Ранняя вселенная 1. Инфляционная Космология: является ли наша вселенная частью мультивселенной? Часть 1

На сайте бесплатных лекций MIT OpenCourseWare выложен курс лекций по космологии Алана Гуса, одного из создателей инфляционной модели вселенной. Курс мне показался достаточно интересным, чтобы заняться его переводом.

Вашему вниманию предлагается перевод первой лекции: «Инфляционная Космология. Является ли наша вселенная частью мультивселенной? Часть 1».



На заглавном слайде изображена фотография спутника «Планк». Этот спутник запустили несколько лет назад для измерения космического фонового излучения. Космическое фоновое излучение — это важнейший ключ к пониманию истории вселенной. «Планк» — это третий спутник, который полностью предназначен для измерения космического фонового излучения. Первый спутник назывался COBE, затем был WMAP, теперь «Планк».

«Планк» до сих пор находится на орбите. Фактически он закончил сбор данных, хотя анализ этих данных далеко не закончен. Мы еще обсудим, что именно наблюдает этот спутник.


Я хочу начать с обсуждения стандартной теории Большого Взрыва, которая будет главной темой нашего курса. Мы потратим примерно 2/3 курса на обсуждение стандартной теории Большого Взрыва, а затем перейдем к таким темам, как инфляция. Когда мы приступим к изучению инфляции, то окажется, что инфляция — это достаточно простая вещь, если понять базовые уравнения, которые возникают в стандартной космологии. Мне кажется вполне разумным потратить две трети курса на стандартную космологию, прежде чем перейти к инфляции. К этому времени мы разберемся со всеми принципами, которыми будем пользоваться позже, изучая продвинутые темы, типа инфляции.

Стандартная модель Большого Взрыва — это теория, согласно которой вселенная, такая какой мы ее знаем, появилась 13-14 миллиардов лет назад. Cегодня мы можем даже гораздо точнее назвать возраст вселенной. Вычисления основываются на данных спутника «Планк», а также некоторой другой информации. Возраст равен 13.82 ± 0.05 миллиардов лет. Таким образом, в настоящее время возраст вселенной с момента Большого Взрыва довольно хорошо установлен.

Однако, я не зря уточнил «вселенная какой мы ее знаем». Потому что мы не полностью уверены, что вселенная началась с того, что мы называем Большим Взрывом. У нас есть очень хорошее описание Большого Взрыва и мы вполне уверены, что он был на самом деле, и мы понимаем, как он выглядел. Но было ли что-то до него – этот вопрос до сих пор полностью открыт.

Мне кажется, мы не должны исходить из того, что вселенная началась с Большого Взрыва. Позже, в самом конце курса, когда мы будем изучать некоторые последствия инфляции и мультивселенную, мы увидим, что имеются веские основания считать, что Большой Взрыв не был началом мироздания, а был всего лишь началом нашей локальной вселенной которую часто называют карманная вселенная.

В любом случае, теория Большого Взрыва утверждает, что по крайней мере наша часть вселенной 13.82 миллиардов лет назад была крайне горячей, плотной, равномерной субстанцией из частиц, которая согласно общепринятой стандартной модели Большого Взрыва заполняла буквально все пространство. Сейчас мы достаточно уверенны, что она равномерно заполняла все пространство, которое нам доступно для наблюдений. Я хочу подчеркнуть, что это противоречит распространенной, но неверной наглядной картине Большого Взрыва. Согласно этой наглядной картине Большой Взрыв выглядел как маленькая бомба из очень плотного вещества, которое затем взорвалось и разлетелось в пустом пространстве. Это не является научной картиной Большого Взрыва.

Причина не в нелогичности такой картины. Сложно сказать, что здесь является логичным, а что нелогичным. Просто это противоречит тому, что мы видим. Если бы это была маленькая бомба, взорвавшаяся в пустом пространстве, мы бы сегодня ожидали, что вселенная выглядела по разному, если смотреть в направлении, где была бомба, и в противоположенном направлении. Но мы не видим никаких признаков этого. Когда мы смотрим в небо, вселенная с очень большой точностью выглядит абсолютно одинаково во всех направлениях. Мы нигде не видим никаких признаков взорвавшейся бомбы. Наоборот, похоже, Большой Взрыв случился равномерно везде.

Большой Взрыв описывает несколько важных вещей, о которых мы еще поговорим подробнее в нашем курсе. Он описывает, каким образом ранняя вселенная расширялась и охлаждалась, и мы потратим довольно значительное время, чтобы разобраться в нюансах, которые скрываются за этими словами. В действительности, Большой Взрыв очень точная модель, основанная на очень простых предположениях. По большому счету, мы предполагаем, что ранняя вселенная была заполнена горячим газом, который находился в термодинамическом равновесии, и что этот газ расширялся и сжимался обратно из-за гравитации.

Из этих простых идей можно вычислить, и мы научимся это вычислять, насколько быстро вселенная расширялась, какая у нее была температура, плотность вещества в каждый момент времени. Все нюансы могут быть вычислены из этих простых идей, и исследовать это действительно интересно.

Большой Взрыв также объясняет, как образовались легкие химические элементы. Это главная тема книги Стива Вайнберга «Первые Три Минуты». Как раз примерно в этот период образовывались химические элементы. Оказывается, что большинство химических элементов во вселенной образовались не во время Большого Взрыва, а гораздо позже внутри звезд. Эти элементы были разбросаны в космос во время взрывов сверхновых звезд и из них образовались звезды более поздних поколений, одним из которых является наше Солнце.

Таким образом, вещество, из которого мы сделаны, на самом деле было создано не во время Большого Взрыва, а было синтезировано внутри какой-то далекой звезды, которая давно взорвалась. А может быть, многих звезд, чьи остатки собрались вместе и сформировали нашу Солнечную систему. Однако, большая часть вещества во вселенной, в отличие от большинства различных видов элементов, сформировалась в Большом Взрыве. Большая часть вещества во вселенной – это просто водород и гелий.

Около пяти различных изотопов водорода, гелия и лития в основном были сформированы в Большом Взрыве, и, поскольку у нас есть детальная картина Большого Взрыва, которую мы в дальнейшем будем изучать, можно рассчитать и предсказать количество этих различных изотопов. Эти предсказания очень хорошо согласуются с наблюдениями. Это, безусловно, одно из основных подтверждений того, что наша картина Большого Взрыва верна. Можно предсказать, каким должно быть количество гелия-3. Это количество было измерено, и оно согласуется с предсказаниями. Это удивительно.

Наконец, Большой Взрыв объясняет, как в конечном итоге вещество собралось в сгустки, и образовались звезды, галактики, скопления галактик. Мы поговорим об этом немного, но не будем очень глубоко погружаться в эту тему, потому что она выходит за пределы нашего курса. В принципе, работа в данном направлении до сих пор продолжается. Люди не все понимают о галактиках. Но общая картина, что все началось с почти однородной Вселенной, а затем вещество собралось в сгустки, которые образовали галактики и другие структуры, считается верной. И из этой очень простой картины можно многое понять о вселенной.

Теперь я хочу поговорить о том, о чем обычная теория Большого Взрыва не рассказывает, о появлении новых идей, таких как инфляция.


Во-первых, обычная теория Большого Взрыва ничего не говорит о том, что вызвало расширение вселенной. В действительности, это лишь теория последствий взрыва. В научной версии Большого Взрыва в появившейся вселенной все расширяется, без объяснения того, как началось это расширение. Это объяснение не является частью теории Большого Взрыва. Таким образом, научная версия теории Большого Взрыва на самом деле не теория взрыва. На самом деле это теория последствий взрыва.

Кроме того, аналогичным образом, обычная теория Большого Взрыва ничего не говорит о том, откуда взялась вся материя. Теория в действительности предполагает, что для каждой частицы, которую мы видим во Вселенной сегодня, в самом начале была, если не сама частица, то по крайней мере, какая-то частица-предшественница, без объяснения, откуда все эти частицы появились. Короче говоря, я хочу сказать, что теория Большого Взрыва ничего не говорит о том, что взорвалось, почему взорвалось, или что произошло до того, как взорвалось. В теории Большого Взрыва в действительности нет взрыва. Это безвзрывная теория, несмотря на свое название.



Инфляция, оказывается, дает ответы, очень правдоподобные ответы, на многие из этих вопросов. В основном об этом мы и поговорим сегодня в оставшееся время. Как я уже сказал, с точки зрения курса, мы подойдем к этой теме примерно в последнюю треть курса.

Что такое космическая инфляция? В сущности, это незначительная модификация, с точки зрения общей картины, стандартной теории Большого Взрыва. Лучшее слово для ее описания — это слово, которое, как мне кажется, было придумано в Голливуде. Инфляция — это приквел к обычной теории Большого Взрыва. Это краткое описание того, что произошло раньше, непосредственно перед Большим Взрывом. Таким образом, инфляция действительно является объяснением взрыва Большого Взрыва в том смысле, что она действительно дает теорию толчка, который привел вселенную к этому огромному процессу расширения, который мы называем Большим Взрывом.

Инфляция делает это таким образом, что я думаю об этом как о чуде. Когда я использую слово «чудо», то использую его в научном смысле, просто что-то настолько удивительное, что это заслуживает того, чтобы называться чудом, хотя оно является частью законов физики. Есть всего несколько особенностей законов физики, которые имеют решающее значение для инфляции. Я расскажу о двух из них, которые я считаю чудом потому, что, когда я был студентом, никто не говорил о них вообще. Они просто не были частью той физики, которую люди замечали и о которой говорили.

Чудо физики, о котором я говорю, это нечто известное со времен общей теории относительности Эйнштейна, что гравитация — это не всегда притяжение. Гравитация может действовать как отталкивание. Эйнштейн описал это в 1916 году, в виде того, что он назвал космологической постоянной. Первоначальная мотивация модификации уравнений общей теории относительности заключалась в том, что Эйнштейн считал вселенную статичной. Он понял, что обычная гравитация заставит статичную вселенную сжиматься. Вселенная не сможет оставаться статичной. Поэтому он ввел этот элемент, космологическую постоянную, чтобы скомпенсировать притяжение обычной гравитации и иметь возможность построить статическую модель вселенной.

Как вы скоро узнаете, такая модель совершенно неверна. Вселенная выглядит совсем по-другому. Но тот факт, что общая теория относительности может включать это гравитационное отталкивание, которое при этом совместимо со всеми принципами общей теории относительности является важной вещью, которую обнаружил сам Эйнштейн. Инфляция использует эту возможность, позволяя гравитации быть отталкивающей силой, которая привела вселенную в фазу расширения, которую мы называем Большим Взрывом.

На самом деле, если объединить общую теорию относительности с некоторыми общепринятыми идеями физики элементарных частиц, имеются четкие признаки, не совсем предсказание, но довольно четкие признаки того, что при очень высоких плотностях энергии существуют состояния материи, которые буквально переворачивают гравитацию с ног на голову и притяжение превращается в отталкивание. Если говорить немного точнее, то, как мы узнаем позже, гравитационное отталкивание создается отрицательным давлением.

Согласно общей теории относительности, оказывается, и давление, и плотность энергии могут создавать гравитационное поле. В отличие от ньютоновской физики, где только плотность массы создает гравитационное поле.

Положительное давление создает притягивающее гравитационное поле. Положительное давление — это своего рода нормальное давление, а притягивающая гравитация это своего рода нормальная гравитация. Нормальное давление создает нормальную гравитацию. Но возможно отрицательное давление, и отрицательное давление создает отталкивающую гравитацию. В этом секрет того, что делает инфляцию возможной.

Таким образом, инфляция предполагает, что, по крайней мере, небольшой участок отталкивающего гравитационного вещества существовал в ранней вселенной. Мы не знаем в точности, когда в истории вселенной произошла инфляция, или другими словами, мы не знаем в точности на каких уровнях энергии она произошла. Но очень правдоподобная возможность того, когда могла произойти инфляция, это когда уровни энергии во Вселенной были сопоставимы с уровнями энергии в теориях Великого объединения.


Теории Великого объединения, о которых мы поговорим чуть позже, это теории, которые объединяют слабое, сильное и электромагнитное взаимодействия в одно единое взаимодействие. Это объединение происходит при типичной энергии примерно 10¹⁶ Гэв, где Гэв, это примерно масса или энергия эквивалентная массе протона. Мы говорим об энергиях, которые примерно в 10¹⁶ раз больше эквивалентной энергии массы протона. При таких энергиях очень возможно, что будут существовать состояния, которые создают отталкивающую гравитацию.

Если это происходило при таких порядках энергии, первоначально участок мог быть невероятно малого размера — около 10^-28 сантиметров для того, чтобы, в конце концов, привести к созданию всего того, что мы видим на огромных расстояниях. И вселенная, какую мы сегодня видим, полностью является следствием такого участка.

Гравитационное отталкивание, созданное этим небольшим участком отталкивающей гравитационной материи, стало движущей силой Большого Взрыва, что привело к экспоненциальному расширению участка. При экспоненциальном расширении есть определенное время, за которое размер участка удваивается. Если подождать еще столько же, он снова удвоится. Если подождать еще столько же, он удвоится снова.


Поскольку, эти удвоения быстро накапливаются, то для создания всей Вселенной не требуется много времени. Примерно после 100 удвоений этот крошечный участок размером 10^-28 сантиметров может стать достаточно большим, чтобы не стать вселенной, но стать размером с небольшой шарик, который в конечном итоге станет наблюдаемой вселенной, после того как она продолжит расширяться после окончания инфляции.

Если все это происходит в масштабах великой теории объединения, время удвоения невероятно мало, 10^-37 секунды, что очень быстро. Участок расширяется экспоненциально, по крайней мере, в 10²⁸ раз, что, как я уже упоминал, занимает всего около 100 удвоений, а может расшириться гораздо больше. Здесь нет ограничений. Если он расширился больше, чем нужно для создания нашей вселенной, это просто означает, что та часть вселенной, в которой мы живем, больше, чем мы видим. В этом нет ничего страшного. Все, что мы видим, выглядит однородно, а насколько далеко это простирается мы узнать не в состоянии. Таким образом, большие размеры инфляции полностью соответствуют тому, что мы видим.

Время, которое это занимает, составляет всего лишь 10^-35 секунд, что равняется 100 раз по 10^-37 секунд. Участок, которому суждено стать нашей наблюдаемой в настоящее время Вселенной, в конце инфляции становится размером с шарик диаметром около сантиметра.

Инфляция заканчивается потому, что эта отталкивающая гравитационная материя нестабильна. Она распадается, в том же смысле, что и распадается радиоактивное вещество. Это не означает, что она гниет, как распадающееся яблоко, это означает, что она превращается в другие виды материи. В частности, она превращается в материю, которая больше не является гравитационно отталкивающей. Таким образом, гравитационное отталкивание заканчивается, и создаваемые высвобождающейся в конце инфляции энергией частицы становятся горячим веществом обычного Большого Взрыва.

На этом заканчивается приквел, и начинается главное действие — обычная теория Большого Взрыва. Роль инфляции заключается лишь в том, чтобы создать начальные условия для обычной теории Большого Взрыва. Здесь есть небольшой нюанс. Инфляция заканчивается потому, что материя нестабильна, но заканчивается почти везде, а не полностью везде.

Эта отталкивающая гравитационная материя распадается, но она распадается как радиоактивное вещество, экспоненциально, у нее есть период полураспада. Но независимо от того, сколько пройдет периодов полураспада, всегда останется крошечный маленький кусочек, останется еще чуть-чуть этой материи. И это оказывается важным для идеи, что во многих случаях инфляция никогда не заканчивается полностью. Мы еще вернемся к этому.


Теперь я хочу поговорить о том, что происходит во время фазы экспоненциального расширения. Есть очень специфическая особенность инфляции, этого вызванного отталкивающей гравитацией экспоненциального расширения, которая заключается в том, что пока она происходит, плотность массы или плотность энергии этой расталкивающей гравитационной материи не уменьшается. Казалось бы, что если что-то удвоится в размере, то объем должен увеличиться в 8 раз, а плотность энергии уменьшиться в 8 раз.

И это, безусловно, происходит с обычными частицами. Так, конечно, произошло бы, если бы у нас был газ, обычный газ, которому мы просто дали расшириться в два раза в размере, плотность снизилась бы в восемь раз, поскольку объем равен кубу размера. Но эта особенная отталкивающая гравитационная материя фактически расширяется с постоянной плотностью. Это звучит так, как будто нарушается сохранение энергии, потому что это означает, что общее количество энергии внутри этого расширяющегося объема увеличивается. Энергия на единицу объема остается постоянной, а объем становится все больше и больше в геометрической прогрессии.

Я утверждаю, что я не сошел с ума, что это на самом деле соответствует законам физики, которые мы знаем. И что это согласуется с сохранением энергии. Сохранение энергии действительно является священным принципом физики. Мы не знаем ничего в природе, что нарушает принцип сохранения энергии. Энергия в конечном счете не может быть создана или уничтожена, общее количество энергии фиксировано. Похоже, здесь есть противоречие. Как нам от него избавиться?

Здесь требуется второе чудо физики. Энергия действительно точно сохраняется. Хитрость здесь в том, что энергия не обязательно положительна. Есть вещи, которые имеют отрицательную энергию. В частности, гравитационное поле имеет отрицательную энергию. Это утверждение, кстати, верно и в ньютоновской физике, и в общей теории относительности. Мы докажем это позже.

Если вы проходили на курсе электромагнетизма вычисление плотности энергии электростатического поля то знаете, что плотность энергии электростатического поля пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Можно доказать, что эта энергия в точности равна энергии, которую нужно добавить в систему, чтобы создать электрическое поле заданной конфигурации. Если сравнить закон гравитации Ньютона с законом Кулона, то станет понятно, что это в действительности тот же закон, за исключением того, что они используют разные константы.

Они оба являются законами обратных квадратов и пропорциональны двум зарядам, где в случае гравитации это массы, которые играют роль зарядов. Но у них противоположные знаки. Два положительных заряда, как известно, отталкиваются, две положительные массы притягиваются друг к другу.

Тот же самый аргумент, который позволяет рассчитать плотность энергии Кулоновского поля, позволяет рассчитать плотность энергии ньютоновского гравитационного поля, все еще в рамках ньютоновской физики, при этом остается изменение знака силы. Это меняет знак во всех выполненных вычислениях, и получается отрицательное значение, которое является правильным значением для ньютоновской гравитации. Плотность энергии ньютоновского гравитационного поля отрицательна. То же самое верно и в общей теории относительности.

Это означает, что в рамках сохранения энергии, можно получать все больше и больше вещества, все больше и больше энергии накапливаемой в виде обычного вещества, что и происходит во время инфляции, до тех пор, пока существует компенсирующее количество отрицательной энергии, создаваемой гравитационным полем, которое заполняет все большую область пространства. Именно так и происходит во время инфляции.

Положительная энергия этого отталкивающего гравитационного вещества, которая растет и растет в объеме, в точности компенсируется отрицательной энергией гравитационного поля, заполняющего участок. Таким образом, общая энергия остается постоянной, как и должна, и есть высокая вероятность того, что общая энергия в точности равна нулю. Потому что все, что мы знаем, по крайней мере, согласуется с возможностью того, что эти две энергии точно равны друг другу или очень близки.


Схематично картина состоит в том, что полная энергия Вселенной состоит из огромной положительной энергии в виде материи и излучения, материи, которою мы видим, материи, с которой мы обычно идентифицируем энергию. Но есть также огромная отрицательная энергия, заключенная в гравитационном поле, которое заполняет вселенную. И, насколько мы можем судить, их сумма может быть равна 0. По крайней мере это ничему не противоречит.

В любом случае, во время инфляции черный столбик поднимается вверх, а красный столбик опускается вниз. И они поднимаются и опускаются на равное количество. Таким образом, процессы, происходящие во время инфляции, сохраняют энергию, так как все, что соответствует законам физики, о которых мы знаем, должно сохранять энергию.


Я хочу поговорить о некоторых доказательствах существования инфляции. До сих пор я описывал, что такое инфляция, и на сегодня этого описания достаточно. Как я уже сказал, мы вернемся и поговорим обо всем этом в нашем курсе. Теперь давайте перейдем к обсуждению некоторых причин, почему мы считаем, что наша Вселенная, возможно, действительно претерпела этот процесс под названием инфляция, о которой я только что говорил. Есть три вещи, о которых я хочу рассказать.

Первая из них – однородность Вселенной на больших масштабах. Это связано с тем, что я сказал вам в начале, что если посмотреть в разные стороны, то Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях. Объект, зависимость которого от направления можно измерить с наибольшей точностью — это космическое фоновое излучение, потому что мы можем измерить его в любом направлении, и оно в высшей степени однородно.

Когда это было сделано, было обнаружено, что космическое фоновое излучение однородно с невероятной точностью — около 1/100000. Это впечатляющий уровень однородности. Это означает, что Вселенная действительно крайне однородна.

Я хочу сделать здесь одну оговорку, чтобы быть полностью точным. Если просто взять и измерить космическое излучение, то окажется, что существует асимметрия, которая больше, чем я только что сказал. Можно обнаружить асимметрию около 1/1000, где одно направление более горячее, чем противоположное. Но этот эффект в одну тысячную мы интерпретируем как наше движение сквозь космическое фоновое излучение, что делает его более горячим в одном направлении и холодным в противоположном направлении. И этот эффект нашего движения имеет вполне определенное угловое распределение.

У нас нет другого способа узнать, какова наша скорость относительно космического фонового излучения. Мы просто вычисляем ее из этой асимметрии. Но мы не можем этим движением объяснить все. Мы можем вычислить скорость. Как только мы ее вычислим, это определит одну из асимметрий, которую мы можем вычесть. После этого остаточные асимметрии, асимметрии, которые мы не можем объяснить, говоря, что Земля имеет определенную скорость по отношению к космическому фоновому излучению, находятся на уровне одной стотысячной. И эту одну стотысячную, мы относим к вселенной, а не к движению Земли.

Чтобы понять последствия этой невероятной однородности, нужно сказать немного об истории этого космического фонового излучения. Излучение в ранний период Вселенной, когда Вселенная была плазмой, было по существу заперто в веществе. Фотоны двигались со скоростью света, но в плазме очень большое сечение рассеяния фотонов на свободных электронах. Это означает, что фотоны двигались вместе с веществом, потому что, свободно они могли перемещаться только на очень короткое расстояние, затем рассеивались и двигались в другом направлении. Таким образом, по отношению к веществу, фотоны никуда не улетали в течение первых 400 000 лет истории вселенной.

Но затем, согласно нашим расчетам, примерно через 400 000 лет, вселенная достаточно остыла, чтобы плазма нейтрализовалась. А когда плазма нейтрализуется, она становится нейтральным газом, как воздух в этой комнате. Воздух в этой комнате кажется нам совершенно прозрачным, и оказывается, что так же происходило во вселенной.

Газ, который наполнил вселенную после его нейтрализации, действительно стал прозрачным. Это означает, что типичный фотон, который мы видим сегодня в космическом фоновом излучении, путешествовал по прямой начиная примерно с 400 000 лет после Большого Взрыва. Что, в свою очередь, означает, что, когда мы смотрим на космическое фоновое излучение, мы, по сути, видим изображение того, как выглядела вселенная через 400 000 лет после Большого Взрыва. Так же, как свет, идущий от моего лица к вашим глазам, дает вам представление о том, как я выгляжу.

Итак, мы видим изображение вселенной в возрасте 400 000 лет, и оно однородно с точностью одна стотысячная. Вопрос в том, можем ли мы объяснить, как вселенная смогла стать такой однородной? Если вы готовы просто предположить, что вселенная изначально была совершенно однородной более, чем на одну стотысячную, то никто не мешает вам так сделать. Но если вы хотите попытаться объяснить это единообразие не предполагая, что оно было с самого начала, то с помощью обычной теории Большого Взрыва это просто невозможно.

Причина в том, что в рамках эволюционных уравнений обычной теории Большого Взрыва можно вычислить, и мы вычислим это позже, для того, чтобы со временем все сгладить, чтобы космическом фоновое излучение выглядело гладко, нужно иметь возможность перемещать материю и энергию примерно в 100 раз быстрее скорости света. Иначе просто не получится этого сделать. Мы в физике не знаем ничего, что происходит быстрее, чем скорость света. Итак, в известной нам физике и в обычной теории Большого Взрыва нет никакого способа объяснить эту однородность, кроме как просто предположить, что она была там с самого начала. По причинам, о которых мы не знаем.

С другой стороны, инфляция очень хорошо решает эту проблему. Инфляция, добавляет экспоненциальное расширение в историю Вселенной. Из-за того, что это экспоненциальное расширение было настолько большим следует, что если посмотреть на нашу вселенную до того, как произошла инфляция, она была значительно меньше, чем в обычной космологии, в которой она не имела этого экспоненциального расширения.

Таким образом, в инфляционной модели было достаточно времени, чтобы наблюдаемая часть Вселенной стала однородной до начала инфляции, когда она была невероятно маленькой. И она стала однородной, как воздух, который равномерно распространяется по всей комнате, а не собирается в одном углу. После того, как однородность была достигнута в этом крошечном регионе, инфляция затем растянула этот регион, который стал достаточно большим, чтобы включить все, что мы сейчас видим, тем самым объясняя, почему все, что мы видим, выглядит так однородно. Это очень простое объяснение, и оно возможно только при использовании инфляции, а не в рамках общепринятой теории Большого Взрыва.

В инфляционных моделях Вселенная начинается с такого малого размера, что однородность легко устанавливается. Точно так же, как воздух в лекционном зале равномерно заполняет лекционный зал. Затем инфляция растягивает регион, который становится достаточно большим, чтобы включить все, что мы сейчас наблюдаем. Это первое из трех моих доказательств инфляции.


Второе — это то, что называется проблемой плоской Вселенной. Вопрос в том, почему ранняя Вселенная была настолько плоской? Может сразу возникнуть вопрос — что я имею ввиду, когда говорю, что ранняя Вселенная была плоской? Одно из заблуждений, которое я иногда встречаю, заключается в том, что плоский часто воспринимается как двумерный. Это не то, что я имею в виду. Плоский не означает как двухмерный блин. Вселенная трехмерная. Плоская в нашем случае означает Евклидова, подчиняется аксиомам Евклидовой геометрии, в отличие от вариантов Неэвклидовой геометрии, которые допускаются общей теорией относительности.

Общая теория относительности позволяет трехмерному пространству быть искривленным. Мы рассмотрим только равномерную кривизну. В реальности мы не видим никакой кривизны, но мы знаем с большей точностью, что вселенная однородна, чем то, что она плоская. Итак, представьте себе три возможных вариантов кривизны для вселенной, все из которых будем считать однородными. Трехмерные искривленные пространства не просто визуализировать, но все три из них аналогичны двумерным искривленным пространствам, которые легче себе представить.


Один из вариантов — это замкнутая геометрия поверхности сферы. Аналогия заключается в том, что трехмерная вселенная аналогична двумерной поверхности сферы. Меняется количество измерений, но важные вещи остаются. Так, например, если поместить треугольник на поверхность сферы, и это можно легко визуализировать, сумма его трех углов будет больше 180 градусов. В отличие от Евклидовой геометрии, где сумма всегда 180 градусов.

СТУДЕНТ: происходит ли изгиб трехмерного пространства в четвертом измерении? Так же, как двумерные модели подразумевают другое измерение?

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: хороший вопрос. Вопрос был в том, происходит ли трехмерная кривизна в четвертом измерении так же, как двумерная кривизна происходит в третьем измерении? Думаю, ответ да. Но, мне стоит здесь немного уточнить. Третье измерение с чисто математической точки зрения позволяет нам легко визуализировать сферу. Но геометрия сферы с точки зрения людей, изучающих дифференциальную геометрию, является четко определенным двумерным пространством без какой-либо необходимости в третьем измерении.

Третье измерение — это просто способ для нас, чтобы визуализировать искривление. Но этот же способ работает для трехмерного пространства. Фактически, изучая трехмерное искривленное пространство замкнутой Вселенной, мы будем делать это именно так. Мы используем тот же способ, представим его в четырех измерениях, и это будет очень близко к двумерной картине, на которую вы смотрите.

Таким образом, одна из возможностей – это замкнутая геометрия, где сумма трех углов треугольника всегда больше 180 градусов. Другая возможность — это то, что обычно называется седловидной формой, или пространством отрицательной кривизны. В этом случае сумма трех углов, поскольку они сужаются, становится меньше 180 градусов. И только для плоского случая сумма трех углов равна точно 180 градусов, что является случаем Евклидовой геометрии.

Геометрия на поверхностях этих объектов не является Евклидовой, хотя если рассматривать трехмерную геометрию объектов, встроенных в трехмерное пространство, то она все еще Евклидова. Но геометрия на двумерных поверхностях не является Евклидовой на верхних двух поверхностях, и Евклидова на нижней поверхности.

Именно так это работает в общей теории относительности. Существуют замкнутые вселенные с положительной кривизной и суммой углов более 180 градусов. Есть открытые вселенные, где сумма трех углов всегда меньше 180 градусов. И есть случай плоской вселенной, который находится на границе этих двух, в котором работает Евклидова геометрия. В нашей вселенной Евклидова геометрия работает очень хорошо. Вот почему мы все учили ее в школе. У нас есть очень хорошие доказательства того, что ранняя Вселенная была необычно близка к этому плоскому случаю Евклидовой геометрии. Это то что мы пытаемся понять и объяснить.

В соответствии с общей теорией относительности геометрия вселенной определяется плотностью массы. Есть определенное значение плотности массы, называемое критической плотностью, которая зависит от скорости расширения, кстати, это никоим образом не универсальная константа. Но для заданной скорости расширения можно рассчитать критическую плотность, и эта критическая плотность — плотность, которая делает вселенную плоской. Космологи определяют число, называемое Ω (Омега). Ω — это просто отношение фактической плотности массы к плотности критической массы. Итак, если Ω равняется 1, то фактическая плотность равна критической плотности, что означает плоскую вселенную. Если Ω больше 1, то получится замкнутая вселенная, а при Ω меньше 1 будет открытая Вселенная.


Эволюция значения Ω особенна тем, что Ω равная 1, во время развития Вселенной в обычной космологии, ведет себя очень похоже на карандаш, балансирующий на своем кончике. Это неустойчивая точка равновесия. Другими словами, если бы Ω была точно равна 1 в ранней Вселенной, она осталась бы ровно равной 1. Точно так же, как карандаш, который идеально установлен на своем кончике, не будет знать, куда упасть и в принципе останется в таком положении навсегда. По крайней мере, в классической механике. Мы не будем рассматривать квантовую механику для нашего карандаша. Для аналогии мы используем карандаш классической механики.

Но если карандаш немного наклонится в любом направлении, он быстро начнет падать в этом направлении. Точно так же, если бы Ω в ранней вселенной была чуть больше 1, она быстро возросла бы до бесконечности. Это замкнутая вселенная. Бесконечность в действительности означает, что вселенная достигает своего максимального размера, затем начинает сжиматься и коллапсирует. Если бы Ω была немного меньше 1, она быстро бы уменьшилась до 0, и вселенная просто стала бы пустой, поскольку бы быстро расширилась.

Поэтому единственный способ для Ω, быть близкой к 1 сегодня, а насколько мы можем сказать, Ω сегодня равна 1 — это изначально быть невероятно близко к 1. Это как тот карандаш, который простоял 14 миллиардов лет и еще не упал. Численно, для Ω, чтобы сегодня быть где-то в допустимом диапазоне очень близким к 1, означает, что Ω через одну секунду после Большого Взрыва должна была быть равна 1 с невероятной точностью в 15 десятичных знаков. Это делает значение плотности массы вселенной через одну секунду после Большого Взрыва, вероятно, самым точным числом, которое мы знаем в физике. Мы действительно знаем его с точностью до 15 десятичных знаков. Если бы оно не было в этом диапазоне, то оно не было бы близко к 1 сегодня из-за эффекта усиления во время эволюции вселенной.

Вопрос в том, как это произошло? В обычной теории Большого Взрыва теоретически начальное значение Ω могло быть каким угодно. Чтобы соответствовать тому что мы сейчас наблюдаем, оно должно было быть в этом невероятно узком диапазоне, но в теории нет ничего, что заставляло бы его там быть. Вопрос в том, почему Ω изначально была так невероятно близко к 1? Как и в раннее упомянутой проблеме однородности, можно просто предположить, что она изначально оказалась такой, какой должна была быть, т.е. равной 1. Можно так сделать. Но если вы хотите иметь какое-либо объяснение того, почему так случилось, в обычной космологии нет ничего, что может объяснить это. Однако инфляция позволяет это объяснить.


В инфляционной модели меняется эволюция Ω, потому что гравитация превращается в отталкивающую силу вместо притягивающей, и это заставляет меняется Ω по-другому. Оказывается, во время инфляции Ω не удаляется от 1, как это было на протяжении всей остальной истории вселенной, а наоборот, быстро движется к 1, экспоненциально быстро. При таком размере инфляции, о котором мы говорили, инфляции примерно в 10²⁸ раз, достаточно, чтобы значение Ω до инфляции не было сильно ограничено. Ω до инфляции могла быть не 1, а могла быть 2 или 10 или 1/10 или 100 или 1/100.

Чем дальше начальная Ω была от 1, тем более долгая инфляция потребуется, чтобы достаточно приблизить ее к 1. Но для Ω значительно отличающейся от 1 инфляции не потребуется сильно больше времени, поскольку инфляция приближает омегу к 1 экспоненциально. Это очень мощная сила, приближающая омегу к 1. И это дает нам очень простое объяснение того, почему Ω в ранней вселенной, по всей видимости, была чрезвычайно близка к 1.

На самом деле из этого следует предсказание. Поскольку инфляция настолько близко приближает Ω к 1, то мы ожидаем, что сегодня Ω действительно должна быть 1, или в пределах измеряемой точности. Можно представить инфляционные модели, где Ω оказалась бы, скажем 0.2, это то, какой ее раньше считали, но для этого инфляция должна закончиться точно в нужное время, прежде чем она еще приблизится к 1. Потому что каждое экспоненциальное увеличение делает ее еще на порядок ближе к 1. Это очень быстрый эффект. Поэтому без очень тщательной подстройки, большинство любых инфляционных моделей приведут Ω так близко к 1, что сегодня мы видим ее как 1.

Раньше казалось, что это не так. До 1998 года астрономы были уверены, что Ω была всего 0.2 или 0.3, в то время как инфляция имела довольно четкое предсказание, что Ω должна быть 1. Лично мне это доставляло довольно большое неудобство. Всякий раз, когда я обедал с астрономами, они говорили о том, что инфляция красивая теория, но она не может быть правильной, потому что Ω равна 0.2, а инфляция предсказывает Ω равной 1. И это просто несоответствие.

Все изменилось в 1998 году. Теперь наиболее точное число для Ω, которое у нас есть, полученное от спутника «Планк» вместе с некоторыми другими измерениями, составляет 1.0010, ± 0.0065. 0.0065 — это важная вещь. Число очень, очень близко к 1, и погрешность больше, чем эта разница. Таким образом, сегодня мы знаем, что с точностью 0.5% или, может быть 1%, Ω равна 1, что и предсказывает инфляция.

Новый компонент, который сделал все это возможным, который изменил измеренное значение омеги с 0.2 до 1, является новым компонентом энергетического баланса Вселенной, открытием того, что мы называем темной энергией. Мы много узнаем о темной энергии в течение курса. Открытие в 1998 году состояло в том, что расширение Вселенной не замедляется под влиянием гравитации, как ожидалось до этого времени, а вместо этого расширение Вселенной в действительности ускоряется.

Это ускорение должно из-за чего-то происходить. То, что вызывает это ускорение, называется темной энергией. Даже несмотря на то, что существуют значительные пробелы в знании о темной энергии, мы все равно можем вычислить, сколько ее должно быть, чтобы создать ускорение, которое мы наблюдаем. И когда все это складывается вместе, мы получаем число, которое намного лучше согласуется с инфляцией, чем предыдущее.

СТУДЕНТ: Была ли ускоряющаяся Вселенная неизвестным в то время фактором, из-за которого неверно считали, что Ω была 0.2 или 0.3?

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Да, это так. Это было полностью из-за того, что не было известно об ускорении в то время. На самом деле точно измерили видимое вещество. Это дало только 0.2 или 0.3. А этот новый компонент, темная энергия, о которой мы знаем только из-за ускорения, вносит нужную разницу.

СТУДЕНТ: эти данные, которые делают Ω равной 0.2 или 0.3, на самом деле просто компонент Вселенной, который мы видим через телескопы?

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: верно. Включая темную материю. На самом деле мы не все видим. Не вдаваясь в подробности сейчас, мы обсудим их позже в курсе, есть нечто, называемое темной материей, которое отличается от темной энергии. Несмотря на то, что материя и энергия в сущности одно и тоже, в нашем случае они различны. Темная материя — это материя, вывод о существовании которой мы делаем из-за ее влияния на другую материю. Глядя, например, на скорость вращения галактик можно вычислить, сколько вещества должно быть внутри этих галактик, чтобы орбиты были стабильными. Оказывается, вещества нужно гораздо больше, чем мы видим на самом деле. Эта невидимая материя называется темной материей, и она дает вклад 0.2 или 0.3. Видимая материя составляет всего около 0.04.

Следующий пункт, о котором я хочу поговорить, — это неоднородность вселенной на малых масштабах. На самых больших масштабах вселенная невероятно однородна – с точностью до одной стотысячной, но в меньших масштабах вселенная сегодня крайне неоднородна. Земля — это большой сгусток в распределении плотности массы вселенной. Земля примерно в 10³⁰ степени раз плотнее, чем средняя плотность вещества во Вселенной. Это невероятно плотный сгусток. Вопрос в том, как образовались эти сгустки? Откуда они взялись?

Мы уверены, что эти сгустки развились из очень незначительных возмущений, которые мы видим в ранней вселенной, наиболее четко видимые через космическое фоновое излучение. Плотность массы в ранней вселенной, по нашему мнению, была однородной с точностью примерно до одной стотысячной. Но на уровне одной стотысячной мы видим, что в космическом фоновом излучении существуют неоднородности.

Такие объекты, как Земля, сформировались, потому что эти небольшие неоднородности в плотности массы гравитационно неустойчивы. В местах, где есть небольшое превышение плотности вещества, это превышение плотности создает гравитационное поле, притягивающее еще больше вещества в эти области, которое, в свою очередь, производит еще более сильное гравитационное поле, притягивающее еще больше вещества. Система нестабильна, она образует сложные сгустки, которые мы видим, такие как галактики, звезды, планеты и так далее.

Это сложный процесс. Но все начинается с этих очень слабых неоднородностей, которые, как мы считаем, существовали вскоре после Большого Взрыва. Мы видим эти неоднородности в космическом фоновом излучении. Их измерение многе говорит нам о условиях в которых существовала тогда вселенная и позволяет нам строить теории, объясняющие, каким образом получилась такая вселенная. Именно для измерения этих неоднородностей с очень высокой точностью созданы спутники, такие как COBE, WMAP и «Планк».


Инфляция отвечает на вопрос, откуда появились неоднородности. В обычной теории Большого Взрыва не было никакого объяснения. Просто предполагалось, что неоднородности там были и добавили их искусственно, но не было никакой теории откуда они могли взяться. В инфляционных моделях, где все вещество создается инфляцией, неоднородности также контролируются этой инфляцией и появляются из-за квантовых эффектов.

Трудно поверить, что квантовые эффекты могут быть важны для крупномасштабной структуры вселенной. Галактика Андромеды не выглядит как будто это квантовое колебание. Но если рассмотреть эту теорию количественно, она действительно работает очень хорошо. Теория заключается в том, что колебания, которые мы видим в космическом фоновом излучении, действительно были чисто следствием квантовой теории, в основном принципа неопределенности, который гласит, что невозможно иметь что-то совершенно однородное. Это не соответствует принципу неопределенности.

Когда мы используем основные идеи квантовой механики, мы можем вычислить свойства этих колебаний. Для этого нам нужно больше знать о физике очень высоких энергии, физике, которая была актуальна в период инфляции, чтобы иметь возможность предсказать амплитуду этих колебаний. Мы не можем предсказать амплитуду. В принципе, инфляция позволила бы сделать это, если бы мы знали достаточно о лежащей в основе этого физике частиц, но мы знаем о ней слишком мало. Поэтому на практике мы не можем предсказать амплитуду.

Однако инфляционные модели дают очень четкое предсказание спектра таких колебаний. Под этим я подразумеваю изменение интенсивности колебаний в зависимости от длины волны. Спектр здесь означает то же самое, что и для звука, за исключением того, что нужно рассматривать длину волны, а не частоту, потому что эти волны на самом деле не колеблются. Но они имеют длины волн точно так же, как звуковые волны, и, если говорить об интенсивности разных длин волн, идея спектра действительно такая же, как в звуке.



Его можно измерить. Это не совсем последние измерения, это последние измерения, для которых у меня есть график. Красная линия-теоретическое предсказание. Черные точки – реальные измерения. Это семилетние данные WMAP. Трудно передать насколько я был счастлив, увидев эту кривую.



У меня также есть графики того, что предсказывают другие теории. Какое-то время, например, люди очень серьезно относились к мысли о том, что неоднородности, которые мы видим во Вселенной, эти колебания, возможно, были вызваны случайным образованием так называемых космических струн, которые формировались в фазовых переходах в ранней Вселенной. Это, безусловно, была жизнеспособная идея в свое время, но как только измерили эта кривую, оказалось, что предсказание космических струн выглядели совсем не похоже. С тех пор они были исключены в качестве источника флуктуаций плотности во Вселенной. Здесь также показаны различные другие модели. Я не буду тратить на них время, потому что есть другие вещи, о которых я хочу поговорить.


В любом случае, это несомненный успех. А это последние данные. Это данные спутника «Планк», который был запущен в марте прошлого года. У меня нет его на графике в том же масштабе, но вы опять видите теоретическую кривую, основанную на инфляции и точки, которые показывают данные с маленькими крошечными черточками ошибок. Абсолютно четкое соответствие.

СТУДЕНТ: что случилось с теорией инфляции после того, как открыли темную энергию? Она значительно изменилась?

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: изменилась ли теория?

СТУДЕНТ: на предыдущем графике была другая кривая.

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: что касается инфляции без темной энергии. Я думаю, что не столько теория инфляции различна для этих двух кривых, сколько кривая, которую вы видите сегодня, является результатом инфляции и произошедшей с тех пор эволюции. И именно эволюция, которая произошла с тех пор, делает большую разницу между этими кривыми.

Таким образом, теория инфляции не должна была сильно измениться. И она действительно не менялась. Но, конечно, кривая выглядит намного лучше после того, как была обнаружена темная энергия, потому что стала известна правильная плотность массы, и постепенно мы получили все больше и больше данных об этих колебаниях, которые прекрасно вписываются в то, что прогнозирует инфляция.


Теперь я хочу перейти к идее мультивселенной. Я постараюсь быстро пробежаться по ней, чтобы мы успели закончить. Мы все равно не будем пытаться сейчас понять все детали, поэтому я расскажу о некоторых из них за оставшиеся 10 минут лекции. Я хочу рассказать немного о том, как инфляция приводит к идее мультивселенной. Мы вернемся к этому в самом конце курса, и это, безусловно, захватывающий, аспект инфляции.

Гравитационно отталкивающий материал, который создает инфляцию является метастабильным, как мы уже говорили. Он распадается. Это означает, что если вы находитесь в месте, где происходит инфляция, и зададитесь вопросом, какова вероятность того, что она будет происходить немного позже, эта вероятность уменьшается экспоненциально — падает в два раза за каждое удвоение, каждый период полураспада. Но в то же время, объем любой области, которая раздувается, также растет экспоненциально, растет из-за инфляции. На самом деле, в любой разумной инфляционной модели темпы роста значительно быстрее, чем темпы распада. Если посмотреть на область, которая раздувается, если подождать период полураспада, половина объема этой области больше не будет раздуваться, по определению периода полураспада. Но оставшаяся половина будет значительно больше того объема, с которого мы начали. В этом все дело.

Это очень необычная ситуация, потому что у нее, по всей видимости, нет конца. Область, которая раздувается, становится все больше и больше, даже когда она распадается, потому что расширение происходит быстрее, чем распад. Это приводит к такому явлению, как вечная инфляция. Размер раздувающейся области увеличивается со временем, несмотря на то, что раздувающаяся материя распадается. Это приводит к тому, что мы называем вечной инфляцией. Вечная здесь означает вечная в будущем, насколько мы можем судить, но не вечная в прошлом. Инфляция начинается в какое-то конечное время, но затем, как только она началась, она будет продолжаться вечно.

Всякий раз, когда часть этой раздувающейся области проходит фазовый переход и становится нормальной, это локально выглядит как Большой Взрыв. Наш Большой Взрыв является одним из таких локальных событий, а вселенная, образованная любым из этих локальных событий, где распадается расширяющаяся область называется карманной вселенной. Карманная просто потому, что есть много таких вселенных в масштабе этой мультивселенной. Они в каком-то смысле маленькие, хотя они такого же размера, как вселенная, в которой мы живем. И наша вселенная — одна из таких карманных вселенных.

Таким образом, вместо одной Вселенной инфляция производит бесконечное их число. Это то, что мы называем мультивселенной. Стоит заметить, что слово мультивселенная также используется в других контекстах и других теориях, но инфляция, как мне кажется, является наиболее правдоподобным способом построения мультивселенной. Это то, что имеют ввиду большинство космологов, когда говорят о мультивселенной.


Каково же здесь место темной энергии? Она играет очень важную роль. В 1998 году две группы астрономов независимо друг от друга обнаружили, что вселенная сейчас расширяется с ускорением. Теперь мы знаем, что вселенная расширялась ускоренно в течение последних пяти миллиардов лет из 14 миллиардов лет истории вселенной. Был период, когда расширение замедлялось вплоть до пяти миллиардов лет назад. Следствием этого является то, что инфляция в действительности происходит сегодня. Это ускоренное расширение вселенной, которое мы видим, очень похоже на инфляцию, и мы действительно интерпретируем его как аналогичный вид физики. Мы считаем, что оно вызвано неким видом отрицательного давления, так же как инфляция была вызвана отрицательным давлением.

Эту материю, которая, по-видимому, заполняет пространство и имеет отрицательное давление, мы называем темной энергией. Темная энергия — это просто по определению нечто, что бы это ни было, что вызывает это ускорение. Можно спросить, чем является темная энергия на самом деле? Самый верный ответ на это – никому не известно. Однако есть и самый правдоподобный кандидат. Наиболее вероятный кандидат, и другие кандидаты не сильно от него отличаются, просто заключается в том, что темная энергия — это энергия вакуума. Энергия пустоты. Может быть удивительно, что пустота может иметь энергию. Но я об этом расскажу, и это не так уж и удивительно.

Но если темная энергия — это просто энергия вакуума, это полностью соответствует всему, что мы знаем о характере расширения вселенной, что мы можем измерить.

СТУДЕНТ: почему только в последние пять миллиардов лет вселенная начала расширяться ускоренно?

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: теперь я могу объяснить это. Теперь, когда я сказал, что, вероятно, существует энергия вакуума, я могу дать вам ответ. Ответ заключается в том, что энергия вакуума не меняется со временем, потому что это просто энергия вакуума. Это то же самое, что я говорил о плотности энергии во время инфляции. Это просто константа. В то же время, обычная материя становится более разряженной по мере расширения вселенной, уменьшая свою плотность пропорционально кубу размера вселенной.

Получилось так, что ранее примерно последних пяти миллиардов лет во вселенной доминировала обычная материя, которая создавала притягивающую гравитацию и заставляла вселенную замедляться. Но затем, около пяти миллиардов лет назад, вещество во вселенной стало разряженным настолько, что обычная материя перестала доминировать над энергией вакуума, и энергия вакуума начала вызывать ускорение. Энергия вакуума была все время, вызывая отталкивание, но над ней доминировала притягивающая гравитациия обычного вещества вплоть до последних пяти миллиардов лет.


Теперь я хочу поговорить, почему в пустоте может что-то быть? Почему пустота может иметь энергию? Ответ на самом деле достаточно ясен физикам сегодня. Квантовый вакуум, в отличие от классического вакуума, является очень сложным состоянием. Он совсем не пустой. Это в действительности сложный набор вакуумных колебаний. Мы думаем, что даже есть поле, называемое полем Хиггса, о котором вы, вероятно, слышали, которое в среднем имеет ненулевое значение в вакууме. Такие вещи, как электромагнитное поле, постоянно колеблется в вакууме из-за принципа неопределенности, что приводит к наличию плотности энергии в этих флуктуациях.

Так что, насколько мы можем судить, нет причин, чтобы энергия вакуума была равна нулю. Но это не значит, что мы понимаем чему равно его значение. Сегодня реальной проблемой с точки зрения фундаментальной физики является не выяснение того почему вакуум может иметь ненулевую плотность энергии. Проблема в том, чтобы понять, почему она такая маленькая. Почему это проблема? Квантовая теория поля, которую мы не будем изучать подробно, говорит, что, например, электромагнитное поле постоянно колеблется. Это происходит из-за принципа неопределенности. Эти колебания могут иметь любую длину волны. И каждая длина волны вносит вклад в плотность энергии флуктуаций вакуума.

При этом нет самой короткой длины волны. В ящике любого размера существует самая длинная длина волны, но нет самой короткой длины волны. Получается, что когда мы пытаемся вычислить плотность энергии вакуума в квантовой теории поля, она расходится со стороны коротких длин волн. Она становится буквально бесконечной, поскольку формальный расчет показывает, что все длины волн вносят свой вклад, а самой короткой длины волны не существует.

Что это значит в реальной физике? Мы считаем, что это не обязательно проблема с нашим пониманием квантовой теории поля. На самом деле, мы считаем, что это только ограничение диапазона, в котором верны наши предположения. Конечно, квантовая теория работает чрезвычайно хорошо, когда она тестируется в лабораторных условиях. Мы думаем, что на очень коротких длинах волн что-то должно ограничивать эту бесконечность. Хорошим кандидатом для того, чтобы ограничить бесконечность на коротких длинах волн, являются эффекты квантовой гравитации, которых мы не понимаем.

Таким образом, один из способов оценки истинной плотности энергии, предсказанной квантовой теорией поля — это ограничение длин волн на планковских масштабах, масштабе энергии, масштабе длины, связанных с квантовой гравитацией, это примерно 10^-33 сантиметров. Если сделать это, то можно вычислить величину плотности энергии электромагнитного поля вакуума и получить конечное число. Но оно слишком большое. Оно отличается не на какое-то малое число, а очень сильно. Оно больше на 120 порядков. Таким образом, мы не понимаем, почему энергия вакуума такова, какова она есть, поскольку наши простые оценки говорят, что она должна быть на 120 порядков больше.

Нужно сказать, что здесь все еще есть выход. Энергия, которую мы здесь рассчитали, является только одним из вкладов в общую энергию вакуума. Существуют также и отрицательные вклады. Если вычислить флуктуацию электронного поля, то его вклад в энергию окажется отрицательным. В принципе возможно, чтобы эти вклады точно или почти точно скомпенсировали друг друга, но мы не знаем, почему они должны это сделать. Таким образом, существует большой вопрос по поводу теоретического предсказания плотности энергии вакуума.


Теперь я хочу немного рассказать о ландшафте теории струн, который может стать возможным объяснением малости энергии вакуума. Это только возможное объяснение, здесь все очень умозрительно. Но одно возможное объяснение этой очень маленькой энергии вакуума, которую мы наблюдаем, объединяет в себе идею вечной инфляции и теорию струн. Оно основано на идее, что теория струн не имеет уникального вакуума. В течение многих лет теоретики безуспешно пытались найти вакуум в теории струн. Они просто не могли понять, как в теории струн должен выглядеть вакуум.

А потом, чуть более 10 лет назад, многие теоретики струн начали объединяться вокруг идеи, что, может быть, они не смогли найти вакуум, потому что для теории струн нет уникального вакуума. Вместо этого, теперь они утверждают, что существует огромное число, они рассматривают такие числа как 10⁵⁰⁰, колоссальное число метастабильных состояний, которые долго живут, любое из которых может выглядеть вакуумом в течение длительного периода времени, даже если в конечном счете он может распадаться или перейти в одно из других метастабильных состояний. Это называется ландшафтом теории струн. Этот огромный набор вакуумных состояний, любой из которых может быть вакуумом, который, например, заполняет какую-то карманную вселенную.

Если объединить это с идеей вечной инфляции, то можно прийти к выводу, что во время вечной инфляции, скорее всего, возникнут все эти 10⁵⁰⁰ или более видов вакуума. То есть разные карманные вселенные внутри себя будут иметь различные виды вакуума, создаваемые случайным образом. Тогда у нас получится мультивселенная, которая будет состоять из многих, до 10⁵⁰⁰ степени или более различных видов вакуумов в разных карманных вселенных.

При таком предположении, теория струн является предполагаемым законом физики, который управляет всем. Но если бы вы жили в одной из этих карманных вселенных, вы бы на самом деле видели законы физики, которые сильно отличались от законов в других карманных вселенных. Дело в том, что физика, которую мы фактически видим и измеряем — это физика низких энергий по сравнению с энергетическим масштабом теории струн. Мы видим лишь небольшие колебания в структуре вакуума, в котором мы живем.

Так что те частицы, которые мы видим – электроны и кварки, которые объединяются в протоны и нейтроны, могут быть характерны для нашей конкретной карманной вселенной. В других карманных вселенных могут быть совершенно другие виды частиц, которые являются колебаниями других видов вакуума. Так что, даже если законы физики будут везде одинаковыми — законами теории струн, на практике наблюдаемые законы физики могут сильно меняться от одной карманной вселенной к другой. В частности, из-за того, что в различных вселенных имеется различный вакуум, плотность энергии вакуума может быть разной в разных вселенных. И это дает возможный ответ на то, почему наблюдаемая энергия вакуума такая маленькая.

Об этом мы поговорим в следующий раз.