Вечная инфляция… Это звучит как очень удручающая тенденция в экономике. Но это, конечно, не так. Поскольку в данном случае речь идёт о космологии.
В сегодняшней статье мы начнём с Большого взрыва. И в конечном итоге поймём, что Большой взрыв, возможно, не был началом, и что он всё еще происходит, и наша Вселенная, возможно, не единственная существующая.
Да, всё, что касается космологии, кажется немного запутанным и сложным. Но всё же мы сегодня постараемся во всём этом разобраться
И для начала давайте разберёмся с тем, что в космологии называется «инфляцией».
Что такое инфляция?
Анализируя данные, полученные в ходе наблюдений, астрономы в начале 20-го поняли, что Вселенная расширяется. И поэтому стало понятно, что в прошлом она была меньше, чем сейчас. И в какой-то момент в прошлом она была точкой.
Другими словами: Вселенная имеет возраст: 13,8 миллиарда лет. И всё, что мы видим сегодня вокруг себя, когда-то было сосредоточено в чрезвычайно маленьком объёме пространства. И из этого чрезвычайно плотного и горячего состояния Вселенная расширилась до тех размеров, которые мы можем наблюдать сейчас.
Существует множество данных наблюдений, подтверждающих это открытие.
Однако во второй половине 20-го века было обнаружено, что у теории Большого Взрыва есть несколько проблем. Например, астрономы не видят никакого искривления пространства в больших космологических масштабах. Вселенная кажется нам совершенно плоской. Что очень маловероятно.
Форма Вселенной определяется содержащейся в ней материей и энергией. И именно они заставляют пространство искривляться. И выходит очень странная штука: чтобы получить плоскую и не искривлённую в ту или иную сторону Вселенную, начальные условия Большого взрыва должны были быть чрезвычайно точно настроены. Настолько точно, что даже спустя почти 14 млрд лет мы не видим никаких «перекосов» в каком-либо направлении.
Есть и еще несколько подобных проблем. Но пока мы их рассматривать не будем, поскольку они являются слишком сложными для понимания.
Решение озвученной выше проблемы было предложено в конце 1970-х — начале 1980-х годов. Советский космолог Алексей Старобинский и независимо от него американец Алан Гут выдвинули идею космологической «инфляции».
Основная идея этой концепции на самом деле была довольно проста: вскоре после Большого взрыва Вселенная расширялась невообразимо быстро в течение очень короткого периода времени. Почему это решает проблему, которую я только что описал? Поясню: если комната изогнутая, но абсурдно большая, Вы никогда не заметите её кривизну. Или ещё это можно увидеть на примере Земли: она определённо круглая. Но поскольку Земля очень большая по сравнению с человеком, она кажется ему плоской.
И поскольку Вселенная невероятно быстро расширялась во время фазы инфляции, не имеет значения, насколько сильной или слабой была её кривизна до этого. После завершения этого процесса она стала настолько большой, что сегодня кажется нам плоской.
Никогда не осознать
На самом деле, конечно, всё гораздо сложнее, чем просто «Вселенная очень быстро расширилась за очень короткий период времени». На самом деле слова «очень коротко» и «очень быстро» очень важны.
Считается, что фаза инфляции началась через 1^10–35 секунды после Большого Взрыва. Вы никогда не сможете представить ничего подобного. И длилась эта фаза примерно до 1^10-33 или 1^10-30 секунд. Это вы тоже не сможете себе представить.
За немыслимо короткое время Вселенная выросла в 10^26 раз. То есть стала в 100 квадриллионов раз больше, чем была раньше, чего опять же никто не может себе представить. Вот почему нельзя просто так говорить «очень быстро расширилась за очень короткое время».
Вроде бы пока всё понятно. Инфляция объясняет видимую «прямоту» Вселенной. Но до сих пор остаются без ответа как минимум два вопроса. Во-первых, почему вообще возникла инфляция Вселенной? И второй: почему она остановилось?
Эти вопросы подводят нас к центральным моментам этой статьи. Дальше нужно использовать тезисы, для подробного объяснения которых, к сожалению, потребовалось бы много очень сложных математических вычислений.
Но я попробую объяснить всё это в очень-очень упрощённой форме.
И для начал давайте разберёмся с понятием «ложный вакуум».
Что такое ложный вакуум?
Квантовая механика утверждает, что вакуум никогда не бывает пустым. Из-за квантовых флуктуаций в нём всегда есть немного энергии. Потому даже если в вакууме абсолютно ничего нет, в нём всё равно существуют различные квантовые поля. Если в квантовое поле вложить достаточно энергии, можно создать частицу. Если не вложить, то частица не появится. Но она как-бы будет всегда «где-то рядом».
Такой вакуум теоретически может иметь разные возможные энергетические состояния. «Истинный вакуум» — это тот, который находится в минимально возможном энергетическом состоянии. И этого логически следует, что если энергия вакуума чуть выше, то это уже «ложный вакуум».
Давайте используем пример. Возьмём мяч. Чего всегда хочет мяч? Он всегда хочет достичь состояния с как можно меньшим количеством энергии. Или, другими словами: во всех случаях, когда он может, он катится вниз. Теперь давайте представим себе гору, посредине которой есть небольшая ямка. Если мяч окажется наверху и его слегка подтолкнуть, он покатится вниз. Но если он упадёт в нашу ямку, то останется там, даже если еще не достиг самого низкого энергетического состояния. Придётся еще раз подтолкнуть его, чтобы он выбрался из ямы и скатился в долину. Аналогично и с вакуумом.
Мдэ… Сложно представить, как можно вытолкнуть вакуум из ямы…
Так вот. Теория инфляции предполагает, что существовало или существует особое поле — поле инфляции. В зависимости от того, как меняется это поле, оно может привести к тому, что Вселенная будет расширяться, или не расширяться, или расширяться невероятно быстро. И энергетически наиболее выгодное состояние этого поля называется «истинным вакуумом».
Теперь, если предположить, что это инфляционное поле находилось в ложном вакууме вскоре после Большого взрыва, то случайные квантовые флуктуации могли заставить его переключиться на истинный вакуум или другой ложный вакуум с более низкой энергией, чем раньше. Это изменило состояние поля до такой степени, что началось экспоненциальное расширение Вселенной.
Именно в этот момент и началась фаза инфляции. Во время этого перехода из одного состояния вакуума в другое инфляционное поле высвобождало энергию в виде излучения и материи. И эта материя, которая появилась во Вселенной, снова замедлила и остановила инфляцию. И с тех пор космос стал расширяться «нормально», то есть уже не экспоненциально быстро.
Не поняли? Не переживайте. (Хотя это было самое упрощённое объяснение инфляции).
Как это происходит?
Даже самым умным учёным потребовалось много времени, чтобы понять, как всё это происходит. И попутно им пришлось решить несколько проблем.
Например, самая первая идея об инфляции не предусматривала никакого разумного механизма, способного остановить инфляцию после того, как она началась. Лишь намного позже люди нашли способ сделать это. И когда они внимательнее присмотрелись к этой «новой инфляции», как её теперь называет теория, они столкнулись с одним захватывающим явлением.
Получалось, что инфляция не должна прекратиться повсюду одновременно. И что отдельные её «пузыри» могут образовываться из-за случайных квантовых флуктуаций, при которых инфляционное поле имеет именно ту величину, которая позволяет положить конец инфляции. Но в других-то местах она продолжается беспрепятственно! И то, что мы называем «нашей Вселенной», вполне может быть просто одним из тех пузырей, в которых закончилась инфляция. И, таким образом, возникло излучение, материя и все остальное.
Космос, который мы видим сегодня, мог бы затем развиваться в виде более медленно расширяющегося пузыря именно так, как мы описываем его с помощью модели Большого Взрыва. Но если все это действительно так, то наш пузырь – не единственный!
Квантовые флуктуации, должно быть, заставили пузыри снова и снова отделяться от большего инфляционно расширяющегося пространства, в результате чего инфляция прекращалась. И это должно было происходить и до того, как сформировался наш вселенский пузырь. Поэтому то, что мы называем «Большим взрывом», является не началом всего, а лишь началом конца инфляции в пузыре, которым является наша Вселенная. На самом деле никакого «начала всего» не существует, есть только вечная инфляция, от которой продолжают откалываться новые вселенские пузыри.
(Вчерашние грибы мне сразу показались подозрительными😁).
Другие вселенные
Конечно, нет никаких шансов наблюдать эти другие вселенные. Или каким-либо образом вступать с ними в контакт. Нас отделяет от них пространство, которое вечно инфляционно расширяется. Эти другие вселенные настолько недоступны для нас, что мы могли бы даже заявить, что их не существует.
Однако если гипотеза о вечной инфляции верна, то они должна существовать. В этом случае получается, что мы живём в пространстве, которое невообразимо больше, чем и без того огромна наша невообразимо большая Вселенная. Выходит, что мы живём в маленьком пузыре, который возник в этом пространстве 14 миллиардов лет назад. В пространстве, в котором постоянно появляются новые вселенные. И которые, кстати, тоже могут снова исчезнуть. Возможно даже, что в каждой из этих вселенных действуют разные законы природы.
Но наука пока не знает, так ли это на самом деле. Она лишь предполагает, что нечто вроде инфляционной фазы должно было существовать. В этом случае все данные, полученные в ходе наблюдения за Вселенной, будут иметь смысл. И всё, что учёные наблюдали до сих пор, будет хорошо согласовываться с концепцией инфляционной фазы. И если инфляция произошла так, как сейчас предполагает наука, то есть большая вероятность, что это вечная инфляция действительно существует.
Надеюсь, что я не сильно сломал вам сегодня мозги, друзья мои.
Но только вдумайтесь – мы все можем бесшумно исчезнуть без следа в любое мгновение…
Всем добра.