В последние годы для преодоления некоторых недостатков стандартной космологической модели — теории расширяющейся Вселенной — была разработана новая модель ранних стадий эволюции Вселенной. Эта модель, называемая раздувающейся Вселенной, точно совпадает с общепринятым описанием наблюдаемого мира начиная с 10/-30 с после начала расширения (иногда называемого «Большим взрывом»).
Но в первую крошечную долю секунды эти две модели сильно различаются. В ходе этого грандиозного «спурта» все вещество и вся энергия могли образоваться практически «из ничего». Последствия процесса раздувания играют также важную роль для современной Вселенной: если новая модель верна, то наблюдаемая Вселенная — это всего лишь очень небольшая доля Вселенной в целом.
Модели раздувающейся Вселенной присущи многие свойства стандартной космологической модели. Согласно обеим моделям, расширение Вселенной началось 10—15 млрд. лет назад из сингулярного — сверх горячего и сверхплотного — состояния и продолжается поныне, сопровождаясь охлаждением. Эта картина успешно объяснила многие свойства наблюдаемой Вселенной, такие, как красное смещение в спектрах далеких галактик, микроволновое фоновое (реликтовое) излучение и первоначальное содержание легких элементов.
Все эти предсказания связаны только с теми событиями, которые, вероятно, имели место не менее чем через секунду после начала расширения (т. е. когда обе модели совпадают). До недавнего времени не делалось никаких попыток описать Вселенную в первую секунду после ее рождения. Считается, что температура в тот период превышала 10 млрд. Кельвинов; о свойствах вещества в таких условиях известно крайне мало. Исходя из последних достижений физики элементарных частиц, космологи пытаются понять эволюцию Вселенной начиная с 10/-45 с после начала расширения.
Еще раньше плотность энергии была настолько велика, что вместо общей теории относительности Эйнштейна следует использовать квантовую теорию гравитации, которая пока еще не разработана окончательно. При экстраполяции стандартной космологической модели на столь раннюю эпоху возникают различные проблемы. Прежде всего стало ясно, что в этой модели требуется постулировать ряд предположений о начальных условиях во Вселенной. К тому же из большинства новых теорий элементарных частиц следует, что стандартная космологическая модель должна привести к огромному «перепроизводству» экзотических частиц, называемых магнитными монополями.
Модель раздувающейся Вселенной была разработана именно для того, чтобы преодолеть эти трудности. Уравнения, описывающие инфляционную фазу, имеют одно очень привлекательное свойство: практически при любых начальных условиях Вселенная эволюционирует как раз в то состояние, которое следовало бы принять за начальное в стандартной космологической модели. Кроме того, предсказываемая концентрация магнитных монополей становится достаточно малой, чтобы согласовываться с наблюдениями.
В рамках достижений теории элементарных частиц модель раздувающейся Вселенной, видимо, позволяет решить многие проблемы стандартной космологической модели. Стандартная модель расширяющейся Вселенной основана на нескольких предположениях. Прежде всего принимается, что фундаментальные законы физики не меняются во времени и что эффекты гравитации описываются общей теорией относительности Эйнштейна.
Далее предполагается, что на ранних стадиях эволюции Вселенная была заполнена в высшей степени однородным расширяющимся очень горячим газом элементарных частиц, находящихся в тепловом равновесии. Этот газ заполнял все пространство и расширялся вместе с ним. При усреднении по большим областям распределение плотности вещества и энергии в ходе эволюции Вселенной оставалось почти однородным. Кроме того, считается, что любые изменения состояния вещества и излучения происходили настолько медленно, что их влиянием на «термодинамическую историю» Вселенной можно пренебречь.
Отказ от этого предположения и является ключом к модели раздувающейся Вселенной. Модель расширяющейся Вселенной ведет к двум важным предсказаниям, которые можно проверить путем наблюдений.
- Во-первых, согласно этой модели, по мере расширения Вселенной галактики удаляются друг от друга со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними. Именно такой закон расширения открыл в 20-х годах Эдвин Хаббл на основе своих наблюдений красных смешений далеких галактик;
- Во-вторых, модель расширяющейся Вселенной предсказывает существование микроволнового фонового излучения, пронизывающего всю Вселенную и являющегося «реликтовым остатком» ее сверх горячего состояния в начале расширения.