Величезна інфляція з самого початку: космічна інфляція
Це гіпотеза, яка на перший погляд може здатися божевільною і суперечить уявленням про здоровий глузд. З іншого боку, вона дає відповіді на найважливіші питання космології та повністю змінила погляд на Всесвіт.
Багато неоднозначностей.
Завдяки безлічі експериментальних доказів теорія Великого вибуху стала невід'ємною частиною космології. Однак його нинішня форма відрізняється від першої концепції у кількох аспектах. Протягом десятиліть вчені виявили кілька явищ, які оригінальна модель не могла задовільно з’ясувати.
Напевно, найбільшою загадкою було загальне розташування матерії та сама геометрія космічного простору. Якби ми подивились на Всесвіт з великої відстані, то він би здався нам приблизно однаковим (однорідним, тобто однорідним та ізотропним) у всіх місцях і в усіх напрямках. Що стосується простору, він спостерігається майже повністю рівним. Але точна концепція теорії Великого Вибуху дала прямо протилежне. Галактики повинні скупчитися в гігантські утворення, а структура простору повинна нагадувати поверхню кулі. У той же час теорія передбачала утворення частинок, так би мовити, з нічого, але не пояснювала, як це могло статися. І кількість запитань без відповіді зростала.
. і одне рішення
Деякі спостереження, з якими вихідна концепція великої тріски не могла впоратися, були прояснені наявністю прихованої, т.зв. темна речовина і темна енергія. Решта була вирішена в 1980 році молодим космологом Аланом Гутом з гіпотезою космічної інфляції. Пізніше його редагував Андрій Лінде з Московського університету разом з американськими фізиками Полом Штайнхардтом та Андреасом Альбрехтом.
Інфляційна гіпотеза додала до теорії Великого Вибуху момент, коли Всесвіт надзвичайно збільшив свій обсяг за немислимо короткий час. Навіть сьогодні вчені не погоджуються з тим, наскільки він збільшився, але найбільш часто повідомляються розрахунки показують, що простір космосу міг бути завищений понад 10 30 разів. Відомий популяризатор науки фізик Брайан Грін навіть говорить про розширення до 10 100 разів. У всякому разі, тільки ці мінімальні значення перевищують темпи приросту космосу протягом наступних 13,7 млрд років! А щоб ще гірше було, весь процес зайняв неймовірно короткий час - близько 10-35 секунд. Отже, Всесвіт росла зі швидкістю, багаторазовою швидкості світла. 1
Поле інфляції?
Весь процес відбувся відразу після Великого вибуху, ймовірно, коли Всесвіт був "старим" 10-33 секунди.
Поки що існують лише припущення щодо причини інфляції. Деякі фізики вважають, що розширення було викликане бозонами Хіггса. Інші шукають пояснення в теорії струн або квантовій гравітації. Найвірогіднішим кандидатом є поле Хіггса. Його також називають полем інфлятону. Як і будь-який інший тип поля, це поле складалося з певних квантових частинок. Наприклад, електромагнітне поле, або навіть світло, утворює фотони. 2 У випадку інфляції це буде гіпотетична структура, яка називається інфляцією.
Виявляється, поле інфлятону повинно представляти властивість самого простору, т. Зв енергія вакууму. За своїми атрибутами він нагадує темну енергію, яка рухає космічне розширення навіть сьогодні, хоча і повільнішими темпами - але поле інфлятону було принаймні в 10 100 разів сильнішим.
Як роздувався Всесвіт
Але не лише питання інфляційного поля залишається без відповіді. Навіть сьогодні багато питань пов’язано з теорією інфляції. Звідки, наприклад, взялася енергія, здатна спричинити таке велике розширення простору, і чому її не було виділено рано чи пізно, а відразу після великого вибуху?
Алан Гут шукав пояснення в квантовій механіці, зокрема в квантовому тунелюванні. Це спонтанне проходження тіл через, здавалося б, нездоланний бар’єр. Але як і в усьому в квантовій механіці, неможливо визначити, коли починається процес, існує лише певна ймовірність. На щастя, це відбувається лише на атомному рівні. І Всесвіт не був більшим відразу після його створення. Тому було надзвичайно жарко, температури досягли величезних значень, близько 10 32 ° C.
Вся ця енергія містилася в полі інфлятону. Але в міру зростання простору він повільно охолоджувався, а його енергія також зменшувалась. Тому інфляційне поле повинно було перейти в нижчий енергетичний стан. (Одним з основних принципів у природі є те, що предмети завжди опускаються в положення з мінімально можливою енергією.) За словами Алана uthута, поле Хіггса не переходило в цей стан плавним переходом, як коли тіло, що світиться, охолоджується, а "тунельовані" в неї. Тож вона змінила температуру стрибками. Тоді ж була виділена енергія, яка започаткувала процес інфляції.
Але uthут справедливо припустив, що переправа не могла відбутися відразу. Прикладом є радіоактивний розпад, який також спричинений тунелюванням. (Частинки, що утворюють радіоактивне випромінювання, долають енергетичні бар'єри зв'язків усередині атомів. Втрата частинок робить даний атом ще одним ізотопом того самого або навіть іншого елемента.) Об'єкт, зроблений з радіоактивної речовини, не змінює весь об'єм на інший елемент, але лише певна частина. Так само розширення відбуватиметься окремо в різних місцях, внаслідок чого простір не збільшуватиметься рівномірно, а утворюватимуться якісь розширюються бульбашки. Теоретично їх можна об’єднати у більші одиниці, але утворений Всесвіт мав би значно різні регіони. Але спостереження показують прямо протилежне.
Новий сценарій
Проблему вирішив Андрей Лінде та самостійно Пол Штейнхардт разом з Андреасом Альбрехтом. У 1982 році вони представили т. Зв новий сценарій інфляції, згідно з яким інфляція, що рухає енергію, вивільнялася не квантовим тунелюванням, а поступово. В результаті простір розширився з однаковою швидкістю у всіх місцях, зробивши нинішній Всесвіт однорідним.
Однак збільшення площі призводить до зниження температури. Цього не було під час фази інфляції, яка мала вплив на поле Хіггса. Це поступово змінилося на кварк-глюонну плазму під час розширення фазового переходу, поки інфляція не припинилася протягом 10-32 секунд. (Фазовий перехід - це зміна одного термодинамічного стану в інший, відмінний від зміни стану твердого стану в рідкий або навпаки.). Таким чином, космічний простір був заповнений надзвичайно гарячою речовиною, що містить вільні кварки та ряд інших елементарних частинок. Однак через високу температуру вони не могли об’єднатися в більш складні конструкції. Утворення перших протонів і нейтронів відбулося приблизно на мільйонну частину секунди після Великого вибуху, коли Всесвіт охолодився до більш "прийнятних" 10 мільярдів градусів. Але найпростіші атоми не почали утворюватися, поки він не «постарів» протягом трьох хвилин.
Теорія Великого Вибуху також показує, що космос був хаотичним місцем із помітно кривим простором-часом до епохи інфляції. На той час речовина, що наповнювала Всесвіт, була немислимо гарячою і немислимо щільною. Вона гравітаційно деформувала своє оточення. Відповідно до спеціальної теорії відносності, структура простору-часу таким чином нагадувала вітрило, яке нахиляється, коли ми кладемо на нього тягар.
Пізніше, коли розширення інфляції суттєво «розбавило» масу, деформації простору-часу значною мірою були компенсовані. Але не повністю. На субатомному рівні спостерігаються незначні квантові коливання. А на субатомному рівні знаходився цілий Всесвіт того часу. Інфляція роздула ці коливання у Всесвіті до мегавимірів. Результатом стали зародки пізнішої структури космосу. Місця більшої масової концентрації, де все більше частинок накопичувалося протягом наступного періоду, утворювали перші галактики за мільярди років.
Недоліки проти доказів
Більшість фізиків сьогодні приймають космічну інфляцію. Незважаючи на безліч рішень, які пропонує ця космологічна модель, не можна забувати, що вона не повністю підтверджена. Поточних фізичних рівнянь просто недостатньо для опису екстремальних умов, що склалися відразу після Великого вибуху. Тому не всі прийняли цю концепцію. Фізик Роджер Пенроуз став великим противником, згідно з яким подібний процес вимагає дуже точної настройки початкових умов. Навіть Пол Стейнхардт, один із творців теорії, визнає, що Всесвіт теоретично міг досягти свого поточного стану без інфляції.
В даний час також досліджується можливість інфляції від випадкових початкових умов та на інших етапах освоєння космосу. Також розглядається якась вічна інфляція, яка локально припиняється з появою інфляційного багатосвіту.
Але як би дивно на перший погляд не здавалася теорія інфляції, є безліч доказів на її користь. Ймовірно, найважливіша знахідка була зроблена зондом WMAP, а згодом і Планком. Обидва досліджували космічний мікрохвильовий фон. Це випромінювання періоду 380 000 років після Великого вибуху. Виявлення зображень підтвердив прогнози, що випливають з гіпотези про інфляцію - Зображення чітко показують, що у Всесвіті була приблизно однакова температура у всіх місцях. У той же час, відповідно до теорії інфляції, він містив дещо тепліші райони більшої щільності, з яких з часом утворилися галактики.
Примітки
1. Гіпотеза не порушує правило швидкості світла - 300 000 км/с як максимально допустиме значення. Наведене число стосується лише руху частинок всередині простору, але не і самого збільшення простору, яке не відбувається за рахунок будь-якої сутності.
2. Краще сказати, експерименти та квантова теорія показують, що електромагнітне поле має розривну структуру, утворену певними енергетичними пакетами, які в даному випадку є фотонами.
Ресурси та Інтернет-посилання для подальшого читання з цієї теми
Брайан Грін - Структура Всесвіту (час, простір та природа реальності), Пасека (2012)
Пол Дж. Штайнхардт і Ніл Турок - Без початку і кінця (Нова історія Всесвіту), Пасека (2009)