От космической инфляции к мультивселенной
Два месяца назад русский ученый Алексей Старобинский стал лауреатом респектабельной премии Кавли за «новаторскую теорию космической инфляции». Воображаем вам интервью академика Старобинского, которое было размещено в издании Naked Science . В нем доктор наук поведал о том, как появилась Вселенная и в то время, когда она погибнет, откуда показались звезды и атомы, и для чего нужна чёрная энергия.
Алексей Старобинский
©Михаэль Иванов-Шувалов
Из-за чего на громадных масштабах Вселенная однородна – совсем однообразна, куда бы мы ни взглянули? И откуда в ней, все-таки, берутся локальные неоднородности, к примеру, галактики, звезды, планеты и мы с вами?..
Занимаясь этими увлекательными вопросами, российские физики Вячеслав Муханов и Алексей Старобинский взяли сравнительно не так давно самую респектабельную приз в области космологии – Премию Грубера – и по 500 тысяч долларов финансового приза. О сути новых теорий мы побеседовали с одним из их создателей, академиком Алексеем Старобинским.
– Алексей Александрович, хотелось бы начать с самого начала. Что изучает космология, и как развивались ее теории?
– Космология – это наука обо всей окружающей нас части материального мира, обо всем, что можем видеть мы, и смогут разглядеть отечественные далекие потомки. Любой объект возможно изучать или таким, каков он на данный момент, или наблюдать на то, каково его прошлое, из чего он появился.
Соответственно, в космологии имеется область, которая изучает современную Вселенную, в ней возможно выделить такие занимательные современные темы, как тёмная энергия и тёмная материя. Но то, за что мы стали лауреатами премии – это вторая область, это история Вселенной.
В этом направлении за последние 35 лет наблюдался громадной прогресс. В случае если обрисовывать все достаточно грубо, в больших временных отрезках, то раньше считалось, что этих эр в истории Вселенной было два, а на данный момент их предполагается уже четыре.
Все это время Вселенная расширялась. Причем на двух этапах, о которых говорили раньше, расширение неспешно замедлялось – так происходит с автомобилем, у которого заглушили мотор.
Но сейчас в данной картине показались новые эры, на протяжении которых расширение происходит с ускорением. Это – инфляционная эра, существование которой мы в некоем смысле доказали, и последняя эра, в которой мы на данный момент живем.
И тогда, и по сей день Вселенная расширяется все стремительнее и стремительнее.
Что необходимо, дабы Вселенная расширялась ускоренно? Так как, как мы знаем, простая гравитация притягивает, и она обязана замедлять расширение. Дабы придать ускорение, во Вселенной должно находиться что-то, противодействующее гравитации.
Это что-то владеет отрицательным давлением и действует во всех направлениях – эта концепция стала называться «чёрной энергии».
Соответственно, и в инфляционную эру должно было иметься что-то с отрицательным давлением. Что-то похожее на нынешнюю чёрную энергию.
Но в то время плотность энергии во Вселенной была на большое количество порядков больше, чем сейчас, и та «чёрная энергия» должна была быть нестабильной и распадаться. Распадалась она на простые, привычные для нас частицы, а также протоны, электроны и нейтроны.
Алексей Старобинский
©Flickr/Gareth Marlow
Итак, первичная чёрная энергия создавала ускоренное расширение, которое мы назвали инфляционной стадией. В ходе ее распада во Вселенной показалась антиматерия и материя. Тогда ее заполняла ультрагорячая плазма, температура которой неспешно падала.
На данной стадии начался ядерный синтез с образованием первых элементов – водорода и гелия. Все более сложные элементы появились совсем сравнительно не так давно, по окончании вспышек первых звезд и сверхновых.
Наконец, начинается третья стадия – Эра вещества. Это вещество в квантовом пространстве, которое описывается ньютоновской механикой.
Наряду с этим, то вещество, с которым мы привыкли иметь дело, есть только пятой частью всего, что существует. Имеется, скажем, чёрная материя.
Ничего ужасного и «чёрного» в данной чёрной материи нет – легко свет через нее проходит вольно, и она сама свет не испускает. Более совершенно верно ее возможно было бы именовать прозрачной, либо невидимой материей.
на данный момент происходит переход на очередную стадию, что начался приблизительно пять миллиардов лет назад. На этом этапе во Вселенной начинает господствовать чёрная энергия.
До тех пор пока что она еще не стала «совсем основной», ее приблизительно 70% от общей массы. Кстати, из оставшихся 30% только 5% приходится на простую материю, а 25% – это частицы той самой чёрной материи, каковые еще не найдены в опытах.
Мы стали лауреатами премии за подтверждение существования той далекой начальной стадии инфляции. Но по большому счету, догадки о том, что эта стадия была, существовали и раньше.
Это как в археологии: перед тем, как были раскопаны многие свидетельства древних эр, были только упоминания в легендах и мифах. Так было и в космологии.
– Как же удалось перевоплотить эту догадку в теорию, которая подтверждается наблюдениями?
– В случае если и дальше направляться археологическим аналогиям, то возможно заявить, что первые черепки были раскопаны 20 лет назад, на протяжении опыта COBE (американский спутник для изучения реликтового фона Вселенной – NS). на данный момент же мы, уже в рамках устоявшейся теории, предсказали, что на черепках должны быть надписи и специфические украшения. И сравнительно не так давно, на протяжении работы спутника Planck, результаты которой были опубликованы практически пара месяцев назад, мы их вправду нашли.
Карта анизотропии реликтового излучения согласно данным COBE
©NASA, DMR, COBE Project
Какие конкретно же артефакты остались от сверхранних этапов существования Вселенной? Это – остаток той эры, в то время, когда в ней господствовало излучение, и еще не случился ядерный синтез – это было реликтовое излучение с температурой приблизительно 2,7 К.
В первом приближении отечественная Вселенная однородна и изотропна, ее физические особенности не зависят от направления. И расширяется она во все стороны одинаково, и температура реликтового излучения во всех направлениях одинаковая.
Но во втором приближении данный фон сохраняет кое-какие неоднородности, скачки в пределах десятитысячных долей Кельвина, каковые являются «черепками» – свидетельствами первичных неоднородностей самой далекой эры.
Но такие неоднородности появляются не только в излучении, они заметны и в распределении вещества. Вместе с расширением Вселенной они начинают расти, и в итоге образуются все компактные объекты во Вселенной – галактики, звезды, планеты… и, в конечном итоге, образуемся мы.
Первая эра существования Вселенной, по сути, задает условия для всей ее предстоящей эволюции. Она практически максимально симметрична – это был аналог трехмерного гиперболоида, лишь в четырехмерном пространстве-времени.
Частиц еще не было, и симметричность нарушалась только квантовыми флуктуациями вакуума. Вопрос в том, имели возможность ли эти малые неоднородности, в конечном счете, породить всю современную структуру Вселенной?
В «ветхой» космологии этих флуктуаций было через чур мало.
Скачок случился с моей работой во второй половине 70-ых годов двадцатого века. Мне удалось объединить две догадки, любая из которых рассматривалась по отдельности и раньше.
Первая предполагала, что вся современная структура происходит из этих минимально вероятных флуктуаций вакуума, а вторая – что Вселенная пережила стадию экспоненциального расширения, инфляцию.
Оказалось, что в случае если эти две догадки объединить, то естественным образом оказывается, что квантовых флуктуаций выясняется в разы больше, причем как раз столько, сколько нужно, дабы появилась вся нынешняя структура Вселенной.
Дабы доказать существование инфляционной стадии, необходимо было выстроить для нее внутренне согласованную, последовательную теорию. Нужна была непротиворечивая математическая модель первичной чёрной энергии.
Позже необходимо было обеспечить, дабы первичная чёрная энергия верным образом распадалась на знакомые нам частицы. После этого – вычислить и сделать предсказания о том, какие конкретно результаты будут появляться из излучения и распределения начальной неоднородности вещества.
В первой половине 80-ых годов XX века, развивая мою работу, Чибисов и Муханов выстроили модель для таких расчетов.
В конечном итоге, отечественные выкладки были обоснованы в опыте COBE. Дабы проверить эти отечественные предсказания, потребовался прибор, сверхчувствительный приемник радиоволн (потому, что протяженность волны реликтового излучения соответствует как раз радиодиапазону, от миллиметров до сантиметров).
Эту работу и проделал Planck.
Трехмерная карта части Вселенной, показывающая распределение чёрного вещества
©NASA, ESA and R. Massey (California Institute of Technology)
– Что же будет с нашим миром дальше?
– Не верьте тем, кто говорит, что Вселенная будет всегда расширяться ускоренно: этого мы не знаем. Напротив, конечно думать, что нынешняя чёрная энергия неустойчива, и она опять будет распадаться.
На что конкретно она распадается – сообщить до тех пор пока запрещено, потому, что не отыскано никаких конкретных каналов ее распада, но возможно заявить, что данный процесс не будет превалировать в течение еще продолжительного срока, многократно превышающего сегодняшний возраст Вселенной.
В противном случае говоря, в ближайшие 50-100 миллиардов лет с отечественной Вселенной ничего не произойдёт. Но сделать предсказания на более далекий период запрещено, потому, что мы не располагаем данными о вероятных дорогах распада чёрной энергии.
Сегодняшняя космология занята изучением Вселенной, но говорит уже о том, что она есть только частью мультивселенной: вероятнее, имеется некие другие вселенные, которых мы не видим, и видеть не можем. Вследствие этого, кое-какие в принципе отказываются обсуждать догадку мультивселенной.
Но с тем же успехом мы не можем видеть ничего, что происходит в черных дыр, за горизонтом событий, но это не мешает нам стараться осознать то, что в том месте происходит.
Источник: naked-science.ru
Теория космической инфляции
