Концепции инфляционной Вселенной – в чем их суть?

Инфляционная модель Вселенной — гипотеза о физическом состоянии и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва (при температуре выше 10²⁸ K), предполагающая период ускоренного по сравнению со стандартной моделью горячей Вселенной расширения.

Первый вариант теории был предложен в 1981 году Аланом Гутом, однако ключевой вклад в ее создание внесли советские и экс-советские астрофизики Алексей Старобинский, Андрей Линде, Вячеслав Муханов и ряд других.

Некоторые идеи представляются поначалу практически неосуществимыми, но физики тем не менее рассматривают их вполне серьезно. Если, к примеру, мы попытаемся понять причину и ход Большого взрыва, нам придется тщательно проанализировать условия, которые могли дать этому явлению первоначальный толчок. Другими словами, нам придется задаться вопросом: «Как изготовить новорожденную вселенную в лаборатории?» Андрей Линде из Стэнфордского университета, один из создателей концепции инфляционной вселенной, говорит, что если мы научимся создавать новорожденные вселенные, то, «возможно, нам пора будет заново определить Бога как существо более сложное, чем просто творец Вселенной».

Сама по себе идея не нова. Много лет назад, когда физики вычислили энергию, необходимую для запуска Большого взрыва, «люди немедленно начали интересоваться, что произойдет, если в лаборатории сосредоточить большое количество энергии в одной точке — ну, скажем, выстрелить одновременно из множества пушек. Можно ли сконцентрировать достаточно энергии для запуска мини-варианты Большого взрыва?» — спрашивает Линде.

Если вы сумеете сосредоточить достаточное количество энергии в одной точке, то максимум, что вы получите, — это коллапс пространства-времени и черную дыру. Но в 1981 г. Алан Гут из Массачусетского технологического института и Андрей Линде предложили теорию «инфляционной вселенной», которая за прошедшее с той поры время привлекла к себе громадный интерес космологов. Согласно этой теории, Большой взрыв начался с фазы сверхскоростного расширения, гораздо более быстрой, чем считалось ранее. (Концепция инфляционной вселенной решает многие застарелые проблемы космологии — объясняет, к примеру, почему Вселенная настолько однородна. Куда, в какую бы точку ночного неба мы ни посмотрели, везде видим совершенно одинаковую однородную Вселенную, хотя после Большого взрыва прошло недостаточно времени, чтобы отдаленные ее части успели побывать в контакте. Ответ на эту загадку, согласно инфляционной теории, заключается в том, что вся видимая Вселенная образовалась из крохотного и относительно однородного «кусочка» пространства-времени.) Пытаясь объяснить начальный толчок, Гут предположил, что в начале времен существовали крохотные пузырьки пространства-времени, один из которых чрезвычайно сильно раздулся и превратился в сегодняшнюю Вселенную.

Теория инфляционной Вселенной одним махом ответила на множество космологических вопросов. Более того, она согласуется со всеми новыми данными, полученными со спутников СОВЕ и WMAP. Это, бесспорно, ведущий кандидат на роль теории Большого взрыва.

Но теория инфляционной Вселенной поднимает и множество «неудобных» вопросов. Почему этот пузырек начал раздуваться? Почему сверхскоростное расширение прекратилось — а именно это, вообще говоря, стало причиной возникновения современной Вселенной? Если инфляционные процессы начались однажды, не могут ли они возникнуть снова? Как ни странно, хотя инфляционный сценарий представляет собой ведущую космологическую теорию, о причинах начала и прекращения инфляции почти ничего не известно.

Пытаясь найти ответ на эти мучительные вопросы, Алан Гут и Эдвард Фахри из MIT (Массачусетс) в 1987 г. задали еще один гипотетический вопрос: «Как могла бы высокоразвитая цивилизация заставить раздуваться собственную Вселенную?» Они считают, что ответ на этот вопрос позволил бы, возможно, ответить и на более глубокий вопрос: «Почему вообще началась инфляция Вселенной?»

Они обнаружили, что, если сосредоточить достаточное количество энергии в одной точке, там спонтанно будут возникать крохотные пузырьки пространства-времени. Но если эти пузырьки будут слишком маленькими, они снова исчезнут и пропадут в пространственно-временной пене. Чтобы иметь возможность раздуться до полноценной вселенной, пузырек должен быть достаточно большим.

Снаружи рождение новой вселенной выглядело бы не слишком впечатляюще — возможно, не страшнее взрыва 500-килотонной ядерной бомбы. Выглядело бы все так, как будто маленький пузырек исчез из имеющейся вселенной, оставив после себя небольшой ядерный взрыв. Но внутри пузырька при этом могла бы раздуться совершенно новая вселенная. Представьте себе мыльный пузырь, который расщепляется на два или порождает рядом крошечный новорожденный «дочерний» пузырек. Иногда этот крошечный мыльный пузырек стремительно раздувается в совершенно новый полноценный мыльный пузырь. Точно так же, находясь внутри новорожденной вселенной, вы увидели бы невероятный взрыв пространства-времени и возникновение целой вселенной.

После 1987 г. было предложено множество теорий, призванных выяснить, сможет ли подпитка энергией превратить крупный пузырек в целую вселенную. Самой общепринятой, пожалуй, является теория о том, что неизвестная пока частица по имени «инфлатон» дестабилизирует пространство-время и заставляет пузырьки формироваться и раздуваться.

Последнее противоречие было выявлено в 2006 г., когда физики начали всерьез рассматривать новое предложение «запускать» рост новорожденной вселенной при помощи монополя. Хотя до сих пор монополи — частицы только с одним магнитным полюсом, северным или южным, — никто никогда не видел, считается, что первое время именно они преобладали в молодой Вселенной. Монополи настолько массивны, что их чрезвычайно трудно создать в лаборатории; но не исключено, что именно массивность позволит им при закачке дополнительной энергии «запустить» процесс инфляции новорожденной вселенной и превращения ее в полноценную вселенную.

Зачем физикам понадобилось создавать вселенные? Линде говорит: «В перспективе каждый из нас сможет стать богом». Но для стремления непременно создать новую вселенную есть и более реальная причина: возможно, в конце концов это поможет нам уцелеть при неизбежной смерти нашей Вселенной.

Некоторые физики склонны уводить эту идею еще дальше к границам научной фантастики; они задаются вопросом, не приложил ли разум «руку» к созданию нашей Вселенной?

В картине мира, соответствующей теории Гута-Фахри, высокоразвитая цивилизация вполне может создавать новые вселенные, но все физические константы (т.е. массы электрона и протона, а также интенсивность четырех фундаментальных взаимодействий) останутся прежними. А что, если высокоразвитая цивилизация была бы способна создавать новые вселенные с чуть иными, нежели их собственные, значениями физических констант? После этого новорожденные вселенные могли бы развиваться во времени, причем каждое поколение новорожденных вселенных слегка отличалось бы от прежнего.

Если рассматривать набор фундаментальных констант чем-то вроде ДНК вселенной, то получится, что разумная жизнь, вполне возможно, научится создавать новорожденные вселенные с чуть разными ДНК. Со временем созданные вселенные будут развиваться; при этом размножаться будут вселенные с наилучшей ДНК, допускающей возникновение и процветание разумной жизни. Физик Эдвард Харрисон на основании предыдущей идеи Ли Смолина выдвинул идею «естественного отбора» среди вселенных. Согласно этой идее, в Мультивселеиной доминируют именно вселенные с наилучшей ДНК, что вполне согласуется с идеей возникновения высокоразвитых цивилизаций, а те, в свою очередь, создадут следующие новорожденные вселенные. «Выживание наиболее приспособленных» попросту означает выживание тех вселенных, которые наилучшим образом способствуют появлению высокоразвитых цивилизаций.

Эта картина, если она верна, объяснила бы, почему фундаментальные константы Вселенной «настроены» на жизнь. Это просто означало бы, что в Мультивселенной процветают и «размножаются именно вселенные с желаемыми (т.е. совместимыми с жизнью) константами.

(Такая концепция «эволюции вселенных» весьма привлекательна, поскольку способна разрешить проблему антропного принципа. Ее недостаток состоит в том, что подобная идея непроверяема и нефальсифицируема. Пока не появится полная теория всего, мы не сможем сказать об этой идее ничего разумного.)

В настоящее время наши технологии слишком примитивны, чтобы обнаружить присутствие «рядом» параллельных вселенных.