити той розподіл матерії, який ми спостерігаємо, її вихідний стан має характеризуватись дуже високим ступенем організованості. Відразу виникає питання: яким чином така структура могла утворитися? Фізик А. Гут із Массачусетського технологічного інституту запропонував свою версію теорії великого вибуху, яка пояснює спонтанне виникнення цієї організації, усуваючи необхідність штучно вводити точні параметри до рівнянь, що описують вихідний стан Всесвіту. Його модель була названа «інфляційним Всесвітом». Суть її в тому, що всередині швидко розширюється, перегрітого Всесвіту невелика ділянка простору охолоджується і починає розширюватися сильніше, подібно до того, як переохолоджена вода стрімко замерзає, розширюючись при цьому. Ця фаза швидкого розширення дозволяє усунути деякі проблеми, властиві стандартним теоріям великого вибуху.

Однак модель Гута теж не позбавлена ​​недоліків. Щоб рівняння Гута правильно описували інфляційний Всесвіт, йому довелося дуже точно задавати вихідні параметри своїх рівнянь. Таким чином він зіткнувся з тією ж проблемою, що і творці інших теорій. Він сподівався позбавитися необхідності задавати точні параметри умов великого вибуху, але для цього йому довелося вводити власну параметризацію, що залишилася незрозумілою. Гут та його співавтор П. Штайнгарт визнають, що в їхній моделі «розрахунки призводять до прийнятних передбачень тільки в тому випадку, якщо задані вихідні параметри рівнянь варіюють у дуже вузькому діапазоні. Більшість теоретиків (включаючи і нас самих) вважають такі вихідні умови малоймовірними». Далі автори говорять про свої надії на те, що колись будуть розроблені нові математичні теорії, які дозволять їм зробити свою модель більш правдоподібною.

Ця залежність від ще відкритих теорій - інший недолік моделі Гута. Теорія єдиного поля, на якій ґрунтується модель інфляційного Всесвіту, цілком гіпотетична і «погано піддається експериментальній перевірці, оскільки більшу частину її передбачень неможливо кількісно перевірити в лабораторних умовах». (Теорія єдиного поля - це досить сумнівна спроба вчених пов'язати докупи деякі основні сили Всесвіту.)

Інший недолік теорії Гута - це те, що в ній нічого не говориться про походження перегрітої і матерії, що розширюється. Гут перевірив сумісність своєї інфляційної теорії із трьома гіпотезами походження Всесвіту. Спершу він розглянув стандартну теорію великого вибуху. У цьому випадку, на думку Гута, інфляційний епізод мав відбутися на одній із ранніх стадій еволюції Всесвіту. Однак ця модель ставить перед нами нерозв'язну проблему сингулярності. Друга гіпотеза постулює, що Всесвіт виник з хаосу. Деякі її ділянки були гарячими, інші холодними, одні розширювалися, інші стискалися. У цьому випадку інфляція повинна була початися в перегрітій області Всесвіту, що розширюється. Щоправда, Гут визнає, що ця модель неспроможна пояснити походження первинного хаосу.

Третя можливість, якій Гут віддає перевагу, полягає в тому, що перегрітий згусток матерії, що розширюється, виникає квантово-механічним шляхом з порожнечі. У статті, що з'явилася в журналі «Саєнтіфік Амерікен» в 1984 році, Гут і Штайнгарт стверджують: «Інфляційна модель Всесвіту дає нам уявлення про можливий механізм, за допомогою якого Всесвіт, що спостерігається, міг з'явитися з нескінченно малої ділянки простору. Знаючи це, важко утриматися від спокуси зробити ще один крок і дійти висновку, що Всесвіт виник буквально з нічого».

Однак якою б привабливою не була ця ідея для вчених, готових ополчитися на будь-яку згадку про можливість існування вищої свідомості, що створила Всесвіт, при уважному розгляді вона не витримує критики. «Ніщо», про яке говорить Гут, - це гіпотетичний квантово-механічний вакуум, що описується ще не розробленою теорією єдиного поля, яка має поєднати рівняння квантової механіки та загальної теорії відносності.

Іншими словами, зараз цей вакуум неможливо описати навіть теоретично.

Слід зазначити, що фізики описали простіший тип квантово-механічного вакууму, який є море так званих «віртуальних частинок», фрагментів атомів, які «майже існують». Іноді деякі з цих субатомних частинок переходять із вакууму у світ матеріальної реальності. Це явище отримало назву вакуумних флуктуацій. Вакуумні флуктуації неможливо спостерігати безпосередньо, проте теорії, що постулюють їхнє існування, були експериментально підтверджені. Відповідно до цих теорій, частинки та античастинки без будь-якої причини виникають з вакууму і практично відразу зникають, анігілюючи один одного. Гут і його колеги припустили, що в якийсь момент замість крихітної частинки з вакууму з'явився цілий Всесвіт, і замість того, щоб одразу зникнути, цей Всесвіт якимось чином проіснував мільярди років. Автори цієї моделі вирішили проблему сингулярності, постулювавши, що стан, в якому Всесвіт з'являється з вакууму, дещо відрізняється від стану сингулярності.

Однак цей сценарій має дві основні недоліки. По-перше, можна тільки дивуватися сміливості фантазії вчених, які поширили досить обмежений досвід із субатомними частинками на цілий Всесвіт. С. Хоукінг і Г. Елліс мудро застерігають своїх колег, які зайве захоплюються: «Припущення про те, що закони фізики, відкриті та вивчені в лабораторії, будуть справедливі в інших точках просторово-часового континууму, безумовно, дуже смілива екстраполяція». По-друге, строго кажучи, квантово-механічний вакуум не можна називати «ніщо». Опис квантово-механічного вакууму навіть у найпростішій з існуючих теорій займає безліч сторінок надзвичайно абстрактних математичних викладок. Така система, безсумнівно, є «щось», і відразу ж постає все те саме вперте питання: «Як виник так складно організований "вакуум"?»

Повернемося до початкової проблеми, на вирішення якої Гут створив інфляційну модель: проблемі точної параметризації вихідного стану Всесвіту. Без такої параметризації неможливо отримати розподіл матерії, що спостерігається у Всесвіті. Як ми переконалися, вирішити цю проблему не вдалося. Більше того, сумнівною є сама можливість того, що якась версія теорії великого вибуху, включаючи версію Гута, може передбачити розподіл матерії, що спостерігається у Всесвіті. Високоорганізований вихідний стан у моделі Гута, за його ж словами, зрештою, перетворюється на «Всесвіт» діаметром 10 сантиметрів, наповнений однорідним надщільним, перегрітим газом. Вона розширюватиметься і остигатиме, але немає жодних підстав припускати, що вона колись перетвориться на щось більше, ніж однорідна хмара газу. По суті, до цього результату призводять усі теорії великого вибуху. Якщо Гуту довелося пускатися на багато хитрощів і робити сумнівні припущення, щоб зрештою отримати Всесвіт у вигляді хмари однорідного газу, то можна уявити собі, яким повинен бути математичний апарат теорії, що призводить до Всесвіту в тому вигляді, в якому ми його знаємо! Хороша наукова теорія дає можливість передбачати багато складних природних явищ, виходячи з простої теоретичної схеми. Але в теорії Гута (і будь-якої іншої версії теорії великого вибуху) все навпаки: в результаті складних математичних викладок ми отримуємо міхур однорідного газу, що розширюється. Незважаючи на це, наукові журнали друкують захоплені статті про інфляційну теорію, що супроводжуються численними барвистими ілюстраціями, які мають створити в читача враження, що Гут нарешті досяг заповітної мети – знайшов пояснення походження Всесвіту. Ми не стали б поспішати з такими заявами. Чесніше було б просто відкрити постійну рубрику в наукових журналах, щоб публікувати в ній теорію походження Всесвіту, модну цього місяця.

Важко навіть уявити всю складність вихідного стану та умов, необхідних для виникнення нашого Всесвіту з усім різноманіттям його структур та організмів. У разі нашого Всесвіту ступінь цієї складності такий, що його навряд чи можна пояснити за допомогою одних фізичних законів. Теоретики вдаються допомоги так званого «антропічного принципу».

За їхньою гіпотезою, квантово-механічний вакуум виробляє всесвіти мільйонами. Але в більшості з них немає умов, необхідних для життя, тому ніхто не може досліджувати ці світи.

У той самий час в інших всесвітів, включаючи нашу власну, склалися відповідні умови появи дослідників, тому немає нічого дивного у цьому, що у цих всесвітів панує такий неправдоподібний порядок. Інакше кажучи, прихильники антропічного принципу приймають сам факт існування людини за пояснення впорядкованої структури Всесвіту, який створив умови для виникнення людини. Однак подібні логічні викрутки нічого не пояснюють.

Іншою формою псевдонаукової казуїстики є твердження про те, що Всесвіт з'явився з волі сліпого випадку. Ці слова теж зовсім нічого не пояснюють. Сказати, що щось, що з'явилося один раз, з'явилося випадково - значить сказати, що воно з'явилося. Такі твердження не можна вважати науковим поясненням, оскільки вони не містять у собі жодної нової інформації. Іншими словами, ці «пояснення» ні на крок не наблизили вчених до вирішення проблеми походження Всесвіту.

Нехай пробачать нас теоретики, але ми наважимося припустити, що методи, якими вони користуються, неадекватні поставленому завданню. Два основних інтелектуальних інструменти, що використовуються космологами для опису еволюції Всесвіту, – це загальна теорія відносності та квантова механіка. Однак, до всіх труднощів, вже описаних нами, обидві ці теорії самі не без вад. Безперечно, ці теорії досить добре описують деякі фізичні явища, проте це ще не доводить, що вони досконалі у всіх відносинах.

Загальна теорія відносності описує викривлений простір час і є невід'ємною частиною будь-якої сучасної теорії походження Всесвіту. Тому якщо загальна теорія відносності потребує перегляду, то будь-яка космологічна теорія, заснована на ній, теж потребує поправок.

Застосування загальної теорії відносності, як і більш ранньої теорії Ейнштейна, приватної теорії відносності, пов'язані з однією труднощами: обох поняття часу переосмислено. У Ньютоновій фізиці час розглядається як змінна, незалежна від простору. Завдяки цьому ми можемо описати траєкторію руху об'єкта у просторі та часі: в даний момент часу об'єкт знаходиться у певній точці простору, а згодом його становище змінюється. Але теорія відносності Ейнштейна поєднує простір і час чотиримірний континуум, отже про об'єкт не можна сказати, що у певний час він займає певне становище у просторі. Релятивістський опис об'єкта показує його становище у просторі та часі як єдине ціле, від початку до кінця існування об'єкта. Наприклад, людина, з погляду теорії відносності, є просторово-часову єдність, від зародка у утробі матері до трупа (так званий «просторово-часовий черв'як»). Цей «хробак» не може сказати: «Зараз я дорослий, а раніше був дитиною». Протягом часу не існує. Все життя людини є єдиним цілим. Такий погляд на людину знецінює наше особисте сприйняття минулого, сьогодення та майбутнього, змушуючи нас поставити під сумнів саму реальність цього сприйняття.

У своєму листі до М. Бессо Ейнштейн писав: «Ти маєш погодитися з тим, що суб'єктивний час з його акцентом на теперішньому не має об'єктивного сенсу». Після смерті Бессо, Ейнштейн висловив своє співчуття його вдові таким чином: «Майкл трохи випередив мене , покинувши цей дивний світ. Однак це не має значення. Для нас, переконаних фізиків, відмінність між минулим, сьогоденням майбутнім - хоч і нав'язлива, але лише ілюзія". " По суті, ці уявлення заперечують свідомість, яка підкреслює реальність моменту, що переживається Наше нинішнє тіло ми відчуваємо як реальне, тоді як наше дитяче тіло збереглося тільки в пам'яті, для нас немає жодних сумнівів у тому, що ми займаємо певне місце в просторі в даний момент часу. але ми відчуваємо їх як послідовність певних етапів у часі.

Отже, будь-яка модель походження Всесвіту, побудована на основі теорії відносності, не здатна пояснити наше сприйняття часу, і тому всі ці моделі в їхньому сучасному вигляді недосконалі та неприйнятні.

Дізнавшись про теорію Великого вибуху, я поставив собі питання, звідки ж узялося те, що вибухнуло?
Питання про походження Всесвіту з усіма її відомими і поки невідомими властивостями споконвіку хвилює людину. Але тільки в ХХ столітті, після виявлення космологічного розширення, питання про еволюцію Всесвіту потроху проясниться. Останні наукові дані дозволили зробити висновок, що наш Всесвіт народився 15 мільйонів років тому внаслідок Великого вибуху. Але що саме вибухнуло на той момент і що, власне, існувало до Великого вибуху, як і раніше, залишалося загадкою. Створена в ХХ столітті інфляційна теорія появи нашого світу дозволила суттєво просунутися у вирішенні цих питань, загальна картина перших миттєвостей Всесвіту сьогодні вже непогано промальована, хоча багато проблем ще чекають свого часу.
До початку минулого століття було лише два погляди на походження нашого Всесвіту. Вчені вважали, що вона вічна і незмінна, а богослови говорили, що Світ створений і в нього буде кінець. Двадцяте століття, зруйнувавши дуже багато з того, що було створено в попередні тисячоліття, зумів дати свої відповіді на більшість питань, які займали уми вчених минулого. І, можливо, одним із найбільших досягнень минулого століття є прояснення питання про те, як виник Всесвіт, в якому ми живемо, і які існують гіпотези з приводу його майбутнього. Простий астрономічний факт - розширення нашого Всесвіту - привів до повного перегляду всіх космогонічних концепцій і розробки нової фізики - фізики світів, що виникають і зникають. Всього 70 років тому Едвін Хаббл виявив, що світло від далеких галактик «червоніше» від світла від ближчих. Причому швидкість розбігу виявилася пропорційною відстані від Землі (закон розширення Хаббла). Виявити це вдалося завдяки ефекту Доплера (залежність довжини хвилі світла від швидкості джерела світла). Оскільки більш далекі галактики здаються «червонішими», то припустили, що вони віддаляються з більшою швидкістю. До речі, розбігаються не зірки і навіть окремі галактики, а скупчення галактик. Найближчі від нас зірки та галактики пов'язані один з одним гравітаційними силами та утворюють стійкі структури. Причому в якому напрямі не подивися, скупчення галактик розбігаються від Землі з однаковою швидкістю, і може здатися, що наша Галактика є центром Всесвіту, проте це не так. Де б не знаходився спостерігач, він скрізь бачитиме ту саму картину - всі галактики розбігаються від нього. Але такий розліт речовини повинен мати початок. Значить, усі галактики мали народитися в одній точці. Розрахунки показують, що це сталося приблизно 15 млрд. років тому. У момент такого вибуху температура була дуже великою, і мало з'явитися дуже багато квантів світла. Звичайно, згодом все остигає, а кванти розлітаються по просторі, але відгомони Великого вибуху повинні були зберегтися до наших днів. Перше підтвердження факту вибуху прийшло у 1964 році, коли американські радіоастрономи Р. Вільсон та А. Пензіас виявили реліктове електромагнітне випромінювання з температурою близько 3° за шкалою Кельвіна (–270°С). Саме це відкриття, несподіване для вчених, переконало їх у тому, що Великий вибух справді мав місце і спочатку Всесвіт був дуже гарячим. Теорія Великого вибуху дозволила пояснити багато проблем, що стояли перед космологією. Але, на жаль, а може, і на щастя, вона ж поставила й низку нових питань. Що було до Великого вибуху? Чому наш простір має нульову кривизну та вірна геометрія Евкліда, яку вивчають у школі? Якщо теорія Великого вибуху справедлива, то чому нинішні розміри нашого Всесвіту набагато більші за прогнозований теорією 1 сантиметр? Чому Всесвіт напрочуд однорідний, тоді як при будь-якому вибуху речовина розлітається в різні боки вкрай нерівномірно? Що призвело до початкового нагрівання Всесвіту до неймовірної температури понад 10 13 К?
Усе це вказувало те що, теорія Великого вибуху неповна. Довгий час здавалося, що просунутися далі вже неможливо. Тільки чверть століття тому завдяки роботам російських фізиків Е. Глінера та А. Старобинського, а також американця А. Гуса було описано нове явище – надшвидке інфляційне розширення Всесвіту. Опис цього явища ґрунтується на добре вивчених розділах теоретичної фізики – загальної теорії відносності Ейнштейна та квантової теорії поля. Сьогодні вважається загальноприйнятим, що саме такий період, який отримав назву «інфляція», передував Великому вибуху.
При спробі дати уявлення про сутність початкового періоду життя Всесвіту доводиться оперувати такими надмалими і надвеликими числами, що наша уява важко їх сприймає. Спробуємо скористатися якоюсь аналогією, щоб зрозуміти суть процесу інфляції.
Уявімо покритий снігом гірський схил, в який вкраплені різнорідні дрібні предмети - камінці, гілки та шматки льоду. Хтось, що на вершині цього схилу, зробив невеликий сніжок і пустив його котитися з гори. Рухаючись донизу, сніжок збільшується в розмірах, тому що на нього налипають нові шари снігу з усіма включеннями. І чим більший розмір сніжка, тим швидше він збільшуватиметься. Незабаром з маленького сніжка він перетвориться на величезну грудку. Якщо схил закінчується прірвою, то він полетить в неї з дедалі більшою швидкістю. Досягши дна, кому вдариться про дно прірви і його складові частини розлетяться на всі боки (до речі, частина кінетичної енергії кома при цьому піде на нагрівання навколишнього середовища і снігу, що розлітається).
Тепер опишемо основні тези теорії, використовуючи наведену аналогію. Насамперед фізикам довелося запровадити гіпотетичне поле, яке було названо «інфлатонним» (від слова «інфляція»). Це поле заповнювало собою весь простір (у нашому випадку – сніг на схилі). Завдяки випадковим коливанням воно набувало різних значень у довільних просторових областях і в різні моменти часу. Нічого суттєвого не відбувалося, поки випадково не утворилася однорідна конфігурація цього поля розміром понад 10-33см. Що ж до спостережуваного нами Всесвіту, то він у перші миті свого життя, мабуть, мав розмір 10 -27 см. Передбачається, що на таких масштабах вже справедливі основні закони фізики, відомі нам сьогодні, тому можна передбачити подальшу поведінку системи. Виявляється, що відразу після цього просторова область, зайнята флуктуацією (від латів. fluctuatio - «коливання», випадкові відхилення фізичних величин, що спостерігаються, від їх середніх значень), починає дуже швидко збільшуватися в розмірах, а інфлатонне поле прагне зайняти положення, в якому його енергія мінімальна (снігова куля покотилася). Таке розширення триває всього 10 -35 секунди, але цього часу виявляється достатньо для того, щоб діаметр Всесвіту зріс як мінімум в 10 27 разів і до закінчення інфляційного періоду наш Всесвіт набув розміру приблизно 1 см. Інфляція закінчується, коли інфлатонне поле досягає мінімуму енергії - далі падати нікуди. При цьому кінетична енергія, що накопичилася, переходить в енергію часток, що народжуються і розлітаються, інакше кажучи, відбувається нагрівання Всесвіту. Саме цей момент і називається сьогодні Великим вибухом.
Гора, про яку йшлося вище, може мати дуже складний рельєф - кілька різних мінімумів, долини внизу і всякі пагорби і купини. Снігові груди (майбутні всесвіти) безперервно народжуються нагорі гори за рахунок флуктуацій поля. Кожна грудка може скотитися в будь-який з мінімумів, породивши при цьому свій всесвіт зі специфічними параметрами. Причому всесвіти можуть суттєво відрізнятись один від одного. Властивості нашого Всесвіту надзвичайно пристосовані до того, щоб у ньому виникло розумне життя. Іншим всесвітам, можливо, пощастило менше.
Ще раз хотілося б наголосити, що описаний процес народження Всесвіту «практично з нічого» спирається на суворо наукові розрахунки. Проте у кожної людини, яка вперше знайомиться з інфляційним механізмом, описаним вище, виникає чимало запитань.
Сьогодні наш Всесвіт складається з великої кількості зірок, не кажучи вже про приховану масу. І може здатися, що повна енергія та маса Всесвіту величезні. І зовсім незрозуміло, як це все могло поміститися у початковому обсязі 10-99см3. Однак у Всесвіті існує не лише матерія, а й гравітаційне поле. Відомо, що енергія останнього негативна і, як виявилося, у нашому Всесвіті енергія гравітації точно компенсує енергію, укладену в частках, планетах, зірках та інших масивних об'єктах. Таким чином, закон збереження енергії чудово виконується, і сумарна енергія та маса нашого Всесвіту практично дорівнюють нулю. Саме ця обставина частково пояснює, чому Всесвіт, що зароджується, відразу після появи не перетворилася на величезну чорну діру. Її сумарна маса була зовсім мікроскопічна, і спочатку просто не було чого колапсувати. І лише пізніших стадіях розвитку з'явилися локальні згустки матерії, здатні створювати поблизу себе такі гравітаційні поля, у тому числі неспроможна вирватися навіть світло. Відповідно, і частинок, з яких «зроблено» зірки, на початковій стадії розвитку просто не існувало. Елементарні частки почали народжуватися у період розвитку Всесвіту, коли інфлатонне поле досягло мінімуму потенційної енергії і почався Великий вибух.
Область, зайнята інфлатонним полем, розросталася зі швидкістю, значно більшої швидкості світла, але це анітрохи не суперечить теорії відносності Ейнштейна. Швидше світла що неспроможні рухатися лише матеріальні тіла, а цьому випадку рухалася уявна, нематеріальна межа тієї області, де народжувався Всесвіт (прикладом надсвітлового руху є переміщення світлової плями поверхнею Місяця при швидкому обертанні лазера).
Причому навколишнє середовище зовсім не чинила опір розширенню області простору, охопленого дедалі більше розростається інфлатонним полем, оскільки її ніби не існує для Світу, що виникає. Загальна теорія відносності стверджує, що фізична картина, яку бачить спостерігач, залежить від цього, де і як рухається. Так ось, описана вище картина справедлива для "спостерігача", що знаходиться всередині цієї області. Причому цей спостерігач ніколи не дізнається, що відбувається поза тією областю простору, де він знаходиться. Інший "спостерігач", що дивиться на цю область зовні, ніякого розширення зовсім не виявить. У кращому разі він побачить лише невелику іскорку, яка з годинника зникне майже миттєво. Навіть найвитонченіша уява відмовляється сприймати таку картину. І все-таки вона, мабуть, вірна. Принаймні так вважають сучасні вчені, черпаючи впевненість у вже відкритих законах Природи, правильність яких багаторазово перевірена.
Треба сказати, що це інфлатонне поле і зараз продовжує існувати та флуктуювати. Але тільки ми, внутрішні спостерігачі, не можемо цього побачити - адже для нас маленька область перетворилася на колосальний Всесвіт, кордонів якого не може досягти навіть світло.
Отже, відразу після закінчення інфляції гіпотетичний внутрішній спостерігач побачив би Всесвіт, заповнений енергією як матеріальних частинок і фотонів. Якщо всю енергію, яку міг би виміряти внутрішній спостерігач, перевести у масу частинок, ми отримаємо приблизно 10 80 кг. Відстань між частинками швидко збільшується через загальне розширення. Гравітаційні сили тяжіння між частинками зменшують їхню швидкість, тому розширення Всесвіту після завершення інфляційного періоду поступово сповільнюється.
Відразу після народження Всесвіт продовжував зростати і охолоджуватися. При цьому охолодження відбувалося навіть завдяки банальному розширенню простору. Електромагнітне випромінювання характеризується довжиною хвилі, яку можна пов'язати з температурою - чим більша середня довжина хвилі випромінювання, тим менша температура. Але якщо простір розширюється, то збільшуватимуться і відстань між двома «горбами» хвилі, і, отже, її довжина. Значить, у просторі, що розширюється, і температура випромінювання повинна зменшуватися. Що підтверджує вкрай низька температура сучасного реліктового випромінювання.
З розширенням змінюється і склад матерії, що наповнює наш світ. Кварки поєднуються в протони і нейтрони, і Всесвіт виявляється заповненим вже знайомими нам елементарними частинками - протонами, нейтронами, електронами, нейтрино та фотонами. Є також і античастинки. Властивості частинок та античастинок практично ідентичні. Здавалося б, і кількість їх має бути однаковою відразу після інфляції. Але тоді всі частинки та античастинки взаємно знищилися б і будівельного матеріалу для галактик, і нас самих не залишилося б. І тут нам знову пощастило. Природа подбала, щоб частинок було трохи більше, ніж античастинок. Саме завдяки цій невеликій різниці і існує наш світ. А реліктове випромінювання - це наслідок анігіляції (тобто взаємознищення) частинок і античастинок. Звичайно, на початковому етапі енергія випромінювання була дуже велика, але завдяки розширенню простору і як наслідок - охолодженню випромінювання ця енергія швидко спадала. Зараз енергія реліктового випромінювання приблизно в десять тисяч разів (104 разів) менша за енергію, укладену в масивних елементарних частинках.
Поступово температура Всесвіту впала до 1010 К. На цей момент вік Всесвіту становив приблизно 1 хвилину. Тільки тепер протони та нейтрони змогли об'єднуватися в ядра дейтерію, тритію та гелію. Це відбувалося завдяки ядерним реакціям, які вже добре вивчили, вибухаючи термоядерні бомби і експлуатуючи атомні реактори Землі. Тому можна впевнено передбачати, скільки і яких елементів може з'явитись у такому ядерному котлі. Виявилося, що велика кількість легких елементів, що спостерігається зараз, добре узгоджується з розрахунками. Це означає, що відомі нам фізичні закони однакові у всій спостерігається Всесвіту і були такими вже в перші секунди після появи нашого світу. Причому близько 98% гелію, що існує в природі, утворилося саме в перші секунди після Великого вибуху.
Відразу після народження Всесвіт проходила інфляційний період розвитку - всі відстані стрімко збільшувалися (з погляду внутрішнього спостерігача). Однак щільність енергії в різних точках простору не може бути точно однаковою - якісь неоднорідності завжди присутні. Припустимо, що в якійсь галузі енергія трохи більша, ніж у сусідніх. Але якщо всі розміри швидко зростають, то й розмір цієї області теж має зростати. Після закінчення інфляційного періоду ця область, що розрослася, матиме трохи більше частинок, ніж навколишній простір, та і її температура буде трохи вищою.
Зрозумівши неминучість виникнення таких областей, прихильники інфляційної теорії звернулися до експериментаторів: «необхідно виявити флуктуацію температури…» – констатували вони. І 1992 року це побажання було виконано. Практично одночасно російський супутник Релікт-1 і американський COBE виявили необхідні флуктуації температури реліктового випромінювання. Як уже говорилося, сучасний Всесвіт має температуру 2,7 К, а знайдені вченими відхилення температури від середнього становили приблизно 0,00003 К. Не дивно, що такі відхилення важко було виявити раніше. Так, інфляційна теорія отримала ще одне підтвердження.
З відкриттям коливань температури з'явилася ще одна захоплююча можливість – пояснити принцип формування галактики. Адже щоб гравітаційні сили стискали матерію, необхідний вихідний зародок – область із підвищеною щільністю. Якщо матерія розподілена у просторі рівномірно, то гравітація, подібно до Буриданового осла, не знає, в якому напрямку їй діяти. Але саме області з надлишком енергії породжує інфляція. Тепер гравітаційні сили знають, на що впливати, а саме на більш щільні області, створені під час інфляційного періоду. Під впливом гравітації ці спочатку трохи щільніші області стискатимуться і з них у майбутньому утворюються зірки і галактики.
Сучасний нам момент еволюції Всесвіту вдало пристосований для життя, і триватиме він ще багато мільярдів років. Зірки народжуватимуться і вмиратимуть, галактики обертатимуться і стикатимуться, а скупчення галактик – відлітатимуть усе далі одна від одної. Тому часу для самовдосконалення у людства вистачає. Щоправда, саме поняття «зараз» для такого величезного Всесвіту, як наш, погано визначено. Так, наприклад, життя квазарів, що спостерігається астрономами, віддалених від Землі на 10-14 млрд. світлових років, відстоїть від нашого «зараз» якраз на ті самі 10-14 млрд. років. І що далі в глиб Всесвіту ми заглядаємо за допомогою різних телескопів, тим більше ранній період її розвитку ми спостерігаємо.
Сьогодні вчені можуть пояснити більшість властивостей нашого Всесвіту, починаючи з моменту в 10 -42 секунди і до теперішнього часу і навіть далі. Вони можуть також простежити утворення галактик і досить впевнено передбачити майбутнє Всесвіту. Проте низка «дрібних» незрозумілостей ще залишається. Це насамперед – сутність прихованої маси (темної матерії) та темної енергії. Крім того, існує багато моделей, які пояснюють, чому наш Всесвіт містить набагато більше частинок, ніж античастинок, і хотілося б визначитися зрештою з вибором однієї правильної моделі.
Як вчить нас історія науки, зазвичай саме «дрібні недоробки» і відкривають подальші шляхи розвитку, тож майбутнім поколінням учених, напевно, буде чим зайнятися. Крім того, глибші питання теж вже стоять на порядку денному фізиків та математиків. Чому наш простір тривимірний? Чому всі константи в природі наче «підігнані» так, щоб виникло розумне життя? І що таке гравітація? Вчені вже намагаються відповісти на ці запитання.
Ну і звісно, ​​залишимо місце для несподіванок. Не слід забувати, що такі основні відкриття, як розширення Всесвіту, наявність реліктових фотонів та енергія вакууму, були зроблені, можна сказати, випадково і не очікувалися вченою спільнотою.

В.В.Казютінський

Інфляційна космологія: теорія та наукова картина світу*

Нині відбувається новий корінний перегляд знань про Всесвіт як ціле, тобто. найбільшому за масштабом фрагменті світового цілого, який наука здатна виділити наявними зараз засобами. Цей перегляд стосується двох концептуальних рівнів: побудова нових космологічних теорій; 2) зміни блоку "світ як ціле" у науковій картині світу (НКМ).

Сучасні зміни в космології вносять надзвичайно великий, але поки що недостатньо оцінений внесок у сучасну НКМ, не кажучи вже про світоглядний інтерес, який вони представляють. Їх суть - повернення до вираженої мовою некласичної фізики ідей нескінченного безлічі світів, нескінченності простору та часу, нескінченності процесів еволюції та самоорганізації у Всесвіті (Метовселеній), частина яких вважалася назавжди відкинутою з позицій науки.

Теорія Всесвіту, що розширюється, була виключно ефективною дослідницькою програмою. Вона дозволила вирішити низку проблем, які стосуються структури та еволюції нашої Метагалактики, у тому числі ранніх стадій її розвитку. Наприклад, видатним досягненням стала теорія «гарячого Всесвіту» Г.А.Гамова, підтверджена відкриттям 1965 року реліктового випромінювання. Численні альтернативи фрідманівської космології виявилися непереконливими.

Разом з тим, теорія Всесвіту, що розширюється, сама зіткнулася з низкою серйозних проблем. Деякі з них мали, так би мовити, «технічний» характер. Скажімо, дещо бентежить те, що, незважаючи на інтенсивні дослідження, досі не вдалося побудувати в рамках теорії А.А.Фрідмана досить адекватну модель Метагалактики, що розширюється, оскільки відомі факти, необхідні для побудови такої моделі, або недостатньо точні, або суперечливі. Інші проблеми мають більш важливий характер. Як «дамокловий меч» над космологами вже давно висить «парадокс маси», згідно з яким 90-95% маси Метагалактики має перебувати в невидимому стані, природа якого поки що незрозуміла. Сучасне розвиток теорії Всесвіту, що розширюється, породило ряд ще більш серйозних проблем, по суті, ясно показують обмеженість теорії, її нездатність впоратися з цими проблемами без істотних концептуальних зрушень. Особливо багато неприємностей доставляла теорії проблема початкових стадій еволюції Всесвіту. Відома проблема сингулярності: при зверненні радіуса Всесвіту, тобто. нашої Метагалактики, нанівець багато параметрів ставали нескінченними. Неясним виявлявся фізичний сенс питання: а що було «до» сингулярності (іноді саме це питання оголошували неосмисленим, оскільки час, як стверджував ще Августин, виник разом із Всесвітом. (Але відповіді на кшталт: «до» цього не було часу і, отже, Теорія в її не квантовому варіанті не могла пояснити причину, що викликала Великий вибух, розширення Всесвіту.Крім того, існує вражаючий перелік більше десятка інших проблем, з якими теорія А.А. Фрідмана не змогла впоратися, лише деякі з них: 1) Проблема площинності (або просторової евклідовості) Всесвіту: близькість кривизни простору до нульового значення, що на порядки відрізняється від «теоретичних очікувань»; 2) проблема розмірів Всесвіту: більш природно, з точки зору теорії, було б очікувати, що наш Всесвіт містить не більше кількох елементарних частинок, а не 1088 за сучасною оцінкою - ще одна величезна розбіжність теоретичних очікувань зі спостереженнями! 3) проблема горизонту: досить віддалені точки у нашому Всесвіті ще не встигли провзаємодіяти і не можуть мати загальні параметри (такі, як

щільність, температура, та ін). Але наш Всесвіт, Метагалактика, у великих масштабах відмовляється напрочуд однорідним, незважаючи на неможливість причинних зв'язків між його віддаленими областями.

Зараз, після того, як інфляційна космологія змогла вирішити більшу частину цих проблем, труднощі релятивістської космології перераховують часто, і навіть дуже охоче. Але в 60-70-ті роки навіть їх згадки були дуже стриманими та дозованими, особливо перед нефридманівськими дослідницькими програмами. По-перше, у багатьох була ще в пам'яті трагічна доля релятивістської космології, яка зазнавала ідеологічних нападів аж ніяк не тільки в нашій країні. По-друге, існувало загальне розуміння, що поблизу «початку» вирішальну роль починають грати квантові ефекти. Звідси випливало, що потрібна подальша трансляція нових знань із фізики елементарних частинок та квантової теорії поля. Обговорення космологічних проблем на рівні НКМ призвело до найцікавіших висновків. Було висунуто два фундаментальні принципи, які викликали сильний «прогресивний зсув» у космології.

1) Принцип квантового народження Всесвіту. Космологічна сингулярність є непереборною рисою концептуальної структури неквантової космології. Але в квантовій космології це лише грубе наближення, яке має бути замінене поняттям спонтанної флуктуації вакууму (Трайон, 1973).

2) Принцип роздування, згідно з яким незабаром після початку розширення Всесвіту відбувся процес її експоненційного роздування. Він тривав близько 10 -35 з, але цей час роздмухувана область повинна досягти, за висловом А.Д.Линде, «неймовірних розмірів». Згідно з деякими моделями роздування, масштаб Всесвіту (в см) досягне 10 10 12 , тобто. величин, що на багато порядків перевищують відстані до найвіддаленіших об'єктів спостережуваного Всесвіту.

Перший варіант роздування був розглянутий А.А.Старобінським в 1979 році, потім послідовно з'явилися три сценарії Всесвіту, що роздмухується: сценарій А.Гуса (1981 р.), так званий новий сценарій (А.Д.Лінде, А.Альбрехт, П.Дж . Стейнхардт, 1982), сценарій хаотичного роздування (А. Д. Лінде, 1986 р.). Сценарій хаотичного роздування виходить з того, що механізм, що породжує швидке роздування раннього Всесвіту, обумовлений скалярними полями, що відіграють ключову роль як

у фізиці елементарних частинок, і у космології. Скалярні поля в ранньому Всесвіті можуть набувати довільних значень; звідси і назва - хаотичне роздування.

Роздування пояснює багато властивостей Всесвіту, які створювали нерозв'язні проблеми для фрідманівської космології. Наприклад, причиною розширення Всесвіту є дія антигравітаційних сил у вакуумі. Згідно з інфляційною космологією, Всесвіт повинен бути плоским. А. Д. Лінде навіть розглядає цей факт як передбачення інфляційної космології, що підтверджується спостереженнями. Не є проблемою і синхронізація поведінки віддалених областей Всесвіту.

Теорія Всесвіту, що роздмухується, вносить (поки на гіпотетичному рівні) серйозні зміни до блоку «світ як ціле» НКМ.

1. У повній відповідності до філософського аналізу поняття «Всесвіт як ціле», який привів до висновку, що це - «все існуюче» з точки зору даної космологічної теорії чи моделі (а не в якомусь абсолютному сенсі) теорія зробила безпрецедентне розширення обсягу цього поняття, порівняно з релятивістською космологією. Загальноприйнята думка, що наша Метагалактика і є весь Всесвіт, була залишена. В інфляційній космології введено поняття Метавсесвіту, тоді як для областей масштабу Метагалактики запропоновано термін «мінісесвіт». Тепер Метавсесвіт розглядається як «все існуюче» з погляду інфляційної космології, а Метагалактика - як її локальна область. Але не виключено, що якщо буде створена єдина теорія фізичних взаємодій (ЕФТ, ТВО), то обсяг поняття Всесвіт як ціле знову буде значно розширено (або змінено).

2. Теорія Фрідмана ґрунтувалася на принципі однорідності Всесвіту (Метагалактики). Інфляційна космологія, пояснюючи факт великомасштабної однорідності Всесвіту з допомогою механізму роздування, одночасно запроваджує новий принцип - крайньої неоднорідності Метавсесвіту. Квантові флуктуації, пов'язані з виникненням мінівселенних, призводять до відмінностей фізичних законів та умов, розмірності простору-часу, властивостей елементарних частинок та ін позаметагалактичних об'єктів. Чи слід нагадувати, що принцип нескінченного різноманіття матеріального світу, зокрема його фізичних форм - це досить стара філософська ідея, яка зараз знаходить нове підтвердження в космології.

3. Метавсесвіт як сукупність безлічі мінівсесвітів, що виникають з флуктуацій просторово-часової «піни», очевидно нескінченна, не має початку і кінця в часі (І.Д.Новіков назвав її «вічно юним Всесвітом», не підозрюючи, що цю метафору ще в на початку XX століття вигадав К.Е.Ціолковський, критикуючи теорію теплової смерті Всесвіту).

4. Теорія Всесвіту, що роздмухується, істотно інакше, ніж фрідманівська, розглядає процеси космічної еволюції. Вона відмовляється від уявлення, що весь Всесвіт виник 10 9 років тому з сингулярного стану. Це лише вік нашого міні всесвіту, Метагалактики, що виникла з вакуумної «піни». Отже, до початку розширення Метагалактики був вакуум, який сучасна наука розглядає як одну з фізичних форм матерії. Але ще, ніж цей висновок було зроблено у космологічному контексті, відносність, а зовсім не абсолютність, і цілком природний, а чи не трансцендентний характер розширення обгрунтовувалися з філософських міркувань . Тим самим, поняття «створення світу», що один раз зустрічається в текстах А.А.Фрідмана, і безліч разів - в теологічних, філософських, та і власне космологічних творах протягом більшої частини XX століття, виявляється не більше ніж метафорою, що не випливає із суті інфляційної космології. Метавсесвіт, згідно з теорією, може взагалі виявитися стаціонарним, хоча еволюція мінівселенних, що входять до неї, описується теорією великого вибуху.

А.Д.Линде ввів поняття вічного роздування, яке визначає еволюційний процес, що триває як ланцюгова реакція. Якщо Метавсесвіт містить, принаймні, одну область, що роздмухується, вона буде безупинно породжувати нові області, що роздмухуються. Виникає розгалужена структура мінівселенних, схожа на фрактал.

5. Інфляційна космологія дозволила дати нове розуміння проблеми сингулярності. Поняття сингулярності, неусувне в рамках стандартної релятивістської моделі, заснованої на класичному способі опису та пояснення, істотно змінює свій зміст при квантовому способі опису та пояснення, що застосовується в інфляційній космології. Виявляється зовсім не обов'язковим вважати, що був якийсь єдиний початок світу, хоча це припущення і трапляється з деякими труднощами. Але, за словами А.Д.Лінде, у сценаріях хаотичного роздування Всесвіту «особливо виразно видно, що

замість трагізму народження всього світу із сингулярності, до якої нічого не існувало, і його подальшого перетворення на ніщо, ми маємо справу з нескінченним процесом взаємоперетворення фаз, у яких малі, або, навпаки, великі квантові флуктуації метрики» . Звідси випливає, що непорушний ще недавно висновок існування загальнокосмологічної сингулярності на початку розширення втрачає переконливість. Немає необхідності стверджувати, що всі частини Всесвіту розпочали одночасне розширення. Сингулярність замінюється в теорії Всесвіту, що розширюється, квантовою флуктуацією вакууму.

6. Інфляційна космологія на етапі свого розвитку переглядає колишні ставлення до теплової смерті Всесвіту. А.Д.Линде говорить про «самовостворюваного Всесвіту, що роздмухується», тобто. процесі нескінченної самоорганізації. Міні всесвіти виникають і зникають, але жодного єдиного кінця цих процесів немає.

7. Як і релятивістської, і у інфляційної космології грає значну роль антропний принцип (АП). Він пов'язує між собою фундаментальні параметри нашого всесвіту, Метагалактики, параметри елементарних частинок та факт існування у Метагалактиці людини. До необхідних появи людини космологічних умов належить такі: Всесвіт (Метагалактика) має бути досить великий, плоскої, однорідної. Саме ці властивості її випливають з теорії Всесвіту, що роздмухується. Без залучення процесу роздування у ранньому Всесвіті пояснити одноманітність її будови та властивостей усередині охопленої спостереженнями області не можна.

Неважко помітити, що у філософських засадах інфляційної космології сплелися окремі ідеї та образи, трансльовані з різних філософських систем. Наприклад, ідея нескінченної множини світів має тривалу філософську традицію ще з часів Левкіппа, Демокріта, Епікура, Лукреція. Особливо глибоко вона розроблялася Миколою Кузанським та Джордано Бруно. Ідея арістотелівської метафізики про перетворення потенційно можливого насправді вплинула не лише на використовуваний інфляційною космологією квантовий спосіб опису та пояснення, а й виявляється – парадоксальним чином! - Попередницею еволюційних ідей цієї теорії. Парадоксальним тому, що сам Аристотель вважав Всесвіт єдиним і, розглядаючи виникнення та знищення як земні процеси, приписував небу незмінність у

часу та замкнутість у просторі. Але висловлені їм ідеї про потенційне та актуальне буття були перенесені, всупереч власним поглядам Аристотеля, на нескінченний Метавсесвіт. Знаходять у філософських засадах інфляційної космології також вплив ідей Платона. Воно простежується, у разі, через неоплатоников епохи Відродження.

Деякі дослідники (наприклад, О.М.Павленко) вважають, що інфляційна космологія повинна розглядатися як новий етап сучасної революції в науці про Всесвіт, оскільки вона не тільки створює нову НКМ, а й призводить до перегляду деяких ідеалів та норм пізнання (наприклад, ідеали доказовості знання, що зводяться до внутрішньотеоретичних факторів). Як прогноз або експертна оцінка така думка прийнятна, якщо ми врахуємо, однак, такі обставини.

Звичайно, розробка теорії, що викликає велике зрушення в наших знаннях про світ і серйозні світоглядні наслідки, - необхідна ознака певної стадії наукової революції. Ця ознака має бути, однак, доповнена обґрунтуванням нової теорії, її визнання у науковому співтоваристві, що також входить до структури революційного зсуву. За рівнем радикальності, з якою інфляційна космологія (особливо варіант хаотичного роздування) переглядає картину світу як цілого, вона явно перевершує теорію А.А.Фрідмана. У співтоваристві космологів вона стала мати великий вплив, який встановився, втім, не відразу. У першій половині 80-х вважалися конкурентоспроможними різні сценарії квантового народження Всесвіту з вакууму, інфляційна космологія - у тому числі. Це пояснювалося суттєвими недоліками перших сценаріїв роздування. Лише після появи сценарію хаотичного роздмухування стався прорив у визнанні нової космології. Проте проблема обґрунтування цієї космологічної теорії залишається поки відкритою, саме внаслідок того, що прийнятим зараз ідеалам і нормам доказовості знання вона не відповідає (інші Всесвіти принципово не спостерігаються). Надії на зміну цих ідеалів у найближчому майбутньому (виключення обов'язковості «зовнішнього виправдання») поки невеликі. Строго кажучи, революція, потенційно укладена інфляційної космології, може відбутися, а може й не відбутися. На її розгортання поки що можна тільки сподіватися, не виключаючи повністю також інших несподіваних і поки що не вгадуваних поворотів у цій галузі.

Соціокультурна асиміляція інфляційної космології містить цікавий момент. Будучи надзвичайно революційною за своєю суттю, нова космологічна теорія не викликала особливого «буму». Пішло вже близько 20 років після появи першого варіанта цієї теорії, але вона майже не вийшла за межі досить вузького кола фахівців, не стала джерелом світоглядних дискусій, хоча б віддалено нагадують запеклі баталії навколо теорії Коперника, що розбурхувала уми ще до опублікування його безсмертного трактату, або довкола теорії А.А.Фрідмана. Ця разюча обставина потребує пояснення.

Не виключено, що основна причина - на жаль, падіння інтересу до наукового, зокрема, фізико-математичного знання, яке інтенсивно замінюється різного роду сурогатами, що часто викликають незмірно більший ажіотаж, ніж першокласні наукові досягнення. Нині знаходять відгук лише деякі відкриття науки, які виявляють прямий зв'язок із проблемами людського буття.

Далі, інфляційна космологія - надзвичайно складна теорія, не дуже зрозуміла навіть фахівцям із сусідніх областей фізики, а тим більше для нефахівців, і вже в силу тільки цього одного, що знаходиться поза сферою цих інтересів.

Нарешті, ідея єдиного і кінцевого в часі Всесвіту пустила в культурі занадто глибоке коріння, справила на неї занадто сильний вплив, щоб з легкістю поступитися місцем теорії, що явно нагадує давно відкинуті космологічні зразки.

Тим не менш, прогрес космології продовжується і найближчі роки, ймовірно, приведуть до більш впевнених оцінок теорії Всесвіту, що роздмухується.

Література

1. Лінд А.Д.Фізика елементарних частинок та інфляційна космологія. М., 1990.

2. Казютинський В.В.Поняття «Всесвіт» // Нескінченність та Всесвіт. М., 1969.

3. Казютинський В.В.Ідея Всесвіту // Філософія та світоглядні проблеми сучасної науки. М., 1981.

• Переклад

Це вже не спекулятивна теорія, оскільки чотири підтвердилися.

Наукові ідеї повинні бути простими, такими, що пояснюють і передбачають. А наскільки сьогодні відомо, інфляційний мультивсесвіт таких властивостей не має.
- Пол Штейнхарт, 2014

Але тільки цей гарячий і щільний стан таїть у собі багато питань, включаючи:

Чому дуже віддалені, різні регіони космосу, які не могли спочатку обмінятися інформацією, заповнені з однаковою щільністю речовини і випромінюванням однакової температури?

Чому Всесвіт, що реколапсував би, якби в ньому було більше речовини, або ж розширювався б до стану небуття, якби в ньому було менше речовини, так ідеально збалансований?

І де ж, якщо Всесвіт раніше знаходився в дуже гарячому та щільному стані, всі ці високоенергетичні реліктові частинки (типу магнітних монополів), які теоретично сьогодні має бути легко виявити?

Відповіді на запитання знайшлися наприкінці 1979, на початку 1980 року, коли Алан Гут висунув теорію космічної інфляції.

Прийнявши, що Великому вибуху передував стан, у якому Всесвіт не був заповнений речовиною і випромінюванням, а лише великою кількістю властивої тканини самого космосу енергії, Гут зумів вирішити всі ці проблеми. Крім того, у 1980-му відбулися й інші розробки, що дозволили знайти нові класи моделей, які допомагають інфляційним моделям відтворити сьогоднішній Всесвіт:

Наповнену речовиною та випромінюванням,
ізотропну (однакову в усіх напрямках),
гомогенну (однакову у всіх точках),
гарячу, щільну та розширюється в початковому стані.

Такі моделі розробили Андрій Лінде, Пол Штейнхарт, Енді Альбрехт, а додаткові деталі опрацьовували Генрі Тай, Брюс Аллен, Олексій Старобінський, Майкл Тернер, Девід Шрамм, Рокі Колб та інші.

Ми виявили щось примітне: два узагальнені класи моделей давали нам все, що потрібно. Була нова інфляція з потенціалом плоским нагорі, з якого інфляційне поле могло «повільно скочуватися» на дно, і була хаотична інфляція з U-подібним потенціалом, з якого можна було також повільно скочуватися.

В обох випадках простір розширювався експоненційно, розпрямлявся, його властивості були скрізь однаковими, і коли інфляція закінчувалася, ви поверталися у Всесвіт, дуже схожий на наш. Крім того, ви отримували п'ять додаткових передбачень, спостережень за якими тоді ще не було.

1) Плоский Всесвіт. На початку 1980-х ми завершили оглядові дослідження галактик, галактичних скупчень і почали розуміти великомасштабну структуру Всесвіту. На підставі побаченого ми змогли виміряти два показники:

Критичну густину Всесвіту, тобто густину речовини, необхідну для ідеального балансу Всесвіту між реколапсом і вічним розширенням.
Реальну щільність матерії у Всесвіті, не тільки світиться речовини, газу, пилу та плазми, але всіх джерел, включаючи темну матерію, що надає гравітаційний вплив.

Ми виявили, що другий показник становив від 10 до 35% від першого, залежно від джерела даних. Інакше кажучи, матерії у Всесвіті було набагато менше критичної кількості – отже, Всесвіт відкритий.

Але інфляція передбачала плоский Всесвіт. Вона бере Всесвіт будь-якої форми і розтягує її до плоского стану, або, принаймні, до стану, що не відрізняється від плоского. Безліч людей намагалося побудувати моделі інфляції, що давали Всесвіт негативної кривизни (відкриту), але не досягли успіху.

З настанням епохи темної енергії в результаті спостереження за надновою в 1998 році, за яким відбувся збір даних у проекті WMAP, які вперше вийшли в 2003 році (і даних проекту Boomerang, що вийшли трохи раніше), ми дійшли висновку, що Всесвіт насправді плоский і причина низької щільності речовини полягала в наявності цієї нової, несподіваної форми енергії.

2) Всесвіт з флуктуаціями на масштабах більших, ніж здатний подолати світло. Інфляція – змушуючи простір Всесвіту експоненційно розширюватися – роздмухує те, що відбувається на дуже малих масштабах, до дуже великих. Сьогоднішній Всесвіт має властиву їй невизначеність на квантовому рівні, невеликі флуктуації енергії, що відбуваються через принцип невизначеності Гейзенберга.

Але під час інфляції ці дрібномасштабні флуктуації енергії мали розтягнутися по всьому Всесвіту на гігантські макроскопічні масштаби, що простягаються по всій його протяжності! (А взагалі, і ще далі, оскільки ми не можемо спостерігати нічого, що лежить за межами спостережуваного Всесвіту).

Але глянувши на флуктуації реліктового випромінювання на найбільших масштабах, що певною мірою зміг зробити проект COBE у 1992 році, ми виявили ці флуктуації. А з покращеними результатами від WMAP ми змогли виміряти їхню величину та побачити, що вони відповідають передбаченням інфляції.

3) Всесвіт з адіабатичними флуктуаціями, тобто з однаковою ентропією. Флуктуації можуть бути різні: адіабатичні, постійної кривизни, або сумішшю обох типів. Інфляція передбачала на 100% адіабатичні флуктуації, а це означало наявність цілком певних параметрів реліктового випромінювання, які можна було виміряти у WMAP, та великомасштабних структур, що вимірювалися у проектах 2dF та SDSS. Якщо реліктове випромінювання та великомасштабні флуктуації пов'язані один з одним, вони адіабатичні, а якщо ні – вони можуть бути постійною кривизною. Якби у Всесвіті був інший набір флуктуацій, ми не знали б про це до 2000 року!

Але цей пункт був настільки прийнятий як належне завдяки решті успіхів теорії інфляції, що його підтвердження пройшло практично непоміченим. Це просто було підтвердження того, що ми вже «знаємо», хоча насправді воно було таким самим революційним, як і всі інші.

4) Всесвіт, в якому спектр флуктуацій був трохи меншим, ніж у масштабно-інваріантного (n s< 1). Это серьёзное предсказание! Конечно, инфляция, в общем, предсказывает, что флуктуации должны быть масштабно-инвариантными. Но есть подвох, или уточнение: форма инфляционных потенциалов влияет на то, как спектр флуктуаций отличается от идеальной масштабной инвариантности.

Працюючі моделі, відкриті в 1980-х, передбачали, що спектр флуктуацій (скалярний спектральний індекс, ns) повинен бути трохи менше 1, десь між 0,92 і 0,98, залежно від моделі, що використовується.

Коли ми отримали дані спостережень, то виявили, що кількість, що вимірювається, ns, дорівнює приблизно 0,97, з похибкою (згідно з вимірюванням реліктового випромінювання проектом BAO) в 0,012. Вперше їх помітили у WMAP, і це спостереження не лише підтвердилося, а й підкріплювалося згодом іншими. Воно справді менше одиниці, і це передбачення зробила лише інфляція.

5) І, нарешті, Всесвіт із певним спектром флуктуацій гравітаційних хвиль. Це останнє пророцтво, єдине з великих, яке ще не було підтверджено. Деякі моделі – наприклад, модель хаотичної інфляції Лінде – дають гравітаційні хвилі великої величини (такі хвилі мав би помітити BICEP2), інші, наприклад, модель Альбрехта-Штейнхарда, можуть давати дуже малі гравіхвилі.

Ми знаємо, який у них має бути спектр, і як ці хвилі взаємодіють із флуктуаціями у поляризації реліктового випромінювання. Невизначеність є лише в їх силі, яка може бути надто малою для спостереження, залежно від того, яка з моделей інфляції є вірною.

Згадайте про це наступного разу, коли читатимете статтю про спекулятивну природу теорії інфляції, або про те, як один із засновників теорії сумнівається у її правдивості. Так, люди намагаються знаходити дірки у найкращих теоріях та шукати альтернативи; ми, вчені, цим займаємося.

Але інфляція – це якийсь теоретичний монстр, відірваний від спостережень. Вона зробила п'ять нових пророцтв, чотири з яких ми підтвердили! Вона, можливо, передбачила такі речі, які ми ще не знаємо, як перевірити, типу мультивсесвіту, але це не забирає її успіхів.

Теорія космічної інфляції не спекулятивна. Завдяки спостереженням реліктового випромінювання та великомасштабних структур Всесвіту, ми змогли підтвердити його передбачення. Це найперша з усіх подій, що трапилися у нашому Всесвіті. Космічна інфляція сталася до Великого вибуху та підготувала все до його появи. І можливо, ми багато чого зможемо дізнатися завдяки їй!

У якому коротко описує виникнення та розвиток теорії інфляційного всесвіту, що дає нове пояснення Великому вибуху і передбачає існування поряд з нашою безліччю інших всесвітів.

Космологія до певної міри схожа на філософію. По-перше, за широтою свого предмета дослідження - ним є весь Всесвіт загалом. По-друге, через те, що деякі посилки в ній приймаються вченими як допустимі без можливості провести будь-який перевірочний експеримент. По-третє, передбачувальна сила багатьох космологічних теорій запрацює тільки якщо ми зможемо потрапити до інших всесвітів – чого очікувати не доводиться.

Однак із цього всього зовсім не випливає, що сучасна космологія - це така рукомахна і не зовсім наукова область, де можна, подібно до давніх греків, лежати в тіні дерев і гіпотетизувати про кількість вимірів простору-часу - десять чи одинадцять? Космологічні моделі базуються на спостережних даних астрономії, і що більше цих даних, то більше вписувалося матеріалу для космологічних моделей - які мають ці дані пов'язувати і узгоджувати між собою. Складність у цьому, що у космології порушуються фундаментальні питання які вимагають деяких початкових припущень, які вибираються авторами моделей з їхніх особистих поглядів на гармонії світобудови. У цьому взагалі немає нічого виняткового: при побудові всякої теорії потрібно брати якісь опорні точки. Просто для космології, яка оперує найбільшими масштабами простору та часу, їх вибрати особливо важко.

Спочатку кілька важливих визначень.

Космологія - наука, що вивчає властивості нашого Всесвіту як єдиного цілого. Проте в ній поки немає якоїсь єдиної теорії, яка б описувала все, що відбувається і коли-небудь, що сталося. Зараз існують чотири основні космологічні моделі, які намагаються описати походження та еволюцію всесвіту і кожна з них має свої плюси та мінуси, своїх адептів та противників. Модель Лямбда-CDM вважається найбільш авторитетною, хоч і не безперечною. Важливо розуміти, що космологічні моделі не обов'язково змагаються одна з одною. Просто можуть описувати принципово різні етапи еволюції. Наприклад, Лябмда-CDM взагалі не розглядає питання Великого вибуху, хоча чудово пояснює все, що сталося після нього.

Структура мультивсесвіту з бульбашками міні-всесвітів усередині неї.

Малюнок: Andrei Linde

Дивно в цьому те, що космологічна постійна (тобто енергія вакууму) не змінюється в часі в міру розширення всесвіту, тоді як щільність речовини змінюється цілком передбачувано і залежить від обсягу простору. Виходить, що в ранньому всесвіті щільність речовини набагато перевищувала щільність вакууму, в майбутньому в міру розльоту галактик щільність речовини буде зменшуватися. То чому саме зараз, коли ми можемо виміряти їх, вони такі близькі за значенням один до одного?

Єдиним відомим способом пояснити такий неймовірний збіг, не залучаючи якісь ненаукові гіпотези, можна тільки за допомогою антропного принципу та інфляційної моделі - тобто з безлічі існуючих всесвітів життя зародилося в тій, де космологічна постійна в даний момент часу виявилася рівною щільності матерії у свою чергу визначає час, що минув з початку інфляції, і дає досить часу для формування галактик, утворення важких елементів і розвитку життя).

Ще одним поворотним моментом у розвитку інфляційної моделі був вихід у 2000 році статті Буссо та Полчинськи, в якій вони запропонували використовувати теорію струн для пояснення великого набору різних типів вакууму, у кожному з яких космологічна стала могла приймати свої значення. А коли в роботу над об'єднанням теорії струн та інфляційної моделі включився один із творців самої теорії струн, Леонард Саскінд, це не тільки допомогло скласти більш закінчену картину, яку зараз називають «антропним ландшафтом теорії струн», а й до певної міри додало вагу всієї моделі у науковому світі. Число статей з інфляції збільшилося за рік із чотирьох до тридцяти двох.

Інфляційна модель претендує на те, щоб не просто пояснити тонке налаштування фундаментальних констант, а й допомогти виявити деякі фундаментальні параметри, що визначають величину цих констант. Справа в тому, що в Стандартній моделі сьогодні 26 параметрів (космологічна стала стала останнім з відкритих), які визначають величину всіх констант, з якими ви коли-небудь стикалися в курсі фізики. Це досить багато, і вже Ейнштейн вважав, що їх кількість можна зменшити. Він запропонував теорему, яка, за його словами, не може в даний час бути більш ніж вірою, про те, що у світі немає довільних констант: він так мудро влаштований, що мають бути якісь логічні зв'язки між начебто зовсім різними величинами. В інфляційній моделі ці константи можуть бути лише параметром навколишнього середовища, який здається нам локально незмінним через ефект інфляції, хоча буде зовсім іншим в іншій частині всесвіту і визначається ще не виявленими, але напевно існуючими істинно фундаментальними параметрами.

Наприкінці статті Лінде пише, що критика інфляційної моделі часто ґрунтується на тому, що ми не зможемо в найближчому майбутньому проникнути в інші всесвіти. Тому перевірити теорію неможливо і в нас досі немає відповідей на самі базові питання: Чому всесвіт такий великий? Чому вона однорідна? Чому вона ізотропна і не обертається як наша галактика? Однак, якщо поглянути на ці питання під іншим кутом, то виявляється, що і без подорожі до інших міні-всесвітів у нас є безліч експериментальних даних. Таких як розмір, площина, ізотропність, однорідність, значення постійної космологічної, співвідношення мас протона і нейтрону і так далі. І єдине на сьогоднішній день розумне пояснення цим та багатьом іншим експериментальним даним дається в рамках теорії мультиверсів і, отже, моделі інфляційної космології.

, 1990. Андрій Лінде

"The Anthropic landscape of string theory" 2003. Леонард Саскінд