Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности



страница18/34
Дата04.05.2018
Размер9.31 Mb.
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   34

Открытие инфляционной схемы запустило новую эру в космологических исследованиях, и за прошедшее десятилетие были написаны многие тысячи статей по этой теме. Ученые рассмотрели буквально каждый уголок и щель в теории, которую вы, вероятно, уже можете представить. В то время как многие из этих работ фокусировались на деталях технического характера, другие шли дальше и показывали, как инфляция не только решает специфические космологические проблемы, недостижимые для стандартной модели Большого взрыва, но также обеспечивает мощные новые подходы к большому числу старых вопросов. Среди них имеются три разработки, – связанные с формированием компактных структур, вроде галактик; количеством энергии, требующимся для рождения вселенной, которую мы видим; и (что имеет первоочередную важность для нашей истории) происхождением стрелы времени, – на которых инфляция привела к значительному и, как говорят многие, впечатляющему прогрессу.

Давайте посмотрим.

Квантовое небесное письмо

Решение проблем горизонта и плоскостности, предложенное инфляционной космологией, было ее первым притязанием на славу, причем справедливым. Как мы видели, это было значительным успехом. Но за прошедшие с тех пор годы многие физики пришли к уверенности, что и другие достижения инфляционной теории разделили высшую позицию в списке самых важных вкладов в теорию.

Достойное похвалы достижение имеет отношение к проблеме, о которой до сего момента я не призывал вас задуматься: Как получается, что во вселенной есть галактики, звезды, планеты и другие массивные тела? В последних трех главах я просил вас сосредоточиться на астрономически больших масштабах – масштабах, на которых вселенная выглядит однородной, масштабах настолько больших, что целые галактики могли бы мыслиться как отдельные молекулы Н2О, в то время как сама вселенная является полным однородным стаканом воды. Но рано или поздно космология сталкивается с фактом, что когда вы изучаете космос на "более мелких" масштабах, вы открываете массивные структуры, такие как галактики. И здесь еще раз мы сталкиваемся лицом к лицу с загадкой.

Если вселенная на самом деле гладкая, однородная и одинаковая на больших масштабах – свойство, которое подтверждается наблюдением и которое лежит в сердце всего космологического анализа, – то откуда взялась мелкомасштабная комковатость? Непоколебимый адепт стандартной космологии Большого взрыва может еще раз отбросить этот вопрос, ссылаясь на в высшей степени благоприятные и непостижимо тонко настроенные условия в ранней вселенной: "Возле самого начала," – как мог бы сказать этот верующий, – "вещи были в общем и целом гладкими и однородными, но не совершеннооднородными. Как условия сложились таким образом, я сказать не могу. Просто так тогда было. Со временем эти мелкие комковатости росли, поскольку комок имеет более значительное гравитационное притяжение, становясь плотнее, чем их окружение, и, следовательно, захватывая большую часть находящегося рядом материала, становились все больше. В конечном счете комки стали достаточно большими, чтобы сформировать звезды и галактики". Это была бы убедительная история, если бы не имелось два недостатка: полное отсутствие объяснения как полной начальной гомогенности, так и этих важных мелких неоднородностей. В этом моменте инфляционная космология обеспечивает радующий прогресс. Мы уже видели, что инфляция предлагает объяснение крупномасштабной однородности и, как мы сейчас узнаем, объяснительная мощь теории идет еще дальше. Замечательно, что в соответствии с инфляционной космологией начальная неоднородность, которая в конечном счете привела к формированию звезд и галактик, возникает из квантовой механики.

Эта внушительная идея возникает из взаимодействия между двумя кажущимися несопоставимыми областями физики: инфляционным расширением пространства и квантовым принципом неопределенности. Принцип неопределенности говорит нам, что всегда имеются компромиссы в том, насколько точно могут быть определены различные соответственные физические свойства в космосе. Наиболее привычный пример (см. Главу 4) заключается в следующем: чем более точно определено положение частицы, тем менее точно может быть определена ее скорость. Но принцип неопределенности также применим и к полям. По сути по тем же причинам, которые мы использовали в его применении к частицам, принцип неопределенности предполагает, что чем более точно определена величина поля в данном месте в пространстве, тем менее точно может быть определен темп изменения поля в этом месте. (Положение частицы и темп изменения ее положения – ее скорость – играют в квантовой механике роль, аналогичную величине поля и темпу изменения величины поля в данном месте в пространстве).

Я хочу обобщить принцип неопределенности, сказав, что, грубо говоря, квантовая механика делает вещи дрожащими и турбулентными. Если скорость частицы не может быть описана с абсолютной точностью, мы также не можем описать, где частица будет располагаться даже через долю секунды, поскольку скорость сейчас определяет положение потом. В известном смысле частица свободна иметь ту или эту скорость или, более точно, принять смесь многих скоростей, а потому она неистово скачет, бессистемно двигаясь по тому или иному пути. Для полей ситуация аналогичная. Если темп изменения поля не может быть определен с абсолютной точностью, тогда мы также не можем определить, какая величина поля будет в любом месте даже мгновением позже. В известном смысле поле колеблется вверх или вниз с той или иной скоростью или, более точно, оно принимает странную смесь многих различных темпов изменения, а потому его величина будет подвергаться бешеному, смазанному, хаотичному дрожанию.

В повседневной жизни мы напрямую не осведомлены о скачках как частиц, так и полей, поскольку они имеют место на субатомных масштабах. Но именно тут инфляция оказывает большое воздействие. Внезапный взрыв инфляционного расширения, растянул пространство на такой гигантский фактор, что то, что изначально относилось к микроскопическим размерам, вырастает до макроскопических. В качестве ключевого примера пионеры[1] инфляционной космологии обнаружили, что хаотические различия между квантовыми дрожаниями в данном месте пространства и в другом могли бы генерировать небольшие неоднородности в микроскопической реальности; вследствие беспорядочного квантового перемешивания количество энергии в одном месте могло бы на йоту отличаться от количества в другом. Тогда через последующее инфляционное раздувание пространства эти ничтожные вариации могли бы быть растянуты до масштабов, намного больших, чем квантовая область, давая малое количество комковатости, почти как тонкие волнистые линии, нарисованные на воздушном шаре фломастером, свободно растягиваются по поверхности шара, когда вы его надуваете. В этом, уверены физики, заключается происхождение комковатости, которую непоколебимые последователи стандартной модели Большого взрыва просто декларируют без оправдания, мол, "так тогда было". Через гигантское растягивание неизбежных квантовых флуктуаций инфляционная космология обеспечивает объяснение: инфляционное расширение растягивает мелкие неоднородные квантовые дрожания и свободно размазывает их по небу.

В течение нескольких миллиардов лет, прошедших с окончания краткой инфляционной фазы, эти мельчайшие комки продолжили расти через гравитационное слипание. Точно так же, как в картине стандартного Большого взрыва, комки имеют немного более сильное гравитационное притяжение, чем их окружение, так что они стягивают находящийся рядом материал, вырастая все больше. Со временем комки выросли достаточно большими, чтобы дать материю для формирования галактик и звезд, населяющих галактики. Определенно, имеется большое число детальных этапов на пути от маленького комка к галактике, и многие все еще требуют объяснения. Но в квантовом мире, который пережил инфляционное расширение, такая неоднородность могла быть растянута из микромира до намного больших масштабов, обеспечив семена для формирования больших астрофизических тел вроде галактик.

Это основная идея, так что можно свободно перепрыгнуть к следующей секции. Но для тех, кто интересуется, я хотел бы сделать обсуждение немного более точным. Повторим, что инфляционное расширение приходит к завершению, когда величина поля инфлатона сползает вниз своей чаши потенциальной энергии и поле теряет всю содержащуюся в нем энергию и отрицательное давление. Мы описывали это как происходящее однородно по всему пространству, – величина инфлатона здесь, там и везде переживала одну и ту же эволюцию, – как это на самом деле следует из управляющих уравнений. Однако, это строго верно, только если мы пренебрегаем эффектами квантовой механики. В среднем величина поля инфлатона на самом деле сползла ко дну чаши, как мы ожидали, думая о нем как о классическом объекте вроде твердого шарика, скатывающегося по наклонной плоскости. Но точно так же, как лягушка, сползая на дно чаши, может прыгать и трястись по пути, квантовая механика говорит нам, что поле инфлатона переживает трепетание и дрожание. На своем пути вниз величина поля может внезапно подпрыгивать на йоту вверх или дергаться на йоту вниз. А вследствие этого дрожания инфлатон достигает величины наименьшей энергии в разных местах в немного разные моменты. Это приводит к тому, что инфляционное расширение "отстреливается" в немного разные моменты в разных точках пространства, так что величина пространственного расширения в разных местах будет немного различаться, проводя к неоднородностям – ряби – сходным с теми, которые вы видите, когда изготовитель пиццы растягивает тесто немного больше в одном месте, чем в другом и создает маленькие изгибы. В настоящее время нормальная интуиция говорит, что дрожания, возникающие из квантовой механики, будут слишком малыми, чтобы быть значимыми на астрофизических масштабах. Но при инфляции пространство расширяется с таким колоссальным темпом, удваиваясь в размере каждые 10–37 секунды, что даже малейшее отличие в продолжительности инфляции в соседних точках приводит к существенной ряби. Фактически расчеты, предпринятые в специальных вариантах реализации инфляции, показывают, что неоднородности, производимые таким образом, имеют тенденцию становиться даже слишком большими; исследователи часто приводят в порядок детали в данной инфляционной модели (точную форму чаши потенциальной энергии поля инфлатона) для обеспечения, чтобы квантовые дрожания не предсказывали слишком комковатой вселенной. Итак, инфляционная космология дает готовый механизм для понимания, как маломасштабные неоднородности отвечают за возникающие комковатые структуры вроде звезд и галактик во вселенной, которая на самых больших масштабах выглядит строго однородной.

Согласно инфляционной теории более чем 100 миллиардов галактик, блистающих по всему видимому пространству как небесные бриллианты, являются ничем иным, как то, что квантовая механика явно написала на небе. Для меня это осознание является одним из величайших чудес современной научной эпохи.


Золотой век космологии

Впечатляющее доказательство, поддерживающее эти идеи, исходит от тщательных, основанных на спутниках наблюдениях температуры микроволнового фонового излучения. Я подчеркивал несколько раз, что температура излучения в одной части неба совпадает с температурой в другой части с высокой точностью. Но, что я сейчас хочу отметить, так это то, что в четвертом знаке после десятичной точки температура различных областей является разной. Точные измерения, впервые выполненные в 1992м на спутнике COBE (the Cosmic Background Explorer – исследователь космического фона) и совсем недавно на спутнике WMAP (the Wilkinson Microwave Anisotopy Probe – зонд микроволновой анизотропии им. Вилкинсона), определили, что в то время как в одной области пространства температура может быть 2,7249 Кельвина, в другой области она может быть 2,7250 Кельвина, а еще в другой 2, 7251 Кельвина.

Удивительной вещью является то, что эти экстраординарно малые температурные вариации следуют картине неба, которая может быть объяснена через наделение ее тем же механизмом, который был предложен для затравочного формирования галактик: квантовые флуктуации, растянутые за счет инфляции. Грубая идея состоит в том, что когда мельчайшие квантовые дрожания размазываются по пространству, они делают его ненамного горячее в одной области и ненамного холоднее в другой (фотоны, полученные из слегка более плотного региона тратят больше энергии, преодолевая чуть более сильное гравитационное поле, а потому их энергия и температура является слегка более низкой, чем у фотонов, полученных из менее плотного региона).
c:\0\tkankosmosa_files\i3b25dd009a 

(а) (b)


Рис 11.1 (а) Предсказание инфляционной космологией температурных вариаций микроволнового фонового излучения от одной точки на небе к другой, (b) Сравнение этого предсказания с основанными на спутниках наблюдениями.
Физики провели точные вычисления, основанные на этом предположении, и сформировали предсказание того, как температура микроволнового излучения должна была бы меняться от места к месту на небе, как показано на Рис. 11.1а. (Детали не существенны, но горизонтальная ось связана с угловым расстоянием между двумя точками на небе, а вертикальная ось связана с их температурным различием). На Рис. 11.1b эти предсказания сравниваются со спутниковыми наблюдениями, представленными маленькими алмазами, и вы можете видеть, что имеется экстраординарное совпадение.

Я надеюсь, у вас перехватило дух от такого соответствия теории и наблюдения, потому что если нет, это означает, что я не смог передать всю удивительность результата. Потому, на всякий случай, позвольте мне повторно подчеркнуть, что отсюда следует: установленные на спутниках телескопы недавно измерили температуру микроволновых фотонов, которые путешествовали по направлению к нам беспрепятственно около 14 миллиардов лет. Они нашли, что фотоны, прибывающие из различных направлений в пространстве, имеют почти одинаковую температуру, отличающуюся не более чем на несколько десятитысячных градуса. Более того, наблюдения показали, что эти мельчайшие различия в температуре заполняют определенную картину на небе, демонстрируемую упорядоченной последовательностью алмазов на Рис. 11.1b. И, чудо из чудес, расчеты, проделанные сегодня на основании инфляционной схемы, могут объяснить картину этих ничтожных температурных вариаций – вариаций, установленных около 14 миллиардов лет назад, – и, чтобы увенчать сказанное, ключ для этого объяснения содержит в себе дрожания, возникающие из квантовой неопределенности. Класс!

Этот успех убедил многих физиков в состоятельности инфляционной теории. И, что одинаково важно, те и другие точные астрономические измерения, которые стали возможными только недавно, позволили космологии развиться от области, основанной на предположениях и догадках, до области, твердо основанной на наблюдениях, – наступило такое время, которое заставило многих работающих в этой области физиков назвать нашу эру золотым веком космологии.
Создание вселенной

С таким прогрессом у физиков возник мотив посмотреть, как далеко может зайти инфляционная космология. Может ли она, например, решить основную загадку, сконцентрированную в вопросе Лейбница, почему вообще имеется вселенная? Ну, по меньшей мере, с нашим сегодняшним уровнем понимания, такой вопрос требует слишком многого. Даже если космологическая теория проделала бы столбовую дорогу к этому вопросу, мы могли бы спросить, почему именно эта особая теория – ее допущения, составные части и уравнения – была значима, так что это просто сдвигает вопрос о первопричине дальше на один шаг назад. Если одна только логика как-то требуется вселенной, чтобы существовать и чтобы управляться уникальным набором законов с однозначными составными частями, тогда, возможно, мы имели бы убедительную историю. Но на сегодняшний день это ничто иное, как несбыточные мечты.

Связанный, но в некоторой степени менее амбициозный вопрос, который также задавался в разных видах в течение эпох, гласит: Откуда взялась вся масса/энергия, наполняющая вселенную? Хотя инфляционная космология полный ответ не обеспечивает, она отбрасывает на этот вопрос интригующий новый свет.

Чтобы понять, как это происходит, подумаем об огромном, но эластичном ящике, заполненном многими тысячами толпящихся детей, непрерывно бегающими и прыгающими. Представьте, что ящик полностью непроницаемый, так что ни тепло, ни энергия не могут улетучиться, но поскольку он эластичный, его стены могут двигаться наружу. Когда дети непрестанно врезаются в каждую из стен ящика, – сотни за раз, с еще большими сотнями, которые немедленно последуют, – ящик постоянно расширяется. Теперь вы можете ожидать, что поскольку стены непроницаемы, полная энергия, воплощенная в толпящихся детях, будет полностью оставаться внутри расширяющегося ящика. В конце концов, куда еще денется их энергия? Ну, хотя предположение обоснованное, оно не совсем верно. Есть еще одно место, куда может уходить энергия. Энергию, которую тратят дети каждое мгновение, они вбивают в стены, и большая часть этой энергии преобразуется в движение стен. Само расширение ящика поглощает, и поэтому резко уменьшает энергию детей.

Теперь представьте, что несколько проказников среди детей приняли решение изменить положение дел. Они зацепили огромное число резиновых лент между каждой из противоположных движущихся наружу стен ящика. Резиновые ленты оказывают направленное внутрь, отрицательное давление на стены ящика, которое действует в точности противоположно направленному наружу, происходящему от детей, положительному давлению; вместо того, чтобы переводить энергию в расширение ящика, отрицательное давление резиновых лент "отсасывает" энергию у расширения. Когда ящик расширяется, резиновые ленты растягиваются сильнее, что означает, что они заключают в себе возрастающее количество энергии.

Конечно, на самом деле мы интересуемся не расширяющимися ящиками, а расширяющейся вселенной. И наши теории говорят нам, что пространство заполнено не толпами детей и множеством резиновых лент, а, в зависимости от космологической эпохи, однородным океаном поля инфлатона или горячей баней обыкновенных частиц (электронов, фотонов, протонов и т. п.). Тем не менее, простое наблюдение позволяет нам подвести к космологии заключения, которые мы получили в случае ящика. Точно так же, как быстро движущиеся дети работают против направленных вовнутрь сил, оказываемых стенами ящика, когда тот расширяется, быстро движущиеся частицы в нашей вселенной работают против направленных вовнутрь сил, когда пространство расширяется: они работают против силы гравитации. Это наводит на мысль (которая математически подтверждается), что мы можем провести аналогию между вселенной и ящиком, заменив силу гравитации стенами ящика.



Так что, точно так же, как полная энергия, заключающаяся в детях, падает вследствие ее постоянного перекачивания в энергию стен, когда ящик расширяется, полная энергия, переносимая обыкновенными частицами материи и излучения падает вследствие ее постоянного перекачивания в гравитацию, когда вселенная расширяется. Более того, мы видим, что точно так же, как изготовленные проказниками резиновые ленты оказывают отрицательное давление внутри расширяющегося ящика, однородное поле инфлатона оказывает отрицательное давление внутри расширяющейся вселенной. Так что, точно так же, как полная энергия, собранная в резиновых лентах, возрастает при расширении ящика, поскольку она забирает энергию у стен ящика, полная энергия, заключенная в поле инфлатона возрастает, когда вселенная расширяется, поскольку оно извлекает энергию из гравитации.*
(*) "Использованная тут аналогия с резиновыми лентами несовершенна. Направленное внутрь отрицательное давление оказывается резиновыми лентами, затрудняющими расширение ящика, тогда как отрицательное давление инфлатона двигает расширение пространства. Это важное различие иллюстрирует разъяснение, подчеркнутое на странице 286: в космологии нет такого, что однородное отрицательное давление двигает расширение (только разность давлений приводит к силам, так что однородное давление, как положительное, так и отрицательное, не производит силу). Скорее, давление, подобно массе, дает начало гравитационной силе. А отрицательное давление дает начало отрицательной гравитационной силе, которая двигает расширение. Это не повлияет на наши заключения."
Обобщаем: когда вселенная расширяется, материя и радиация теряют энергию в пользу гравитации, в то время как поле инфлатона извлекает энергию из гравитации.*
(*) "Когда вселенная расширяется, потеря энергии фотонами может непосредственно наблюдаться вследствие растягивания их длин волн, – они подвергаются красному смещению, – и чем больше длина волны фотона, тем меньшей энергией он обладает. Фотоны микроволнового фона подвергались такому красному смещению около 14 миллиардов лет, что объясняет их большие – микроволновые – длины волн и их низкую температуру. Материя подвергается сходной потере своей кинетической энергии (энергии движения частиц), но полная энергия, связанная в массе частиц (их энергия покоя – энергия, эквивалентная их массе, когда они покоятся) остается постоянной."
Стержневая природа этих наблюдений становится ясной, когда мы попытаемся объяснить происхождение материи и радиации, которые составляют галактик, звезды и все другое, чем населен космос. В стандартной теории Большого взрыва масса/энергия, переносимая материей и излучением, постоянно уменьшается при расширении вселенной, так что масса/энергия в ранней вселенной намного превышала то, что мы видим сегодня. Таким образом, вместо предложения объяснения, откуда взялась вся масса/энергия, в настоящее время населяющая вселенную, стандартная модель Большого взрыва ведет бесконечную войну с противником, занявшим позицию на высоте: чем дальше назад заглядывает теория, тем больше потери массы/энергии она должна как-то объяснить.

Однако в инфляционной космологии верно почти противоположное. Повторим, что инфляционная теория утверждает, что материя и радиация были произведены в конце инфляционной фазы, когда поле инфлатона выделило удерживаемую им энергию, скатившись с возвышения в выемку в своей чаше потенциальной энергии. Следовательно, важный вопрос будет таков: точно так же, как инфляционная фаза была доведена до завершения, которое теория может оценить для поля инфлатона, содержащего громадное количество массы/энергии, есть ли все необходимое, чтобы выдать материю и радиацию в сегодняшней вселенной?

Ответ на этот вопрос таков, что инфляция может это сделать, даже совершенно не вспотев. Как уже объяснялось, поле инфлатона является гравитационным паразитом – оно поедает гравитацию, – так что полная энергия поля инфлатона возрастает, когда пространство расширяется. Более точно, математический анализ показывает, что плотность энергии поля инфлатона остается постоянной в течение инфляционной фазы быстрого расширения, подразумевая, что собранная в нем полная энергия растет прямо пропорционально объему заполненного им пространства. В предыдущей главе мы видели, что размер вселенной в ходе инфляции возрастает, как минимум, на фактор 1030, который означает, что объем вселенной возрастает на фактор, по меньшей мере, (1030)3 = 1090.

Соответственно, заключенная в поле инфлатона энергия возрастет на тот же самый гигантский фактор: когда инфляционная фаза подходит к концу, примерно через 10–35 секунды после ее начала, энергия поля инфлатона возрастает на фактор порядка 1090, если не больше. Это означает, что при запуске инфляции полю инфлатона не нужно иметь много энергии, поскольку гигантское расширение, им порожденное, гигантским образом увеличит переносимую им энергию. Простой расчет показывает, что мельчайший кусок пространства, порядка 10–26 сантиметра в поперечнике, заполненный однородным полем инфлатона – весом не более двадцати фунтов – в ходе последующего инфляционного расширения приобретает достаточно энергии, чтобы оценить ее как все, что мы видим во вселенной сегодня.[2]

Так что в полном контрасте со стандартной теорией Большого взрыва, в которой полная масса/энергия ранней вселенной была невыразимо гигантской, инфляционная космология через "вычерпывание" гравитации может произвести всю обыкновенную материю и излучение вселенной из мельчайшего двадцатифунтового куска заполненного инфлатоном пространства. Это ни в коем случае не отвечает на вопрос Лейбница о том, почему имеется нечто вместо ничего, поскольку нам еще необходимо объяснить, почему имелся инфлатон или даже пространство, которое он занимал. Но нечто, требущее объяснения, весит много меньше, чем моя собака Рокки, и это определенно совсем другая стартовая позиция, чем предусматривалось в стандартной модели Большого взрыва.*
(*) "Некоторые исследователи, включая Алана Гута и Эдди Фархи, изучали, можно ли гипотетически создать новую вселенную в лаборатории путем синтезирования кусочка поля инфлатона. Абстрагируясь от факта, что мы все еще не имеем прямой экспериментальной проверки, что это за вещь такая поле инфлатона, отметим, что двадцать фунтов поля инфлатона должно было бы быть втиснуто в ничтожный объем пространства размером грубо около 10–26сантиметра, а потому плотность была бы гигантской – примерно в 1067 раз больше плотности атомных ядер – что находится за пределами того, что мы можем произвести сейчас или, вероятно, всегда."
Инфляция, гладкость и стрела времени

Возможно, мой энтузиазм уже выдал мои пристрастия, но весь прогресс, который наука достигла в наше время, достижения в космологии наполняют меня величайшим трепетом и смирением. Мне кажется, что никогда не терялся тот ажиотаж, который я первоначально почувствовал годы назад, когда впервые изучал основы ОТО и осознал, что из нашего мельчайшего угла пространства-времени мы можем применить теорию Эйнштейна для изучения эволюции целого космоса. Теперь, несколько десятилетий спустя, технологический прогресс подвергает эти некогда абстрактные предположения, как вселенная вела себя в свои самые ранние моменты, наблюдательному тестированию, и теория на самом деле работает.

Повторим, однако, что помимо общей важности космологии для истории пространства и времени, Главы 6 и 7 направили нас на изучение истории ранней вселенной со специальной целью: поискать истоки стрелы времени. Вспомним из этих глав, что единственная убедительная схема, которую мы нашли для объяснения стрелы времени, заключалась в том, что ранняя вселенная имела экстремально высокий порядок, то есть экстремально низкую энтропию, что установило основу для будущего, в котором энтропия всегда увеличивается. Точно так же, как страницы Войны и Мира не могли бы обладать способностью все более беспорядочно перемешиваться, если бы они не были в некоторый момент аккуратно упорядоченными, так и вселенная тоже не могла бы обладать способностью все более разупорядочиваться – молоко разливаться, яйца разбиваться, люди стареть – без того, чтобы она имела высоко упорядоченную конфигурацию в начале. Загадка, с которой мы столкнулись, заключается в объяснении, как могла возникнуть эта высоко упорядоченная низкоэнтропийная стартовая точка.

Инфляционная космология предлагает солидный прогресс в этом вопросе, но позвольте мне сначала напомнить вам загадку более точно в случае, если некоторые существенные детали ускользнули от вашего внимания.

Имеется строгое доказательство и малые сомнения, что раньше в истории вселенной материя была распределена по всему пространству однородно. Обычно это может быть охарактеризовано высокоэнтропийной конфигурацией – подобно молекулам углекислого газа из бутылки колы, распространившимся однородно по всей комнате, – и потому может быть настолько банальным, что едва ли требует объяснения. Но когда действует гравитация, как это имеет место при рассмотрении целой вселенной, однородное распределение материи является редкой, низкоэнтропийной, высоко упорядоченной конфигурацией, поскольку гравитация подвигает материю к формированию комков. Аналогично, гладкая и однородная кривизна пространства также имеет очень низкую энтропию; она высоко упорядочена по сравнению с дико вспученной, неоднородной пространственной кривизной. (Точно так же, как для страниц Войны и Мира имеется много способов быть разупорядоченными, но только один способ быть упорядоченными, имеется много способов для пространства иметь разупорядоченную, неоднородную форму, но всего несколько способов, в которых оно может быть полностью упорядоченным, гладким и однородным). Так что мы остаемся с загадкой: Почему ранняя вселенная имела низкоэнтропийное (высоко упорядоченное) распределение материи вместо высокоэнтропийного (сильно разупорядоченного) комковатого распределения материи, такого как разнообразные скопления черных дыр? И почему кривизна пространства была гладкой, упорядоченной, однородной с экстремально высокой точностью, а не пронизанной различными гигантскими искажениями и сильными искривлениями, также подобными тем, которые генерируются черными дырами?

Как впервые детально обсудили Пол Дэвис и Дон Пейдж[3], инфляционная космология предлагает важный прорыв в решении этих проблем. Чтобы увидеть это, удержим в уме, что существенное допущение загадки заключается в том, что раз комки формируются тут и там, их более сильное гравитационное притяжение собирает все больше материала, заставляя их расти дальше; соответственно, раз рябь в пространстве формируется тут и там, ее большее гравитационное притяжение имеет тенденцию делать рябь еще более сильной, приводя к ухабистой, сильно неоднородной пространственной кривизне. Когда действует гравитация, обычно и обыкновенно высокоэнтропийные конфигурации являются комковатыми и ухабистыми.

Но отметим следующее: эти рассуждения относятся полностью к притягивательной природе обычной гравитации. Комки и ухабы растут потому, что они сильно притягивают соседний материал, добиваясь, чтобы такой материал присоединился к комку. В течение короткой инфляционной фазы, однако, гравитация была отталкивательной и это меняет все. Возьмем форму пространства. Гигантское направленное наружу воздействие отталкивательной гравитации приводит пространство к раздуванию так быстро, что начальные изгибы и деформации были плавно растянуты, почти как полностью надутый сморщенный воздушный шар растягивает свою складчатую поверхность.* И, что еще существеннее, поскольку объем пространства возрастает на колоссальный фактор во время короткого инфляционного периода, плотность каждого комка материи полностью падает, почти как плотность рыб в вашем аквариуме понизится, если его объем неожиданно возрастет до размеров Олимпийского плавательного бассейна. Таким образом, хотя притягивательная гравитация заставляет комки материи и неровности пространства расти, отталкивательная гравитация действует противоположно: она заставляет их уменьшаться, приводя к все более гладкому, все более однородному результату.
(*) "Не надо смешивать следующее: Инфляционное растягивание квантовых дрожаний, обсуждавшееся в последней секции, все еще производит мелкие неизбежные неоднородности около 1 части из 100 000. Но эта мельчайшая неоднородность размещается на гладкой во всех других отношениях вселенной. Мы сейчас описываем, как возникает последняя – лежащая в основе гладкая однородность".
Таким образом, к концу инфляционного взрыва размер вселенной вырастает фантастически, любая неоднородность в кривизне пространства растягивается и любые начальные комки чего угодно полностью растворяются до состояния несущественности. Более того, когда поле инфлатона сползает вниз на дно своей чаши потенциальной энергии, приводя взрыв инфляционного расширения к завершению, оно конвертирует удерживаемую энергию в почти однородное море частиц ординарной материи во всем пространстве (выравнивая все вплоть до мельчайших, но важнейших неоднородностей, происходящих от квантовых дрожаний). В целом все это звучит как большой прогресс. Результат, которого мы достигли с помощью инфляции, – гладкая, однородная пространственная протяженность, населенная почти однородным распределением материи, – это в точности то, что мы пытались объяснить. Это в точности низкоэнтропийная конфигурация, которая нам была нужна для объяснения стрелы времени.
Энтропия и инфляция

На самом деле, это существенный прогресс. Но две важных проблемы остаются.

Первое, мы, кажется, пришли к заключению, что инфляционный взрыв разглаживает вещи и отсюда снижает полную энтропию, олицетворяя физический механизм, – не только статистическую случайность, – который выглядит как нарушающий второй закон термодинамики. В этом случае или наше понимание второго закона или наши текущие рассуждения будут иметь ошибку. В действительности, однако, мы с этой проблемой не сталкиваемся, поскольку полная энтропия не уменьшилась в результате инфляции. Что реально произошло в ходе инфляционного взрыва, так это то, что полная энтропия возросла, но возросла намного меньше, чем она могла бы быть. Вы видите к концу инфляционного взрыва, что пространство гладко растянулось, так что гравитационный вклад в энтропию – энтропия, связанная с возможной неровной, неупорядоченной, неоднородной формой пространства, – был минимален. Однако, когда поле инфлатона сползло на дно своей чаши и избавилось от своей запасенной энергии, можно оценить количество произведенных частиц материи и излучения примерно в 1080. Такое огромное число частиц, как и книга с огромным числом страниц, заключает в себе огромное количество энтропии. Таким образом, даже если гравитационная энтропия снизилась, рост в энтропии от производства всех этих частиц более чем компенсирует такое снижение. Полная энтропия возросла, точно так, как мы ожидали от второго закона термодинамики.

Но, и это важный момент, инфляционный взрыв через разглаживание пространства и обеспечение однородного, низкоэнтропийного гравитационного поля создает огромный зазор между тем, каким был вклад гравитации в энтропию, и тем, каким он мог бы стать. Полная энтропия возросла во время инфляции, но на совершенно незначительную величину по сравнению с тем, насколько она могла возрасти. В этом смысле и понимается, что инфляция генерирует низкоэнтропийную вселенную: к концу инфляции энтропия возросла, но совсем не на тот фактор, на который возросла пространственная протяженность. Если энтропию связать со стоимостью собственности, он стала бы такой, как если бы Нью Йорк приобрел пустыню Сахара. Полная стоимость общей собственности возросла, но на мельчайшую величину по сравнению с полным ростом площади земли.

Все время с момента завершения инфляции гравитация пытается наверстать энтропийную разницу. Каждый комок – будь он галактикой, или звездой в галактике, или планетой, или черной дырой, – который гравитация последовательно выудила из однородности (комок, посеянный мельчайшими неоднородностями от квантовых дрожаний), имеет растущую энтропию и подводит гравитацию на один шаг ближе к реализации ее энтропийного потенциала. В этом смысле инфляция представляет собой механизм, который дает большую вселенную с относительно низкой гравитационной энтропией и, таким образом, устанавливает основу для последующих миллиардов лет гравитационного слипания, которое привело к тому, свидетелями чего мы сегодня являемся. Итак, инфляционная космология задает направление стреле времени путем создания прошлого с чрезвычайно низкой гравитационной энтропией; будущее является направлением, в котором эта энтропия возрастает.[4]

Вторая проблема становится очевидной, когда мы продолжим углублять путь, к которому стрела времени привела нас в Главе 6. От яйца к курице, которая его снесла, к куриному корму, к растительному миру, к солнечному теплу и свету, к изначальному однородно распределенному газу Большого взрыва мы следовали эволюции вселенной в прошлое, которое имело всегда больший порядок, на каждом этапе сдвигая загадку низкой энтропии на один шаг дальше назад во времени. Теперь мы еще осознали, что только самый ранний этап инфляционного расширения может естественно объяснить гладкие и однородные последствия Взрыва. Но как насчет самого инфлатона? Можем ли мы объяснить первое звено в той цепочке, которой мы следовали? Можем ли мы объяснить, почему условия, которые требовались перед инфляционным взрывом, полностью осуществились?

Это проблема высшей важности. Не имеет значения, как много загадок решила инфляционная космология в теории, если эра инфляционного расширения никогда не имела место, подход будет признан не имеющим отношения к делу. Более того, поскольку мы не можем пойти назад в раннюю вселенную и прямо определить, произошла ли инфляция, оценка того, сделали ли мы реальный прогресс в установлении направления стрелы времени, требует, чтобы мы определили вероятность, что условия, необходимые для инфляционного взрыва, были выполнены. Это значит, что физики раздражены из-за уверенности стандартной модели Большого взрыва в тонко настроенных однородных начальных условиях, которые, будучи мотивированы наблюдениями, необъяснимы теоретически. Кажется глубоко неудовлетворительным для низкоэнтропийного состояния ранней вселенной просто допустить его; кажется бессодержательным установить во вселенной стрелу времени без какого-либо объяснения. На первый взгляд инфляция предлагает прогресс, показывая, что то, что допускается в стандартной модели Большого взрыва вытекает из инфляционной эволюции. Но если инициирование инфляции требует еще других, более специальных, чрезвычайно низкоэнтропийных условий, мы оказались бы опять в самом начале. Мы просто поменяли бы специальные условия модели Большого взрыва на специальные условия, необходимые для поджигания инфляции, и загадка стрелы времени осталась бы точно такой же загадкой.

Что за условия необходимы для инфляции? Мы видели, что инфляция является неизбежным результатом посадки величины поля инфлатона на короткое время и в рамках маленькой области на высокоэнергетическое плато в его чаше потенциальной энергии. Наша задача, следовательно, свелась к определению, насколько вероятной в действительности является такая стартовая конфигурация. Если запуск инфляции обеспечивается легко, мы будем в великолепной форме. Но если достижение требуемых условий экстраординарно маловероятно, мы просто сдвинем вопрос стрелы времени дальше на один шаг назад – к поиску объяснения для низкоэнтропийной конфигурации поля инфлатона, которое скатывается шариком.

Я сначала опишу современные соображения по этой проблеме в наиболее оптимистичном свете, а затем вернусь к существенным элементам истории, которые остались туманными.
Возвращение Больцмана

Как отмечалось в предыдущей главе, инфляционный взрыв является лучшей мыслью о том, как развивались события в заранее существующей вселенной, а не мыслью о создании самой вселенной. Хотя мы не имеем неоспоримого понимания о том, на что вселенная была похожа в течение самой предынфляционной эры, посмотрим, как далеко мы можем зайти, если предположим, что вещи были в строго ординарном, высокоэнтропийном состоянии. В особенности, давайте представим, что изначальное предынфляционное пространство было пронизано деформациями и изгибами и что поле инфлатона также было сильно разупорядочено, его величина прыгала туда и сюда подобно лягушке в горячей металлической чаше.

Теперь, точно так же, как вы можете ожидать, что если вы упорно играете в честно действующий игровой автомат, раньше или позже хаотически крутящиеся колеса лягут на три алмаза, мы ожидаем, что раньше или позже случайные флуктуации в этой высокоэнергетической турбулентной арене изначальной вселенной заставят величину поля инфлатона выпрыгнуть в правильную однородную величину в некотором малом кусочке пространства, инициировав направленный вовне взрыв инфляционного расширения. Как объяснялось в предыдущей секции, расчеты показывают, что куску пространства необходимо быть исключительно маленьким – порядка 10–26 сантиметра в поперечнике – для результирующего космологического расширения (инфляционного расширения, сменяемого расширением стандартной модели Большого взрыва), чтобы он был растянут до величины больше, чем вселенная, которую мы видим сегодня. Таким образом, вместо допущения или простого декларирования, что условия в ранней вселенной были такими, чтобы инфляционное расширение имело место, в таком способе размышлений необходимые условия появляются из фактов ультрамикроскопических флуктуаций, весом не более двадцати фунтов, возникающих внутри ординарного обыкновенного окружения с беспорядком.

Более того, точно так же, как игровой автомат будет также генерировать широкое разнообразие невыигрышных результатов, в других регионах изначального пространства будут происходить также и другие виды флуктуаций инфлатона. В большинстве случаев флуктуации не будут давать правильную величину или будут существенно неоднородными для возникновения инфляционного расширения. (Даже в области, которая не более 10–26сантиметра в поперечнике, величина поля может дико изменяться). Но все, что для нас имеет значение, так это то, что был один кусочек, который выдал пространственно гладкий инфляционный взрыв, который обеспечил первое звено в низкоэнтропийной цепочке, в конце концов приведшей к нашему привычному космосу. Поскольку мы видим только нашу большую вселенную, нам нужно, чтобы космический игровой автомат выплатил выигрыш только раз.[5]

Поскольку мы привели вселенную назад к статистической флуктуации из первичного хаоса, это объяснение стрелы времени соединяется определенным образом с оригинальным предположением Больцмана. Вспомним из Главы 6, что Больцман предположил, что все, что мы сейчас видим, возникло из редкой, но так часто ожидаемой флуктуации из полного беспорядка. Проблема с исходной формулировкой Больцмана, однако, заключалась в том, что невозможно было объяснить, почему случайная флуктуация оказалась так далеко за бортом хаоса и произвела вселенную в гигантской степени более упорядоченную, чем это было необходимо, чтобы даже поддержать жизнь, как мы ее знаем. Почему такая обширная вселенная имеет миллиарды и миллиарды галактик, каждая из которых имеет миллиарды и миллиарды звезд, когда она могла бы иметь решительно ограниченный уголок, имея, скажем, всего несколько галактик или даже одну единственную?

Со статистической точки зрения намного более скромная флуктуация, которая произвела бы некоторый порядок, но не такой значительный, как мы сейчас видим, была бы намного более вероятной. Более того, поскольку средняя энтропия возрастает, рассуждения Больцмана показывают, что было бы еще намного более вероятным, что все, что мы сегодня видим, просто появилось сию минуту как редкий статистический выброс к низкой энтропии. Повторим аргумент: чем дальше назад произошла флуктуация, тем более низкой энтропии она должна была бы достигнуть (энтропия начинает расти после любого падения к низкой энтропии, как на Рис. 6.4, так если флуктуация произошла вчера, одна должна была упасть к вчерашней низкой энтропии, а если она произошла миллиард лет назад, она должна была упасть именно к низкой энтропии той эры). Поэтому чем дальше назад во времени, тем более драматической и невероятной должна быть требуемая флуктуация. Но если мы принимаем это заключение, мы не можем доверять своей памяти, записям или даже законам физики, которые лежат в основе самой дискуссии – полностью неприемлемая позиция.

Потрясающее преимущество инфляционного возрождения идеи Больцмана заключаются в том, что малая флуктуация сразу – скромный прыжок к подходящим условиям в мельчайшем кусочке пространства – неизбежно дает гигантскую и упорядоченную вселенную, которую мы осознаем. Раз уж инфляционное расширение началось, маленький кусочек будет неумолимо растянут до масштабов, по меньшей мере таких же больших, как вселенная, которую мы в настоящее время видим, а потому нет загадки в том, почему вселенная не ограничилась уголком; нет загадки, почему вселенная столь обширна и населена огромным числом галактик. От начала своего действия инфляция дала вселенной поразительные условия сделки. Прыжок к низкой энтропии внутри мельчайшего кусочка пространства был использован для инфляционного расширения в широчайшие пределы космоса. И, что самое важное, инфляционное растяжение не просто дает произвольную старую большую вселенную. Оно дает нашу большую вселенную – инфляция объясняет форму пространства, она объясняет крупномасштабную однородность, и она даже объясняет "мелкомасштабные" неоднородности, такие как галактики, и температурные вариации фонового излучения. Инфляция упаковывает все богатство объяснительной и предсказательной мощи в отдельную малую флуктуацию к низкой энтропии.

Итак, Больцман был почти прав. Все, что мы видим, могло произойти от случайной флуктуации от высоко разупорядоченного состояния первичного хаоса. В этом объяснении его идеи, однако, мы можем верить нашим записям и мы можем верить нашей памяти: флуктуация не произошла прямо сейчас. Прошлое реально происходило. Наши записи записали вещи, которые имели место. Инфляционное расширение увеличивает микроскопическую крупинку порядка в ранней вселенной, – оно "заводит" вселенную на гигантское расширение с минимальной гравитационной энтропией, – так что 14 миллиардов лет последующего раскручивания, последующего собирания в галактики, звезды, планеты, не представляет загадки.

Фактически этот подход говорит нам даже немного больше. Точно так же, как возможно сорвать куш на нескольких игровых автоматах в подвале казино Белладжио (Лас-Вегас), в изначальном состоянии высокой энтропии и полного хаоса нет причин, по которым необходимые для инфляционного расширения условия могли бы появиться только в отдельном пространственном кусочке. Напротив, как предположил Андрей Линде, там могли бы быть многие кусочки, разбросанные тут и там, которые подверглись разглаживающему пространство инфляционному расширению. Если это было так, наша вселенная становится лишь одной среди многих вселенных, прораставших – и, вероятно, продолжающих прорастать, – когда случайные флуктуации делают условия подходящими для инфляционного взрыва, как проиллюстрировано на Рис.11.2. Так как другие вселенные, вероятно, всегда будут отделены от нашей, тяжело себе представить, как мы когда-либо сможем установить, является ли эта картина "мультивселенной" правильной. Однако, как концептуальная схема, она является как богатой, так и привлекательной. Среди других вещей она предлагает возможный сдвиг в нашем понимании космологии: В Главе 10 я описал инфляцию как "передовой рубеж" стандартной теории Большого взрыва, в котором Взрыв идентифицировался с мимолетным быстрым расширением. Но если мы думаем об инфляционном прорастании каждой новой вселенной на Рис 11.2 как о ее собственном Взрыве, тогда сама инфляция лучше всего выглядит как всеобъемлющая космологическая структура, в рамках которой эволюции вроде Большого взрыва происходят пузырь за пузырем. Таким образом, вместо того, чтобы включить инфляцию в стандартную теорию Большого взрыва, в этом подходе стандартный Большой взрыв включается в инфляцию.

c:\0\tkankosmosa_files\i1ae01bad58

Рис 11.2 Инфляция может возникать постоянно, выращивая новые вселенные из старых.
Инфляция и яйцо

Так почему яйцо расплескивается, но не собирается назад? Откуда происходит стрела времени, которую мы все ощущаем? В этом предложенный подход нас поддерживает. Через случайные, но каждым так часто ожидаемые флуктуации из обыкновенного изначального состояния с высокой энтропией мельчайшие кусочки пространства весом двадцать фунтов достигают условий, которые приводят к короткому взрыву инфляционного расширения. Жуткое, направленное наружу раздувание приводит к растянутому и экстремально гладкому пространству гигантских размеров, и, когда взрыв подходит к концу, поле инфлатона освобождается от своей гигантским образом увеличившейся энергии, заполняя пространство почти однородно материей и излучением. Когда инфляционная отталкивательная гравитация уменьшается, обычная притягивательная гравитация становится доминирующей. И, как мы видели, притягивательная гравитация использует микроскопические неоднородности, вызванные квантовыми дрожаниями, чтобы заставить материю собираться в комки, формируя галактики и звезды и, в конечном счете, приводя к образованию Солнца, Земли и остальной Солнечной системы, а также других структур в нашей наблюдаемой вселенной. (Как обсуждалось, примерно через 7 миллиардов лет после Большого Взрыва отталкивательная гравитация еще раз стала доминирующей, но это существенно только на самых больших космических масштабах и не сказывается непосредственно на более мелких сущностях вроде индивидуальных галактик или нашей Солнечной системы, где по-прежнему царствует ординарная притягивающая гравитация). Солнечная относительно низкоэнтропийная энергия используется низкоэнтропийными растительными и животными формами жизни на Земле, чтобы производить еще более низкоэнтропийные формы жизни, медленно увеличивая полную энтропию через тепло и отходы. В конечном счете эта цепочка произвела курицу, которая произвела яйцо – и мы знаем конец истории: яйцо скатилось с вашего кухонного стола и расплескалось по полу как часть неотвратимого движения вселенной к более высокой энтропии. Такова низкоэнтропийная, высоко упорядоченная, однородно гладкая природа пространственной ткани, произведенной инфляционным растягиванием, что является аналогом обладания всеми страницами Войны и Мира в их правильном числовом расположении; это тот ранее установленный порядок, – отсутствие больших неровностей и деформаций или чудовищных черных дыр, – который заряжает вселенную на постепенную эволюцию к высокой энтропии и потому обеспечивает стрелу времени, которую мы ощущаем. На нашем сегодняшнем уровне понимания это наиболее полное объяснение стрелы времени, которое может быть дано.


Ложка дегтя в бочке меда?

Для меня эта история инфляционной космологии и стрелы времени является любимой. Из дикой и энергичной реальности изначального хаоса возникла ультрамикроскопическая флуктуация однородного поля инфлатона весом намного меньше, чем лимит ручной клади. Это инициировало инфляционное расширение, которое задало направление стреле времени, а остальное и есть история.

Но, говоря об этой истории, мы делаем стержневое допущение, которое все еще не подтверждено. Чтобы определить величину вероятности того, что инфляция могла начаться, мы определили характеристики предынфляционной реальности, без которых инфляционное расширение не обязано возникнуть. Особая реальность, которую мы себе представляли, – дикая, хаотическая, энергичная – звучит разумно, но выражение этого интуитивного описания с математической точностью оказывается затруднительным. Более того, это только гипотеза. Основым моментом является то, что мы не знаем, какие условия были предпочтительны в предлагаемой предынфляционной реальности, в размытом пятне на Рис. 10.3, а без этой информации мы не в состоянии сделать убедительную оценку вероятности инициации инфляции; любое вычисление вероятности чувствительно зависит от сделанных нами допущений.[6]

С этой дырой в нашем понимании самое осмысленное обобщение заключается в том, что инфляция предлагает мощную объяснительную схему, которая связывает вместе кажущиеся несопоставимыми проблемы – проблему горизонта, проблему плоскостности, проблему первоначальной структуры, проблему низкой энтропии ранней вселенной – и предлагает отдельное решение, которое адресуется ко всем этим проблемам. Это кажется правильным. Но, чтобы перейти на следующий этап, нам нужна теория, которая может справиться с экстремальными характеристиками условий размытого пятна, – экстремальными по теплу и колоссальной плотности, – тогда мы сохраним шанс получения острого, однозначного проникновения в самые ранние моменты космоса.

Как мы узнаем в следующей главе, это требует теории, которая может преодолеть, возможно, величайшую преграду теоретической физики, которая стоит перед нами на протяжении последних восьмидесяти лет: фундаментальную трещину между ОТО и квантовой механикой. Многие исследователи уверены, что относительно новый подход, именуемый теорией суперструн, может достигнуть этого, но если теория суперструн верна, ткань космоса оказывается намного более странной, чем кто-либо когда-либо себе представлял.

IV Первоисточники и объединение




Каталог: art -> theory -> Briyan Grin
art -> Вилена александровна развитие межкультурной компетенции студентов-лингвистов средствами
art -> Кодекс ткп 45 04-78-2007 (02250) установившейся практики
art -> Кодекс ткп 45 04-208-2010 (02250) установившейся практики
art -> Технический кодекс ткп 2006
art -> Сестринский процесс: пациент с нарушением целостности кожных покровов
art -> Технологии Raid – немного теории и практика использвания
art -> Диетическая добавка к пище
Briyan Grin -> Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   34


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница