Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной

Инфляционная модель

Чтобы избежать трудностей, связанных с начальными этапами в модели горячего Большого взрыва, Алан Гут из Массачусетского технологического института предложил новую модель. В ней несколько различных начальных конфигураций могли привести к состоянию, аналогичному современному состоянию Вселенной. Он предложил идею о том, что на начальных этапах развития Вселенной был период очень быстрого (экспоненциального) расширения. Такое расширение называют инфляционным — по аналогии с инфляцией цен, происходящей в большей или меньшей степени в любой стране. Мировой рекорд инфляции был, вероятно, установлен в Германии после Первой мировой войны, когда за несколько месяцев цена буханки хлеба выросла с одной марки до одного миллиона. Но инфляция, которая, как мы думаем, произошла в масштабах Вселенной, была гораздо больше — за мельчайшую долю секунды Вселенная выросла в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз. Разумеется, это случилось до прихода к власти современного правительства.

Гут предположил, что Вселенная после Большого взрыва была очень горячей. Можно ожидать, что при таких высоких температурах сильное и слабое ядерные взаимодействия, а также электромагнитное взаимодействие представляли собой одну силу. По мере расширения Вселенная остывала и энергия частиц уменьшалась. Со временем произошел так называемый фазовый переход, и симметрия между взаимодействиями нарушилась. Сильное взаимодействие отделилось от слабого и электромагнитного. Типичным примером фазового перехода является замерзание воды (превращение ее в лед) при охлаждении. Вода симметрична — в любой точке и в любом направлении она одинакова. А образующиеся при замерзании воды кристаллы льда будут занимать определенные положения в пространстве и выстраиваться в некотором направлении. Это нарушает симметрию воды.

Проявив старание, воду можно «переохладить» — охладить ее до температуры, находящейся на шкале ниже точки замерзания, без образования льда. Гут предположил, что Вселенная может вести себя аналогичным образом: ее температура может опускаться ниже критического значения без нарушения симметрии между взаимодействиями. Если бы это произошло, Вселенная оказалась бы в нестабильном состоянии, энергия которого была бы больше, чем энергия состояния с нарушенной симметрией. Можно показать, что эта особая избыточная энергия имела бы антигравитационный эффект и действовала бы, как космологическая постоянная.

Вселенная могла достичь современного гладкого и однородного состояния при множестве различных неоднородных начальных состояний.

Эйнштейн ввел космологическую постоянную в общую теорию относительности, когда пытался построить стационарную модель Вселенной. Однако в данном случае Вселенная уже расширяется. Эффект отталкивания, связанный с этой космологической постоянной, заставил бы Вселенную расширяться с постоянно возрастающей скоростью. Даже в тех областях, где содержание частиц материи превышает среднее значение во Вселенной, отталкивание, обусловленное эффективной космологической постоянной, перевесило бы гравитационное притяжение материи. Так что и эти области расширялись бы в ускоренном, инфляционном режиме.

Можно охладить воду до температуры, находящейся на шкале ниже точки замерзания, без образования льда. Гут предположил, что Вселенная может вести себя аналогичным образом…

По мере расширения Вселенной расстояние между частицами материи увеличивается. Так можно получить расширяющуюся Вселенную, где едва ли содержится хоть одна частица. Вселенная все еще будет находиться в переохлажденном состоянии, в котором симметрия взаимодействий не нарушена. Любые неоднородности во Вселенной будут попросту сглажены расширением, как разглаживаются складки на воздушном шарике, когда вы его надуваете. Таким образом, Вселенная могла достичь современного гладкого и однородного состояния при множестве различных неоднородных начальных состояний. Скорость расширения также могла стремиться к критическому значению, достаточному для того, чтобы избежать обратного коллапса.

Более того, идея инфляции позволяет также объяснить, почему во Вселенной так много материи. В наблюдаемой нами области Вселенной содержится примерно 10⁸⁰ частиц. Откуда они взялись? Ответ на этот вопрос дает квантовая теория, согласно которой частицы могут рождаться из энергии в виде пар частица-античастица. Но тогда возникает вопрос: откуда появилась энергия? Ответ заключается в том, что общая энергия Вселенной в точности равна нулю.