Книга Вечность. В поисках окончательной теории времени - Шон Кэрролл

Инфляция предлагает изящное решение проблемы горизонта. В эру инфляции пространство расширяется невероятно сильно; точки, которые изначально находились довольно близко друг к другу, разносятся очень далеко. В частности, точки, между которыми было огромное расстояние на момент, когда сформировалось микроволновое фоновое излучение, до начала инфляции, находились вплотную друг к другу, — и это ответ на вопрос: «Как они узнали о схожих условиях?». Что еще важнее, во время инфляции во Вселенной доминировала темная суперэнергия, которая, как и любая другая форма темной энергии, обладает везде одинаковой плотностью. Возможно, на участке пространства, где началась инфляция, существовали и другие формы энергии, но они быстро рассеялись в расширяющемся пространстве; раздувая пространство, инфляция делает его плоским — так вы расправляете скомканную простыню, растягивая ее в стороны за уголки. Естественным результатом инфляции является Вселенная, выглядящая очень однородной на больших масштабах.

Истинный и ложный вакуумы

Инфляция — это простой механизм объяснения свойств ранней Вселенной: она растягивает небольшой участок пространства, делая его плоским и гладким и решая таким образом проблемы плоскостности и горизонта. Кроме того, она избавляет нас от нежелательных пережитков прошлого, таких как магнитные монополи. Но как это все в действительности работает?

Очевидно, что фокус с инфляцией зависит от наличия врéменной формы темной суперэнергии, которая в течение какого-то времени стимулирует расширение Вселенной, а затем внезапно исчезает. Такое поведение может казаться нелогичным, ведь определяющим свойством темной энергии является почти полное ее постоянство в пространстве и времени. По большей части это действительно так, но могут также происходить неожиданные скачки ее плотности — «фазовые переходы», при которых значение темной энергии резко падает, как при схлопывании пузыря. Фазовый переход подобного рода предоставляет секретный ключик к пониманию инфляции.

Возможно, вы задаетесь вопросом, что же в конце концов порождает эту темную суперэнергию, стимулирующую инфляцию. Ответ — квантовое поле, точно такое же, как поля, вибрации которых обнаруживаются в форме окружающих нас частиц. К сожалению, ни одно из известных нам полей — поле нейтрино, электромагнитное поле и т. д. — не подходит для этой работы. Так что космологи попросту предположили, что должно существовать какое-то совершенно новое поле, приводящее к инфляции, и недолго думая нарекли его «инфлатоном». Придумывать новые поля на пустом месте — занятие не настолько постыдное, как может показаться; правда в том, что инфляция предположительно происходит при энергиях, намного превышающих те, которые мы в состоянии напрямую воссоздать в лабораторных условиях здесь, на Земле. Без сомнения, при таких энергиях может существовать любое количество новых полей, пусть даже мы не не знаем, что это за поля; вопрос только в том, обладают ли какие-либо из них подходящими свойствами, чтобы выполнить функции инфлатона (то есть инициировать врéменную фазу темной суперэнергии, которая расширяет Вселенную до невероятных размеров, а затем распадается и исчезает).

Пока в наших обсуждениях квантовых полей мы делали акцент на том, что вибрации этих полей порождают частицы. Если поле везде постоянно, а вибрации отсутствуют, то мы и не видим никаких частиц. Если бы нас беспокоили исключительно частицы, то фоновое значение поля — среднее значение, которое оно принимает, если вообразить, что все вибрации сглажены, — не играло бы никакой роли, так как оно не поддается непосредственному наблюдению. Однако фоновое значение поля можно измерить косвенно: в частности, оно способно нести энергию и, следовательно, влиять на кривизну пространства— времени.

Энергия, связанная с полем, может возникать разными способами. Обычно она связана с тем, что от одной точки пространства—времени к другой поле меняется; это энергия растяжения, соответствующая меняющимся значениям поля, подобно тому как существует энергия, связанная со скручиваниями и вибрациями резинового листа. Но в дополнение к этому поля способны обладать энергией даже тогда, когда они просто принимают постоянное значение, без каких-либо колебаний. Такой тип энергии, соответствующий самому значению поля, а не его изменениям от одной точки пространства к другой или от одного момента времени к другому, называется потенциальной энергией. Совершенно плоский резиновый лист обладает большей энергией тогда, когда он поднят высоко над землей, чем в том случае, когда он лежит на ее поверхности; мы знаем это, потому что можем извлечь эту энергию, взяв лист и бросив его вниз. Потенциальная энергия может быть преобразована в другие виды энергии.

В ситуации с резиновым листом (или с любым другим объектом, находящимся в гравитационном поле Земли) потенциальная энергия ведет себя достаточно прямолинейно: чем выше мы подняли объект, тем выше его потенциальная энергия. Однако с полями все намного сложнее. Если вы изобретаете новую теорию физики элементарных частиц, то вам необходимо задать зависимость потенциальной энергии от значения каждого поля. Базовых правил, которыми вы могли бы руководствоваться, не так много; просто каждому возможному значению каждого поля присваивается некоторое значение потенциальной энергии, и это часть формулировки теории. На рис. 14.6 показан пример потенциальной энергии какого-то гипотетического поля как функции значения поля.

Рис. 14.6. Изменение потенциальной энергии в зависимости от фонового значения какого-то гипотетического поля, например инфлатона. Поля стремятся к тому, чтобы скатываться в нижние точки энергетической кривой; на данном графике точки A, B и C представляют разные фазы, в которых может находиться вакуум. Самое низкое значение энергии в фазе B, так что это «истинный вакуум», тогда как A и C — это «ложные вакуумы».

Поле, у которого нет ничего, кроме потенциальной энергии (ни вибраций, ни движения, ни скручивания), просто существует, не изменяясь. Следовательно, его потенциальная энергия на кубический сантиметр остается постоянной, даже если Вселенная расширяется. Мы понимаем, что это значит: это энергия вакуума. (Точнее, это один из многих возможных вкладов в полную энергию вакуума.) Поле можно представлять себе как мяч, катящийся вниз по склону холма; он стремится к тому, чтобы остановиться в покое во впадине между холмами, где значение энергии ниже всего, — по крайней мере, ниже, чем любое другое соседнее значение. Разумеется, возможны и другие значения поля, которым соответствует еще более низкая энергия, но эти, более глубокие «впадины» разделены «холмами». На рис. 14.6 поле может счастливо жить при любом значении: A, B или C, но только в точке B энергия на самом деле минимальна. Значения A и C известны как «ложные вакуумы», и они кажутся состояниями с самой низкой энергией лишь тогда, когда для сравнения вы берете только соседние значения. «Истинный вакуум», где энергия на самом деле меньше всего, — это B. (Для физика «вакуум» — это не упражнение для укрепления брюшного пресса и даже не обязательно «пустое пространство». Это просто «состояние теории с самой низкой энергией». Посмотрите на кривую потенциальной энергии для какого-то поля: дно каждой впадины соответствует отдельному вакуумному состоянию.)