Что такое инфляционная модель Вселенной — Naked Science
14.02.2019
12 минут
Редакция
3501

Что такое инфляционная модель Вселенной

К огромному сожалению, у нас нет возможности отмотать время назад и посмотреть, как развивалась Вселенная в первые минуты своей жизни. Прибегая к математике и полученным в результате наблюдений данным, лучшие умы планеты строят самые смелые модели. Одна из них — космическая инфляция.

8882b03e-2ffb-482c-bc221010448f4004_source3

Инфляционная теория, или инфляционная модель Вселенной, объединяет идеи из квантовой физики и физики частиц для исследования ранних моментов Вселенной сразу после Большого взрыва. Согласно ей Вселенная образовалась в очень нестабильном состоянии, спровоцировавшем ее быстрое расширение в самые первые мгновения. Одним из последствий этого расширения стало то, что Вселенная намного больше, чем предполагалось изначально, и простирается она куда дальше, чем могут заглянуть наши телескопы. Кроме того, эта теория предсказывает некоторые свойства, которые не объяснены в рамках теории Большого взрыва, — как, например, равномерное распределение энергии и плоская геометрия пространства-времени.

Теория инфляционной Вселенной разработана физиком Аланом Гутом в 1980 году. Сегодня она считается общепринятой частью теории Большого взрыва, даже несмотря на то, что центральные идеи последнего устоялись намного раньше, чем была сформулирована инфляционная теория.

С чего все началось

Теория Большого взрыва на протяжении многих лет показывала себя весьма успешно — в частности, учитывая то, что она была подтверждена посредством открытия реликтового излучения (микроволнового фона). Однако, несмотря на большой успех этой теории в объяснении большинства аспектов, наблюдаемых во

Вселенной, оставались три проблемы:

  • Проблема гомогенности, или почему Вселенная была настолько равномерной спустя всего секунду после Большого взрыва;
  • Проблема плоскостности;
  • Предсказанное перепроизводство магнитных монополей.

Модель Большого взрыва вроде как предсказывала искривленную Вселенную, в которой энергия распределялась неравномерно и в которой было множество магнитных монополей. Однако ничто из этого не соответствовало данным.

Алан Гут / © Annette Boutellier

Физик Алан Гут впервые узнал о проблеме плоскостности на лекции Роберта Дика в Корнеллском университете в 1978-м. В последующие годы Гут применял к сложившейся ситуации концепции из физики частиц и разработал инфляционную модель ранней Вселенной.

Двадцать третьего января 1980 года Гут представил полученные данные на лекции в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Его революционная идея заключалась в том, что принципы квантовой физики из самого сердца физики частиц можно применить к ранним моментам возникновения Большого взрыва. По его данным, Вселенная должна была обладать высокой плотностью энергии. В соответствии с термодинамикой, плотность Вселенной должна была заставить ее расширяться с невероятной скоростью.

По сути, согласно новой на тот момент модели, Вселенная должна была возникнуть в «ложном вакууме» и в отсутствие механизма Хиггса (другими словами, бозон Хиггса не существовал). Она должна была пройти через процесс переохлаждения в поисках стабильного низкоэнергетического состояния («истинного вакуума», в котором работает механизм Хиггса) — и именно это запустило период быстрого расширения.

Насколько быстрого? Как гласит модель, Вселенная увеличивалась вдвое каждые 10-35 секунд. Таким образом, в первые 10-30 секунд после Большого взрыва она бы успела удвоиться в размерах 100 тысяч раз, а этого более чем достаточно, чтобы объяснить проблему плоскостности. Даже если у Вселенной была некая кривизна в самом начале, такая степень расширения привела бы к тому, что сегодня все выглядело бы плоским. (Заметьте, размера Земли достаточно, чтобы она выглядела для нас плоской, хотя мы знаем, что поверхность, на которой мы стоим, изогнута и образует сферический объект).

Квантовые флуктуации, происходящие во время инфляции, действительно растягиваются по Вселенной. В своем крупномасштабном проявлении инфляция приводит к тому, что Вселенная становится плоской и теряет свою раннюю кривизну / © E. Siegel/Beyond the Galaxy

К тому же энергия распределена настолько равномерно из-за того, что в самом начале мы были очень маленькой частью Вселенной, которая расширилась настолько быстро, что даже если там и были значительные неравномерности в распределении энергии, они были бы слишком далеко от нас, чтобы мы могли их заметить или ощутить. Это, в свою очередь, служит решением проблемы гомогенности.

Развитие теории

Как утверждает сам Алан Гут, проблемой теории было то, что, как только инфляция запустилась, ей пришлось бы продолжаться бесконечно. Ученые не видели намеков на какой-то отчетливый механизм «отключения» этого процесса.

Кроме того, если пространство постоянно расширялось с такой скоростью, то ранее высказанная Сидни Коулманом идея не сработала бы. Коулман предсказал, что при фазовых переходах в ранней Вселенной образовывались маленькие пузыри, которые объединялись друг с другом. При наличии инфляции пузыри отдалялись бы друг от друга слишком быстро, не успевая объединиться.

На эту проблему обратил внимание советский физик Андрей Линде. Он изучил ее и выяснил, что существует иная интерпретация, предоставляющая решение этой проблемы. В то же время — это были все еще 1980-е годы — по другую сторону железного занавеса Андреас Альбрехт и Пол Стейнхардт самостоятельно пришли к похожему решению.

Андрей Линде / © L.A. Cicero

Все дело в том, что в изначальной модели Гута допускалось возникновение более одной инфляционной области, которые, в свою очередь, могли сталкиваться. В таком случае получался беспорядочный космос, в котором излучение и вещество обладают неоднородной плотностью. Это совсем не соответствовало тому, что наблюдалось в реальности. Линде, Альбрехт и Стейнхардт изменили уравнение скалярного поля — и все обрело смысл. Согласно этому решению, наша наблюдаемая Вселенная произошла из одного вакуумного пузыря, который отделился от других инфляционных областей пространства. Речь идет о невообразимо — по всем меркам — огромных расстояниях.

Такая разная теория инфляции

У инфляционной теории есть несколько названий. Например, космологическая инфляция, космическая инфляция, инфляция, старая инфляция (так называют оригинальную версию теории Алана Гута), новая инфляционная теория (модель, разработанная Линде, Альбрехтом и Стейнхардтом).

Также есть два близких варианта теории: хаотическая теория инфляции и вечная инфляция. В этих теориях механизм инфляции не просто случился однажды — сразу после Большого взрыва, — а происходит снова и снова в разных регионах пространства. Эти модели предполагают быстрорастущее число «пузырьковых вселенных», являющихся частью Мультиверса, или Мультивселенной. Некоторые физики отмечают, что эти предсказания присутствуют во всех версиях инфляционной модели Вселенной, и поэтому не считают их разными теориями.

Позавчера, 12:17
23 минуты
Редакция

Возраст планеты, на которой мы живем, – примерно 4,54 миллиарда лет. И большую часть этого времени она была совершенно не похожа на ту Землю, которую мы знаем. Даже самые экзотические планеты за пределами Солнечной системы, возможно, не столь интересны, как наша родная в некоторые моменты ее истории. Наденем скафандр, сядем в машину времени – и представим себя инопланетными путешественниками, посетившими нашу систему в ее ранние времена.

Вчера, 15:12
1 минута
Илья Ведмеденко

В Соединенных Штатах провели церемонию спуска на воду USS Cooperstown (LCS 23) — корабля прибрежной зоны Littoral Combat Ship типа Freedom. В скором времени он пополнит состав ВМС США.

Вчера, 09:37
7 минут
Сергей Васильев

Магнитосфера Земли была достаточно сильной еще до того, как у планеты появилось внутреннее ядро и заработал механизм «геомагнитного динамо»: похоже, на первых этапах ее подпитывал совершенно другой механизм.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Исследователей в очередной раз удивили привычки кошек: как оказалось, они не прочь питаться одним человеческим трупом на протяжении месяца, несмотря на наличие других тел.

18 января
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

17 января
7 минут
ТГУ

Старший научный сотрудник лаборатории «Гербарий» БИ ТГУ Вера Костикова совместно с новосибирскими коллегами выявила ценные лекарственные свойства у спиреи – кустарника, используемого в озеленении городов и дачных участков. Фитохимическое исследование показало, что растение обладает противовирусной и антиоксидантной активностью, что делает его перспективным для использования в медицине.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Исследователей в очередной раз удивили привычки кошек: как оказалось, они не прочь питаться одним человеческим трупом на протяжении месяца, несмотря на наличие других тел.

18 января
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

7 января
44 минуты
Александр Березин

Вашингтон и Тегеран близки к войне как никогда за последние годы. Но, скорее всего, США не пойдут дальше ограниченных ударов. Слишком уж неприятные последствия имели предшествующие силовые операции Штатов в Иране. Попробуем разобраться, что именно их остановит на этот раз.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: