Маленькая книга о Большом взрыве

Решение, предложенное для всех трех проблем в рамках инфляционной модели, было элегантно и достаточно однозначно, чтобы его мог понять среднестатистический физик. Решение предполагало, что, когда эпоха ТВО подошла к концу, что случилось приблизительно между 10^-36 и 10^-32 секундами после Большого взрыва, Вселенная внезапно начала расширяться по экспоненте и увеличилась в 27–28 раз за очень короткий промежуток времени.

Если бы вы вдруг превратились в муравья, пробирающегося по кусочку попкорна, внезапно увеличившегося в 27 раз, то его поверхность показалась бы вам практически плоской. Именно так инфляция решает проблему плоскостности.

Проблема магнитного монопо́ля устраняется тем же самым решением. Бесчисленное количество монопо́лей во Вселенной было рассредоточено по ней за счет расширения, так что их плотность стала равняться приблизительно одному монопо́лю на обозримую часть Вселенной. Мы его пока не нашли.

Проблема горизонта оказалась сложнее: пришлось отвечать на вопрос, как получилось, что разделенные значительным расстоянием участки неба смогли взаимодействовать и сглаживать друг друга, чтобы образовать однородное микроволновое излучение. Поскольку в стандартной модели Вселенной часть горизонта, обращенная в прошлое, сужается быстрее самой Вселенной, выходит, что на 10^-36 доле секунды после Большого взрыва горизонт был меньше, чем Вселенная, приблизительно на 27 порядков величины.

Это значит, что практически никакие частицы во Вселенной не могли взаимодействовать между собой. С другой стороны, частицы в границах этого крохотного горизонта по определению могли взаимодействовать, и если бы этот маленький клочок раздулся на 27 порядков величины, сейчас он был бы размером с видимую Вселенную.

Инфляционная модель утверждает, что современная Вселенная выросла из маленького пятнышка размером с зернышко попкорна, в котором фотоны уже успели начать взаимодействовать и сгладили все неровности, а расширение этого пятнышка в итоге привело к возникновению однородного фонового излучения. Заметьте, однако, что расширение не объясняет, как началось сглаживание, а лишь описывает необходимые условия для его развития.

* * *

Главная причина, по которой инфляционная модель стала такой популярной, касается не трех вышеописанных проблем, а отпечатков руки Бога. Флуктуации в реликтовом излучении отражают отклонения температуры от стандартных 2,7 °C на одну стотысячную долю градуса. Их спектр также неизменен и не зависит от масштаба. Эти особенности флуктуаций стали известны нам из непосредственных наблюдений. Но как они возникли?

Ранние инфляционные модели претендуют на объяснение этих явлений. Из главы 8 мы уже знаем, что, по утверждению физиков, вакуум заполнен маленькими флуктуациями энергии, так называемыми квантовыми флуктуациями. Если верить инфляционной модели, они возникли сразу после Большого взрыва, положив начало эпохе квантовой гравитации, о которой мы еще поговорим в главе 14. Инфляция раздула эти флуктуации до флуктуаций реликтового излучения. Более того, она делает это таким образом, что спектр этих колебаний становится спектром Land O’Lakes.

* * *

Таким образом, если бы инфляция действительно имела место, она, по-видимому, могла бы объяснить некоторые особенности космоса, сбивающие нас с толку. Но откуда она взялась? В этом вопросе множество инфляционных моделей расходятся. Большинство моделей предлагают некое новое поле, не похожее на темную энергию. Возможно, вы помните, что скорость расширения Вселенной зависит от ее содержимого. Если во Вселенной преобладает темная энергия, действует космологическая постоянная, то уравнения Фридмана говорят нам следующее: размер растет экспоненциально с течением времени. Поскольку в современной Вселенной темная энергия действительно преобладает, мы можем сказать, что она расширяется практически экспоненциально.

В инфляционном сценарии развития Вселенной почти то же самое происходило в промежутке между 10^-36 и 10^-32 секундами после Большого взрыва. В это время во Вселенной преобладала некая новая форма энергии: она не обязательно была сегодняшней темной энергией, но напоминала какое-то время космологическую постоянную – см. рис. 18. Эта почти постоянная энергия привела к экспоненциальной инфляции, а к концу периода инфляции ослабела и практически исчезла. Эта диаграмма известна как диаграмма потенциальной энергии. Возможно, вы уже знаете, что любая физическая система, как шар на вершине холма, стремится занять положение с минимальной потенциальной энергией, поэтому шар и скатывается вниз по склону. Физики часто визуализируют образ Вселенной в виде мяча, находящегося на вершине кривой энергии, создаваемой инфляционным полем. По мере того как мяч медленно катится с почти плоского холма, инфляция действует. Когда инфляция заканчивается, он стремительно проваливается в яму, теряя всю свою энергию.

Рис. 18