Мне ж представляется совсем простая штука:

Хотели кушать – и съели Кука!

В.С. Высоцкий. «Почему

аборигены съели Кука».

Инфляционная модель Вселенной – кос­мо­ло­гическая мо­дель,                      пред­по­ла­гаю­щая, что на са­мом ран­нем эта­пе эво­лю­ции Все­лен­ной, ко­гда её воз­раст со­став­лял от 10^–43 с до 10^–37 с, Все­лен­ная пре­тер­пе­ла ко­лос­саль­ное увеличение размера, «инфляционное расширение», ко­то­рое при­ве­ло к экс­по­нен­ци­аль­но­му рос­ту всех про­стран­ст­вен­ных мас­шта­бов. Собственно, период инфляцион­ного расширения есть первый период развития Вселенной, изучаемый космологами, до него находится «планковский период», о котором никто ничего не знает, в то время как период инфляции теоретически описан уже достаточно полно.

Факт инфляционного расширения Вселенной на самой ранней стадии ее существования вызывает в сети зачастую категорическое отрицание. Связано это, видимо, прежде всего с неприятием этого явления так называемым «здравым смыслом». Кроме того, необходимость инфляционной стадии выводится на основе весьма сложной квантово-механической теории. Причем, настолько сложной, что даже ее популярное изложение тоже оказывается затруднительным к пониманию.

Непрофессионалами очень часто высказывается мнение, что Вселенная существовала вечно – стационарная Вселенная, что гораздо ближе к «здравому смыслу». Однако наука под напором фактов и неопровержимых доводов давно отказалась от такой модели. Эта вечность невозможна – даже если просто включить элементарную логику. В самом деле, если считать активной жизнью Вселенной процессы, связанные с образованием и превращением звезд и других объектов, то следует признать, что часть их постоянно уходит из этой жизни. Часть звезд превращается в конце концов в «коричневые карлики» и тихо остывает. Да, некоторая часть из них снова испытывает слияния, столкновения, и снова вовлекается в «жизнь», но – часть все-таки уходит. Другая часть материи медленно, но верно поглощается «черными дырами», возврата из которых, как известно, нет. Если бы время существования Вселенной было бесконечным, то эти процессы были бы уже завершены, и Вселенная была бы совершенно иной, она была бы мертва. Доля ушедшей из эволюции материи, даже если она очень мала, за бесконечное время станет единицей. Да и вообще понятия вечность-бесконечность у физиков вызывают сомнения.

Цель данной статьи – попробовать рассказать об инфляции «на пальцах», так, как я ее понимаю, выбрав для этого ее простейшую модель.  Если чуточку вдуматься, космическая инфляция была неизбежной, ее причины и процесс совершенно прозрачны.

Для начала попробую так же «на пальцах» рассказать о теории инфляции, разработанной в основном Аланом Гутом, Андреем Линде, Алексеем Старобинским, Вячеславом Мухановым и другими. Дело в том, что, как говорит Алан Гут, «… теория Большого Взрыва ничего не говорит о том, что взорвалось, почему взорвалось, или что произошло до того, как взорвалось». Как известно, основной постулат теории Большого взрыва состоит в том, что Вселенная в начале своего существования находилась в состоянии космологической Сингулярности. Несмотря на то, что существует очень хорошее описание того, что произошло после, описание этой сингулярности и описание собственно взрыва в физике отсутствует. Причина этого заключается в том, что понятие Сингулярности включает в себя неопределенности, например, вида 0/0 и ∞/∞, там фактически нет пространства-времени. Стандартный язык физики – дифференциальные уравнения, не только не могут быть решены в таких условиях, но даже и записаны. Именно поэтому в стандартной («доинфляционной») модели Большого взрыва ничего не говорится о том, что было до 10^–43 сек.  

Суть модели инфляционной космологии в том, что изначально Вселенная не была бесконечно малой. Это очень важно, потому что убирает сингулярность, где не работают законы физики. Кроме того, она постулирует существование нескольких типов вакуума. Тот, который заполняет космос (его называют истинным вакуумом) — самый низкоэнергетичный. Кроме него существует несколько видов «ложного» вакуума, как минимум, электрослабый вакуум и вакуум Великого объединения. Электрослабый вакуум существует почти наверняка, вакуум Великого объединения – скорее всего. Плотность энергии электрослабого вакуума колоссальна – она составляет примерно 10²² кг/см³. Плотность же вакуума Великого объединения еще в 10⁴⁹ выше [6]. В рамках модели Гута считается, что это их энергия привела к началу инфляции и к появлению вселенной (фактически считается, что вместо Большого взрыва был период инфляции). Наконец, последним важным пунктом модели является введение в расчеты некоего скалярного поля, инфлатона, который и является источником энергии вакуума [6]. Скалярное поле – это такое поле, «напряженность» которого не имеет направления, например, температура.

Одной из важнейших предпосылок инфляции является факт, следующий из общей теории относительности, что причиной искривления пространства-времени, то есть гравитации, может быть не только энергия-масса, но и давление. Причем, это давление может иметь и отрицательный знак, тогда имеет место не притягивающая, а отталкивающая гравитация. В теории Алана Гута сгусток материи с отрицательным давлением возникает в ложном вакууме благодаря квантовой флуктуации. Из-за огромной энергетической плотности ложного вакуума возникает «раздувание» объема этой флуктуации, как пузыря, с квантовых размеров до размеров вполне макроскопических. Нестабильное вещество с отталкивающей гравитацией быстро распадается, а из энергии ложного вакуума образуется обычная материя. Из развития этой теории А.Д. Линде следует, что таких раздувающихся «пузырей» может быть в принципе произвольное количество, что означает наличие произвольного количества вселенных с различными свойствами их материи. Мы живем в той из них, которая соответствует антропному принципу. Вместо понятия «Universe» – Вселенная, стали употреблять понятие «multiverse» – мультивселенная. Вселенная, в которой мы живем, именуется «карманной», или локальной. Что творится в других вселенных – неизвестно. Если, например, в какой-то из них масса нейтрона меньше на 0.2%, то он уже не может быть стабильным даже в ядре, и все вещество там состоит их водорода.

На ранних стадиях развития Вселенной еще не успели образоваться частицы, ответственные за сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное взаимодействия, поэтому существовало единое поле. Но при некотором расширении из единого поля выделяется сильное взаимодействие, при этом вещество начинает обретать структуру. Алану Гуту удалось показать [3], что происходит что-то вроде фазового перехода в веществе – см. также [5]. Вселенная, имевшая размер протона, при этом скачкообразно, за 10^–37 сек, вырастает до размера апельсина, что гораздо быстрее обычного хаббловского расширения. Решением уравнений Фридмана удалось установить, что масштабный фактор (коэффициент расширения Вселенной) в это время описывается формулой:

где ρ – плотность материи, G – гравитационная постоянная. Экспоненциальная зависимость очень сильна из-за огромного значения плотности ρ.

Первоначальная теория Гута имела ряд «косяков», например, расходящиеся ряды, которые должны были давать конечные суммы. Инфляционную теорию сделали строгой теорией наши замечательные соотечественники – Андрей Дмитриевич Линде, Алексей Александрович Старобинский, Вячеслав Федорович Муханов и другие.

Таким образом, инфляционная модель, убирая одни предположения – а именно, космологическую Сингулярность, вводит другие предположения – инфлатонное скалярное поле. Достижение теории заключается в том, что при таком предположении удается построить теоретическую модель, результаты которой в высокой степени совпадают с фактическими данными.

Важным моментом является то, что Муханову (в первую очередь) и Старобинскому удалось рассчитать спектр реликтового излучения и предсказать, какие характерные особенности он должен иметь. Это позволило поставить вопрос об экспериментальной проверке высказанных идей. Первое подтверждение этих предсказаний астрономы получили в 1992 году в эксперименте COBE, более точное – в эксперименте WMAP, и еще более точное – Planck [2].

Мне же кажется (см. эпиграф), что концепция Сингулярности вполне логична. Ее недостаток заключается лишь в том, что в ней отсутствует причина взрыва. Правда, в инфляционной теории эта причина фактически тоже не названа, образование первичного сгустка объясняется квантовой флуктуацией.

Попробуем проиллюстрировать взрыв и инфляцию на наглядном примере. Когда-то, говоря о космологической Сингулярности, я писал [5], что ее крохотные размеры обусловлены тем, что вещество в ней находилось в состоянии, лишенном структуры – состоянии праматерии. Большой Взрыв тогда – это особый фазовый переход из состояния бесструктурной праматерии в материю структурированную – кварк-глюонную плазму. Как автора сей чудной мысли меня радует, что у Алана Гута – это тоже фазовый переход. Вдвоем с Аланом Гутом мы не можем быть неправы! Итак, в качестве иллюстрации этого процесса возьмем грубый, значительно меньшего масштаба, но более наглядный пример. Числовые данные далее я буду для простоты округлять.

Представим себе маленький шарик диаметром в 1см, в который плотно уложены протоны, в нашем примере это будет что-то вроде исходной сингулярности и материи в ней. Размер протона составляет 10^–16см, тогда вдоль диаметра их поместится 10¹⁶ штук, а всего в шарике их будет примерно 10⁴⁸ штук. Масса такого шарика будет около огромной: 10²¹кг, но дело не в этом. Пусть поверхность шарика обтянута сверхпрочной сверх-быстро-растягивающейся оболочкой, которую нельзя прорвать никакими мыслимыми и немыслимыми силами, это будет вроде как гиперповерхность пространства-времени. Такова наша модель Вселенной в состоянии Сингулярности.

Теперь представим себе фазовый переход, при котором протоны превращаются в бильярдные шары диаметром 5см, элементарные частицы материи, возникающей при Большом взрыве. Пусть время этого перехода равно 1сек. Тогда диаметр оболочки шарика-сингулярности, то есть, размер нашей вселенной, за это время вырастет до величины около 5×10¹⁶см=500 млрд км. Огромная сила возникшего «отрицательного давления» раздует наш шарик-пространство до гигантских размеров, сообщив возникшим шарам – элементарным частицам неправдоподобно высокую энергию – температуру. Вот вам и инфляция – если бы это было возможно, скорость расширения шарика-пространства была бы больше скорости света в полтора миллиона раз! В реальной Вселенной за время инфляции ее размер увеличивался со скоростью, значительно превышающей скорость света. Однако, никакого противоречия теории относительности здесь нет, так как с этой скоростью расширялось пространство-время, а не двигались объекты. 

Экспоненциальный, а не степенной рост скорости такой «инфляции» объясняется тем, что, во-первых, происходит быстрое увеличение объема шаров практически от нуля до конечной величины. А во-вторых, и это главное, процесс начинается от некоторой «затравки», затем в него вовлекаются все новые протоны в геометрической прогрессии. Пока идет процесс «образования материи», «пространство» будет расширяться экспоненциально, с ускорением, по его завершению образовавшиеся частицы, получившие огромную энергию, будут разлетаться по инерции, увеличивая объем пространства, а инфляция прекратится.

Такая упрощенная модель взрыва иллюстрирует так же изотропность возникшей Вселенной. Если бы взрыв произошел как взрыв бомбы в некоторой точке пустого пространства, картина Вселенной была бы совершенно иной. В этом случае Вселенная для любого наблюдателя имела бы некоторую выделенную точку в выделенном направлении – центр взрыва, то есть не была бы изотропной. В нашем примере с шарами никакого центра нет, расширение идет одинаково в любой точке, пространство образовывалось и расширялось вместе с материей. И действительно, тончайшие измерения, выполненные самыми современными приборами, например, спутником «Планк» показывают удивительно высокую степень изотропности Вселенной – Вселенная изотропна с точностью до 1/100 000!

Следует обратить внимание на то, что во время инфляции, то есть, во время рождения вещества, общая энергия системы не меняется. С одной стороны, образуется материя, и в соответствии с формулой E=mc² энергия должна бы возрастать, нарушая закон сохранения энергии. Но дело в том, что при образовании массы образуется гравитационное поле, которое и в ньютоновской, и в эйнштейновской теории имеет отрицательную энергию. Величина ее точно такая же, и эта энергия компенсирует энергию массы.

По завершению этого этапа, когда завершается образование элементарных частиц, появляются расстояния между этими частицами образовавшейся материи, плотность начинает уменьшаться, с дальнейшим увеличением объема температура вещества понижается. Только в этот момент, когда начинается движение частиц друг относительно друга, появляется смысл в понятии температуры, как физической величины. В самом деле, если <v> – это средняя скорость частиц массы m, то температура определяется через их среднюю кинетическую энергию из простого соотношения:

m<v>²/2 = 3/2 ∙ kT

где k – постоянная Больцмана. Из этой формулы ясно, что при отсутствии движения частиц средняя скорость <v> лишена смысла, а значит лишена смысла и температура. Поэтому у меня вызывает недоумение, когда говорят о температуре Вселенной в доинфляционную эпоху. То же можно сказать и о температуре внутри черной дыры, когда ничего не известно о материи в ней.

Выводы:

--1. Космологическая инфляция не является какой-то искусственно придуманной концепцией, это как раз вполне естественный этап развития Вселенной.

--2. Теория инфляции является квантово-механической теорией, описывающей развитие вселенной начиная с момента до Большого взрыва.

--3. Теория инфляции не заменяет теорию Большого взрыва, а дополняет ее.

--4. Устраняя предположение космологической Сингулярности, теория инфляции вводит новые предположения, позволяющие описать процесс математически, то есть, количественно.

--5. Качественно причиной инфляции можно считать увеличение объема вещества Вселенной в процессе образования этого вещества.

Некоторые из цитируемых источников:

1. Алан Гут. Конспект лекции «Ранняя вселенная 1. Инфляционная Космология».
2. Алексей Понятов. Квантовые эффекты в масштабе Вселенной. «Наука и жизнь», №8, 2020. «
3. «Элементы». Инфляционная стадия расширения Вселенной.
4. Большая Российская Энциклопедия. М.В.Сажин. Инфляционная модель Вселенной.
5. Мой блог. Космологическая сингулярность и материя. 2019, 3 июня.
6. Алекс Виленкин. Мир многих миров. Физики в поисках иных вселенных. М., Астрель, CORPUS, 2010, серия ЭЛЕМЕНТЫ.