Інфляційна модель Всесвіту у викладі на пальцях. Теорія інфляції Інфляційна модель великого вибуху автор

Інфляційна модель Всесвіту – наукова космологічна теорія про закон та стан розширення Всесвіту на ранньому етапі Великого вибуху. На відміну від стандартної моделі гарячого Всесвіту, ця теорія передбачає прискорений період розширення Всесвіту на ранньому етапі при температурі вище 1028 Кельвінів.

Інфляційна модель Всесвіту була розроблена відносно нещодавно. Ще в 30-х роках 20 століття вчені знали, що наш Всесвіт невпинно розширюється. Важливу роль цьому зіграло відкриття , який вказував цей факт. Вчені зрозуміли, що процесу розширення Всесвіту передував свій початок. З цієї причини вони вирішили, застосовуючи фізико-математичні закони, теоретично відтворити процес формування Всесвіту і зрозуміти, що саме послужило поштовхом до його розширення.

Створюючи теорію формування Всесвіту, вчені зіткнулися з низкою питанням, наприклад: чому у Всесвіті так мало антиречовини, якщо вона повинна складатися з речовиною приблизно в рівних пропорціях; як вийшло, що температура всіх областей Всесвіту приблизно однакова, якщо окремі її частини ніяк не могли контактувати одна з одною; чому Всесвіт має саме таку масу та енергію, яка здатна сповільнити хаблівське та багато іншого. Займаючись пошуком відповідей на ці питання, вчені вивели стандартну модель гарячого Всесвіту, яка свідчить, що на початку свого зародження Всесвіт був дуже щільним і гарячим, і в ньому існувало єдине поле взаємодії між усіма частинками. Згодом, коли Всесвіт розширився і охолонув, це поле розпалося на електромагнітну, гравітаційну, сильну і слабку взаємодію, яка дозволила часткам, з яких складався первісний Всесвіт, об'єднуватися в атоми та інші складні структури.

У 1981 році американський вчений Алан Гут зрозумів, що виділення сильних взаємодій з єдиного поля, а також фазовий перехід первісної речовини Всесвіту з одного стану в інший стався приблизно через 10-35 секунд після народження Всесвіту. Цей період можна умовно назвати «первісною кристалізацією Всесвіту» або «екстренним розширенням Всесвіту». У чомусь цей процес нагадує процедуру замерзання води та перетворення її на лід. Всім відомо, що вода під час замерзання розширюється. Алану Гут припустив, що на початковому етапі формування Всесвіту відбулося його стрибкоподібне розширення, завдяки якому Всесвіт за крихітні частки секунди розширився в 50 разів. Свою теорію вчений назвав інфляційною моделлю Всесвіту (інфляція від англ. Inflate – роздмухувати, накачувати). За допомогою цієї моделі можна пояснити, чому Всесвіт має таку масу та енергію, яка дозволяє уповільнити хабблівське розширення, а також, чому температура всіх областей нашого Всесвіту приблизно однакова.

Проблема великомасштабної однорідності та ізотропності Всесвіту

Хаблівська відстань збігається з Всесвітом, який ми спостерігаємо. Це говорить нам про те, що через кінцівку віку нашого Всесвіту та швидкості світла можна спостерігати зараз лише ті області Всесвіту, які знаходяться на рівній чи меншій відстані горизонту спостережень.

Здавалося малоймовірним, що луна подій, що відбувалися у перші мілісекунди народження Всесвіту, може дійти до нас. Однак це виявилося можливим.

Космологія, будова Всесвіту, минуле, сьогодення та майбутнє нашого світу – ці питання завжди займали найкращі уми людства. Для розвитку космології, та й науки в цілому, украй важливим є розуміння Всесвіту як єдиного цілого. Особливу роль грають експериментальна перевірка абстрактних побудов, підтвердження їх спостережними даними, осмислення та зіставлення результатів досліджень, адекватна оцінка тих чи інших теорій. Зараз ми знаходимося на середині шляху, який веде від вирішення рівнянь Ейнштейна до пізнання таємниці народження та життя Всесвіту.

Черговий крок на цьому шляху зробив творець теорії хаотичної інфляції, вихованець Московського державного університету, нині професор Стенфордського університету Андрій Дмитрович Лінде, який зробив істотний внесок у розуміння ранньої стадії розвитку Всесвіту. Багато років він пропрацював в одному з провідних академічних російських інститутів – Фізичному інституті ім. Лебедєва Академії наук (ФІАН), займався наслідками сучасних теорій елементарних частинок, працюючи разом із професором Давидом Абрамовичем Кіржніцем.

У 1972 р. Кіржніц і Лінді дійшли висновку, що у ранньому Всесвіті відбувалися своєрідні фазові переходи, коли різницю між різними типами взаємодій раптом зникали: сильні й електрослабкі взаємодії зливалися однією єдину силу. (Єдина теорія слабкої та електромагнітної взаємодій, що здійснюються кварками та лептонами за допомогою обміну безмасовими фотонами (електромагнітна взаємодія) та важкими проміжними векторними бозонами (слабка взаємодія), створена наприкінці 1960-х рр. Стівеном Вайнбергом, Шелдоном Гламшоу. Лінде зосередився на вивченні процесів ще більш ранніх стадіях розвитку Всесвіту, в перші 10 –30 з після його народження. Раніше здавалося малоймовірним, що до нас може дійти луна подій, що відбувалися у перші мілісекунди народження Всесвіту. Проте останніми роками сучасні методи астрономічних спостережень дозволили зазирнути у далеке минуле.

Проблеми космології

Розглядаючи теорію Великого вибуху, дослідники стикалися з проблемами, які раніше сприймалися як метафізичні. Однак питання незмінно виникали та вимагали відповідей.

Що було тоді, коли нічого не було? Якщо Всесвіт народився із сингулярності, значить, колись його не існувало. У «Теоретичній фізиці» Ландау та Ліфшиця сказано, що рішення рівнянь Ейнштейна не можна продовжити в область негативного часу, і тому в рамках загальної теорії відносності питання «Що було до народження Всесвіту?» не має сенсу. Однак це питання продовжує хвилювати всіх нас.

Чи перетинаються паралельні лінії? У школі нам казали, що ні. Однак коли мова заходить про космологію, відповідь не така однозначна. Наприклад, у замкнутому Всесвіті, схожому на поверхню сфери, лінії, які були паралельними на екваторі, перетинаються на північному та південному полюсах. Так чи правий Евклід? Чому Всесвіт здається плоским? Чи була вона такою з самого початку? Щоб відповісти на ці питання, необхідно встановити, що був Всесвіт на ранньому етапі розвитку.

Чому Всесвіт однорідний? Насправді, це не зовсім так. Існують галактики, зірки та інші неоднорідності. Якщо подивитися на ту частину Всесвіту, що знаходиться в межах видимості сучасних телескопів, та проаналізувати середню щільність розподілу речовини у космічних масштабах, виявиться, що вона однакова у всіх напрямках з точністю до 10 –5 . Чому ж Всесвіт однорідний? Чому у різних частинах Всесвіту діють одні й самі закони фізики? Чому Всесвіт такий великий? Звідки взялася енергія, потрібна для її виникнення?

Сумніви виникали завжди, і що більше вчені дізнавалися про будову та історію існування нашого світу, то більше запитань залишалося без відповідей. Однак люди намагалися про них не думати, сприймаючи великий однорідний Всесвіт і паралельні лінії, що не перетинаються, як даність, що не підлягає обговоренню. Останньою краплею, що змусила фізиків переглянути ставлення до теорії раннього Всесвіту, постала проблема реліктових монополів.

Існування магнітних монополів було запропоновано 1931 р. англійським фізиком-теоретиком Полем Діраком. Якщо такі частинки дійсно існує, то їх магнітний заряд повинен бути кратний певній заданій величині, яка, у свою чергу, визначається фундаментальною величиною електричного заряду. Майже на півстоліття ця тема була практично забута, але в 1975 р. було зроблено сенсаційну заяву про те, що магнітний монополь виявлено у космічних променях. Інформація не підтвердилася, але повідомлення знову пробудило інтерес до проблеми та сприяло розробці нової концепції.

Згідно з новим класом теорій елементарних частинок, що виник у 70-ті рр., монополі могли з'явитися в ранньому Всесвіті в результаті фазових переходів, передбачених Киржницем і Лінді. Маса кожного монополя в мільйон мільярдів разів більша за масу протона. У 1978–1979 pp. Зельдович, Хлопов і Прескілл виявили, що таких монополів народжувалося досить багато, так що зараз на кожен протон доводилося б монополем, а значить, Всесвіт був би дуже важким і повинен був швидко сколапсувати під своєю власною вагою. Той факт, що ми й досі існуємо, спростовує таку можливість.

Перегляд теорії раннього Всесвіту

Відповідь більшість перелічених питань вдалося отримати лише після виникнення інфляційної теорії.

Інфляційна теорія має довгу історію. Першу теорію такого типу запропонував 1979 року член-кореспондент РАН Олексій Олександрович Старобинський. Його теорія була досить складною. На відміну від наступних робіт, вона не намагалася пояснити, чому Всесвіт великий, плоский, однорідний, ізотропний. Тим не менш, вона мала багато важливих рис інфляційної космології.

У 1980 р. співробітник Массачусетського технологічного інституту Алан Гус ( Alan Guth) у статті «Роздувається Всесвіт: можливе вирішення проблеми горизонту і площинності» виклав цікавий сценарій Всесвіту, що роздмухується. Основною його відмінністю від традиційної теорії Великого вибуху став опис народження світобудови в період з 10-35 до 10-32 с. Гус припустив, що в цей час Всесвіт був у стані так званого «неправдивого» вакууму, при якому його щільність енергії була винятково велика. Тому розширення відбувалося швидше, ніж за теорією Великого вибуху. Ця стадія експоненційно швидкого розширення була названа інфляцією (роздуванням) Всесвіту. Потім хибний вакуум розпадався, і його енергія переходила в енергію звичайної матерії.

Теорія Гуса була заснована на теорії фазових переходів у ранньому Всесвіті розвиненому Кіржніца і Лінді. На відміну від Старобинського, Гус ставив своєю метою за допомогою одного простого принципу пояснити, чому Всесвіт великий, плоский, однорідний, ізотропний, а також чому монополів немає. Стадія інфляції могла вирішити ці проблеми.

На жаль, після розпаду помилкового вакууму в моделі Гуса Всесвіт виявлявся або дуже неоднорідним, або порожнім. Справа в тому, що розпад помилкового вакууму, як кипіння води в чайнику, відбувався за рахунок утворення бульбашок нової фази. Для того щоб енергія, що виділяється при цьому, перейшла в теплову енергію Всесвіту, необхідно було зіткнення стінок величезних бульбашок, а це мало б призводити до порушення однорідності та ізотропності Всесвіту після інфляції, що суперечить поставленому завданню.

Незважаючи на те, що модель Гуса не працювала, вона стимулювала розробку нових сценаріїв Всесвіту, що роздмухується.

Нова інфляційна теорія

У середині 1981 р. Лінде запропонував перший варіант нового сценарію Всесвіту, що роздмухується, що ґрунтується на більш детальному аналізі фазових переходів у моделі Великого об'єднання. Він дійшов висновку, що в деяких теоріях експоненційне розширення не закінчується відразу після утворення бульбашок, так що інфляція може йти не тільки до фазового переходу з утворенням бульбашок, а й після вже всередині них. У рамках цього сценарію спостерігається частина Всесвіту вважається що міститься всередині однієї бульбашки.

У новому сценарії Лінде показав, що розігрів після роздування відбувається за рахунок народження частинок під час коливань скалярного поля (див. нижче). Таким чином, зіткнення стінок бульбашок, що породжують неоднорідності, стали не потрібні, і тим самим було вирішено проблему великомасштабної однорідності та ізотропності Всесвіту.

Новий сценарій містив два ключові моменти: по-перше, властивості фізичного стану всередині бульбашок повинен змінюватися повільно, щоб забезпечувалося роздування всередині бульбашки; по-друге, на пізніших стадіях повинні відбуватися процеси, що забезпечують розігрів Всесвіту після фазового переходу. Через рік дослідник переглянув свій підхід, запропонований у новій інфляційній теорії, і дійшов висновку, що фазові переходи взагалі не потрібні, як переохолодження і помилковий вакуум, з якого починав Алан Гус. Це був емоційний шок, тому що треба було відмовитися від вважалися істинними уявлень про гарячий Всесвіт, фазові переходи і переохолодження. Потрібно було знайти новий спосіб вирішення проблеми. Тоді було висунуто теорію хаотичної інфляції.

Хаотична інфляція

Ідея, що лежить в основі теорії хаотичної інфляції Лінде, дуже проста, але для того, щоб її пояснити, потрібно запровадити поняття скалярного поля. Існують спрямовані поля - електромагнітне, електричне, магнітне, гравітаційне, але може бути принаймні ще одне - скалярне, яке нікуди не спрямоване, а є просто функцією координат.

Найближчим (хоч і не точним) аналогом скалярного поля є електростатичний потенціал. Напруга в електричних мережах США - 110 В, а в Росії - 220 В. Якби людина однією рукою трималася за американський провід, а іншою - за російську, її убила б різниця потенціалів. Якби напруга скрізь була однаковою, не було б різниці потенціалів і струм би не тік. Так ось у постійному скалярному полі різниці потенціалів немає. Тому ми не можемо побачити постійне скалярне поле: воно виглядає як вакуум, який в деяких випадках може мати велику щільність енергії.

Вважається, що без полів такого типу важко створити реалістичну теорію елементарних частинок. Останніми роками було виявлено майже всі частки, передбачені теорією електрослабких взаємодій, крім скалярної. Пошук таких частинок - одна з основних цілей величезного прискорювача, що зараз будується в ЦЕРНі, Шейцарія.

Скалярне поле було практично у всіх інфляційних сценаріях. Гус запропонував використати потенціал із кількома глибокими мінімумами. Новій інфляційній теорії Лінді був потрібний потенціал із майже плоскою вершиною, але пізніше, у сценарії хаотичної інфляції, виявилося, що достатньо взяти звичайну параболу, і все спрацьовує.

Розглянемо найпростіше скалярне поле, щільність потенційної енергії якого пропорційна квадрату його величини, подібно до того, як енергія маятника пропорційна квадрату його відхилення від положення рівноваги:

Маленьке поле нічого не знатиме про Всесвіт і коливатиметься поблизу свого мінімуму. Однак якщо поле буде досить велике, воно буде скочуватися вниз дуже повільно, розганяючи Всесвіт за рахунок своєї енергії. У свою чергу швидкість руху Всесвіту (а не будь-які частинки) буде загальмовувати падіння скалярного поля.

Таким чином, велике скалярне поле призводить до великої швидкості розширення Всесвіту. Велика швидкість розширення Всесвіту заважає спадати полю і тим самим не дає щільності потенційної енергії зменшуватися. А більша щільність енергії продовжує розганяти Всесвіт з дедалі більшою швидкістю. Цей режим, що самопідтримується, і призводить до інфляції, експоненційно швидкого роздування Всесвіту.

Щоб пояснити цей дивовижний ефект, необхідно спільно вирішити рівняння Ейнштейна для масштабного фактора Всесвіту:

та рівняння руху для скалярного поля:

Тут Н - так звана стала Хаббла, пропорційна щільності енергії скалярного поля маси m (ця стала насправді залежить від часу); G – гравітаційна постійна.

Дослідники вже розглядали, як скалярне поле поводитиметься на околицях чорної дірки та під час колапсу Всесвіту. Але чомусь режим експоненційного розширення не було знайдено. А слід лише написати повне рівняння для скалярного поля, яке у стандартному варіанті (тобто без урахування розширення Всесвіту) виглядало як рівняння для маятника:

Але втрутився деякий додатковий член - сила тертя, який був із геометрією; його спочатку ніхто не враховував. Він є твір постійної Хаббла на швидкість руху поля:

Коли стала Хаббла була великою, тертя теж було велике, і скалярне поле зменшувалося дуже повільно. Тому й стала Хаббла, що є функцією скалярного поля, тривалий час майже не змінювалася. Рішення рівняння Ейнштейна з постійною мінливою Хаббла описує експоненційно швидко розширюється Всесвіт.

Ця стадія експоненційно швидкого розширення Всесвіту і називається інфляцією.

Чим відрізняється цей режим від звичайного розширення Всесвіту, заповненого звичайною речовиною? Припустимо, що Всесвіт, заповнений пилом, розширився в 2 рази. Тоді її обсяг зріс у 8 разів. Значить, в 1 см 3 стало у 8 разів менше пилу. Якщо вирішити рівняння Ейнштейна для такого Всесвіту, то виявиться, що після Великого вибуху щільність речовини швидко падала, а швидкість розширення Всесвіту швидко зменшувалась.

Те саме було б і зі скалярним полем. Але поки поле залишалося дуже великим, воно саме себе підтримувало, як барон Мюнхгаузен, який витягав себе з болота за кіску. Це було можливим за рахунок сили тертя, яка була істотною при великих значеннях поля. Відповідно до теорій нового типу Всесвіт швидко розширювався, а поле майже не змінювалося; відповідно, не змінювалася і густина енергії. Отже, розширення відбувалося експоненційно.

Поступово поле поменшало, постійна Хаббла теж зменшилася, тертя стало маленьким, і поле почало вагатися, породжуючи елементарні частки. Ці частинки стикалися, обмінювалися енергією і поступово прийшли у стан термодинамічної рівноваги. В результаті Всесвіт став гарячим.

Раніше вважалося, що Всесвіт був гарячим із самого початку. До цього висновку приходили, вивчаючи мікрохвильове випромінювання, яке інтерпретували як наслідок Великого вибуху та подальшого остигання. Потім почали думати, що спочатку Всесвіт був гарячим, потім відбулася інфляція, і після нього Всесвіт знову став гарячим. Проте, теоретично хаотичної інфляції перша гаряча стадія виявилася непотрібною. Але навіщо нам знадобилася стадія інфляції, якщо наприкінці цієї стадії Всесвіт все одно став гарячим, як і в старій теорії Великого вибуху?

Експонентне розширення

Є три найпростіші моделі Всесвіту: плоский, відкритий і замкнутий. Плоский Всесвіт схожий на поверхню рівного столу; паралельні лінії у такому Всесвіті завжди залишаються паралельними. Відкритий Всесвіт схожий на поверхню гіперболоїда, а замкнутий Всесвіт схожий на поверхню кулі. Паралельні лінії в такому Всесвіті перетинаються на його північному та південному полюсах.

Припустимо, що ми живемо в замкнутому Всесвіті, який спочатку був маленьким як кулька. За теорією Великого вибуху, вона зростала до порядних розмірів, але все одно залишалася відносно невеликою. А згідно з інфляційною теорією, крихітна кулька в результаті експоненційного вибуху за дуже короткий час стала величезною. Перебуваючи на ньому, спостерігач побачив би пласку поверхню.

Уявімо Гімалаї, де існує безліч різних уступів, ущелин, провалля, улоговин, кам'яних брил, тобто неоднорідностей. Але раптом хтось або щось зовсім неймовірно збільшив гори до гігантських розмірів, або ми зменшилися, як Аліса в Країні чудес. Тоді, перебуваючи на вершині Евересту, ми побачимо, що вона зовсім плоска - її хіба що розтягнули, і неоднорідності перестали мати якесь значення. Гори залишилися, але для того, щоб піднятися хоча б на один метр, потрібно піти неймовірно далеко. Таким чином, може бути вирішена проблема однорідності. Цим пояснюється, чому Всесвіт плоский, чому паралельні лінії не перетинаються і чому немає монополі. Паралельні лінії можуть перетинатися, і монополі можуть існувати, але так далеко від нас, що ми не можемо цього побачити.

Виникнення галактик

Маленький Всесвіт став колосальним, і все стало однорідним. Але як бути з галактиками? Виявилося, що в ході експоненційного розширення Всесвіту маленькі квантові флуктуації, що існують завжди, навіть у порожньому просторі через квантово-механічний принцип невизначеності, розтягувалися до колосальних розмірів і перетворювалися на галактики. Згідно з інфляційною теорією, галактики - це результат посилення квантових флуктуацій, тобто посилений і замерзлий квантовий шум.

Вперше на цю разючу можливість вказали співробітники ФІАН В'ячеслав Федорович Муханов та Геннадій Васильович Чибісов у роботі, заснованій на моделі, запропонованій у 1979 р. Старобінським. Незабаром після цього, аналогічний механізм було виявлено в новому інфляційному сценарії та теорії хаотичної інфляції.

Небо в цятку

Квантові флуктуації приводили не тільки до народження галактик, але і до виникнення анізотропії реліктового випромінювання з температурою приблизно 2,7 К, що приходить до нас із далеких областей Всесвіту.

Дослідити реліктове випромінювання вченим допомагають сучасні штучні супутники Землі. Найцінніші дані вдалося отримати за допомогою космічного зонда WMAP ( Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), названого так на честь астрофізика Девіда Вілкінсона ( David Wilkinson). Роздільна здатність його апаратури в 30 разів більша, ніж у його попередника - космічного апарату COBE.

Раніше вважалося, що температура піднебіння всюди дорівнює 2,7 К, проте WMAP зміг виміряти її з точністю до 10 -5 К з високою кутовою роздільною здатністю. Згідно з даними, отриманими за перші 3 роки спостережень, небо виявилося неоднорідним: десь гаряче, а десь холодніше. Найпростіші моделі інфляційної теорії передбачили брижі на небі. Але поки телескопи не зафіксували його плямистість, спостерігалося лише триградусне випромінювання, що слугувало найпотужнішим підтвердженням теорії гарячого Всесвіту. Тепер з'ясувалося, що теорії гарячого Всесвіту не вистачає.

Вдалося отримати фотографії роздутих квантових флуктуацій, які з'явилися через 10-30 після народження світобудови і збереглися до наших днів. Дослідники не тільки виявили плямистість піднебіння, але й вивчили спектр плям, тобто інтенсивність сигналу на різних кутових напрямках.

Результати проведених за допомогою WMAP високоточних вимірювань поляризації випромінювання підтвердили теорію розширення Всесвіту та дозволили встановити, коли відбулася іонізація міжгалактичного газу, викликана першими зірками. Отримана з супутника інформація підтвердила положення інфляційної теорії про те, що ми живемо у великій плоскій Всесвіті.

На малюнку червоною лінією показано прогноз інфляційної теорії, а чорні точки відповідають експериментальним даним WMAP. Якби Всесвіт не був плоским, то пік графіка знаходився б правіше або лівіше.

Вічна та нескінченна

Подивимося ще раз на малюнок, що показує найпростіший потенціал скалярного поля (див. вище). В області, де скалярне поле замало, воно осцилює, і Всесвіт не розширюється експоненційно. В області, де поле досить велике, воно повільно спадає і на ньому виникають маленькі флуктуації. У цей час відбувається експоненційне розширення та йде процес інфляції. Якби скалярне поле було ще більше (на графіку відзначено блакитним кольором), то за рахунок величезного тертя воно б майже не зменшувалося, квантові флуктуації були б величезні, і Всесвіт міг стати фрактальним.

Припустимо, що Всесвіт швидко розширюється, а в якомусь місці скалярне поле, замість того, щоб котитися до мінімуму енергії, через квантові флуктуації підскакує вгору (див. вище). Там, де поле підскочило, Всесвіт розширюється експоненційно швидше. Низькорозташоване поле навряд чи підскочить, але чим вище воно буде, тим більша ймовірність такого розвитку подій, а значить, і експоненційно більшого обсягу нової області. У кожній з таких рівних областей поле теж може підскочити нагору, що призводить до створення нових частин Всесвіту, що експоненційно зростають. В результаті цього, замість того щоб бути схожою на одну величезну кулю, що росте, наш світ стає схожим на вічно зростаюче дерево, що складається з багатьох таких куль.

Інфляційна теорія дає нам єдине відоме зараз пояснення однорідності спостережуваної частини Всесвіту. Парадоксальним чином ця ж теорія передбачає, що в гранично великих масштабах наш Всесвіт абсолютно неоднорідний і виглядає як величезний фрактал.

На малюнку схематично показано, як одна область Всесвіту, що роздмухується, породжує все нові і нові її частини. У цьому сенсі вона стає вічною і самовідновлюваною.

Властивості простору-часу та закони взаємодії елементарних частинок один з одним у різних областях Всесвіту можуть бути різні, так само як і розмірності простору, і типи вакууму.

Цей факт заслуговує на більш детальне пояснення. Згідно з найпростішою теорією з одним мінімумом потенційної енергії, скалярне поле котиться вниз до цього мінімуму. Однак більш реалістичні версії допускають безліч мінімумів з різною фізикою, що нагадує воду, яка може перебувати в різних станах: рідкому, газоподібному та твердому. Різні частини Всесвіту також можуть перебувати у різних фазових станах; це можливо в інфляційній теорії навіть без урахування квантових флуктуацій.

Наступним кроком, заснованим на вивченні квантових флуктуацій, є теорія Всесвіту, що самовідновлюється. У цій теорії враховується процес постійного відтворення областей, що роздуваються, і квантові стрибки з одного вакуумного стану в інший, що перебирають різні можливості і розмірності.

Так Всесвіт стає вічним, нескінченним і різноманітним. Весь Всесвіт ніколи не сколапсує. Однак це не означає, що немає сингулярності. Навпаки, значна частина фізичного обсягу Всесвіту постійно перебуває у стані, близькому до сингулярному. Але оскільки різні обсяги проходять його в різний час, єдиного кінця простору-часу, після якого всі області зникають, немає. І тоді питання про множинність світів у часі та у просторі набуває зовсім іншого звучання: Всесвіт може самовідтворюватися нескінченно у всіх своїх можливих станах.

Це твердження, в основі якого лежали роботи Лінде, зроблені ним у 1986 році, набуло нового звучання кілька років тому, коли фахівці з теорії струн (лідируючий кандидат на роль теорії всіх фундаментальних взаємодій) дійшли висновку, що в цій теорії можливо 10 100 –10 1000 різних вакуумних станів Ці стани відрізняються за рахунок надзвичайного розмаїття можливого устрою світу на надмалих відстанях.

У сукупності з теорією інфляційного Всесвіту, що самовідновлюється, це означає, що Всесвіт під час інфляції розбивається на нескінченно багато частин з неймовірно великою кількістю різних властивостей. Космологи називають цей сценарій теорією вічного інфляційного мультивсесвіту ( multiverse), а фахівці з теорії струн називають це струнним ландшафтом.

25 років тому інфляційна космологія виглядала як щось проміжне між фізичною теорією та науковою фантастикою. За минулий час багато прогнозів цієї теорії було перевірено, і вона поступово набула рис стандартної космологічної парадигми. Але заспокоюватись ще зарано. Ця теорія і зараз продовжує швидко розвиватися та змінюватися. Основна проблема – розробка моделей інфляційної космології заснованих на реалістичних варіантах теорії елементарних частинок та теорії струн. Це питання може бути темою окремої доповіді.

Що б трапилося, якби в далекому минулому простір Всесвіту знаходився у стані хибного вакууму? Якщо щільність матерії в ту епоху була меншою, ніж потрібно для врівноваження Всесвіту, тоді домінувала б гравітація, що відштовхує. Це викликало б розширення Всесвіту, навіть якби спочатку він не розширювався.

Щоб зробити наші уявлення більш певними, вважатимемо, що Всесвіт замкнутий. Тоді вона роздмухується подібно до повітряної кулі. Зі зростанням обсягу Всесвіту матерія розріджується, і її щільність падає. Однак густина маси помилкового вакууму є фіксованою константою; вона завжди залишається однаковою. Так що дуже швидко щільність матерії стає зневажливо малою, ми залишаємося з однорідним морем, що розширюється, хибного вакууму.

Розширення викликається натягом хибного вакууму, що перевершує тяжіння, пов'язане із щільністю його маси. Оскільки жодна з цих величин не змінюється з часом, темп розширення залишається високою точністю постійним. Цей темп характеризують пропорцією, у якій Всесвіт розширюється за одиницю часу (скажімо, за секунду). За змістом ця величина дуже схожа темп інфляції економіки - відсоткове збільшення цін протягом року. 1980 року, коли Гут вів семінар у Гарварді, рівень інфляції у США становив 14%. Якби це значення залишалося незмінним, ціни подвоювалися б кожні 5.3 роки. Аналогічно, постійний темп розширення Всесвіту має на увазі, що існує фіксований інтервал часу, протягом якого розмір Всесвіту збільшується вдвічі.
Зростання, яке характеризується постійним часом подвоєння, називають експоненціальним. Відомо, що дуже швидко призводить до гігантським числам. Якщо сьогодні шматок піци коштує 1 долар, то через 10 циклів подвоєння (53 роки в нашому прикладі) його ціна становитиме $10^(24)$ долара, а через 330 циклів досягне $10^(100)$ доларів. Це колосальне число, одиниця, за якою слідує 100 нулів, має спеціальну назву - гугол. Гут запропонував використати в космології термін інфляція для опису експоненційного розширення Всесвіту.

Час подвоєння для всесвіту, заповненого помилковим вакуумом, неймовірно короткий. І чим вища енергія вакууму, тим вона коротша. У разі електрослабкого вакууму всесвіт розшириться в гугол разів за одну тридцяту мікросекунди, а в присутності вакууму Великого об'єднання це станеться в $10^(26)$ разів швидше. За таку коротку частку секунди область розміром з атом роздмухується до розмірів, що набагато перевершують весь Всесвіт, що спостерігається сьогодні.

Оскільки помилковий вакуум нестабільний, він зрештою розпадається, і його енергія запалює вогненну кулю частинок. Ця подія позначає кінець інфляції та початок звичайної космологічної еволюції. Тим самим, з крихітного вихідного зародка ми отримуємо величезних розмірів гарячий Всесвіт, що розширюється. А як додатковий бонус у цьому сценарії дивним чином зникають проблеми горизонту та плоскої геометрії, характерні для космології Великого вибуху.

Суть проблеми горизонту полягає в тому, що відстані між деякими частинами Всесвіту, що спостерігається, такі, що вони, мабуть, завжди були більші за відстань, пройдену світлом з моменту Великого вибуху. Це передбачає, що вони ніколи не взаємодіяли один з одним, тоді важко пояснити, як вони досягли майже точної рівності температур і щільностей. У стандартній теорії Великого вибуху шлях, пройдений світлом, зростає пропорційно до віку всесвіту, тоді як відстань між областями збільшується повільніше, оскільки космічне розширення сповільнюється гравітацією. Області, які не можуть взаємодіяти сьогодні, зможуть впливати одна на одну в майбутньому, коли світло покриє відстань, що розділяє їх. Але в минулому пройдена світлом відстань стає ще коротшою, ніж треба, тож якщо області не можуть взаємодіяти сьогодні, вони тим більше не були здатні до цього раніше. Корінь проблеми, таким чином, пов'язаний з природою, що притягує гравітації, через яку розширення поступово сповільнюється.

Однак у всесвіті з хибним вакуумом гравітація відштовхує, і замість того, щоб уповільнювати розширення, вона прискорює його. У цьому становище змінюється протилежне: області, які можуть обмінюватися світловими сигналами, у майбутньому втратить цю можливість. І, що важливіше, ті області, які сьогодні недосяжні одна одній, мали взаємодіяти у минулому. Проблема обрію зникає!
Проблема плоского простору дозволяється так само легко. Виявляється, що Всесвіт віддаляється від критичної щільності, тільки якщо її розширення сповільнюється. У разі прискореного інфляційного розширення все навпаки: Всесвіт наближається до критичної щільності, а значить, стає більш плоским. Оскільки інфляція збільшує Всесвіт у колосальне число разів, нам видно лише крихітну її частину. Ця область, що спостерігається, виглядає плоскою подібно до нашої Землі, яка теж здається плоскою, якщо дивитися на неї, перебуваючи поблизу поверхні.

Отже, короткий період інфляції робить Всесвіт великим, гарячим, однорідним і плоским, створюючи саме такі початкові умови, які потрібні для стандартної космології Великого вибуху.
Теорія інфляції почала підкорювати світ. Що ж до самого Гута, то його перебування у статусі постдоку закінчилося. Він прийняв пропозицію від своєї альма-матер, Массачусетського технологічного інституту, де й продовжує працювати досі.

Уривок із книги А. Віленкіна "Many Worlds in One: The Search for Other Universes"

Інфляційна модель Всесвіту(лат. inflatio «здуття») - гіпотеза про фізичний стан і закон розширення Всесвіту на ранній стадії Великого вибуху (при температурі вище 10 28 ), що передбачає період прискореного порівняно зі стандартною моделлю гарячого Всесвіту розширення.

Перший варіант теорії був запропонований в 1981 році Аланом Гутом, проте ключовий внесок у її створення зробили радянські та екс-радянські астрофізики Олексій Старобинський, Андрій Лінде, В'ячеслав Муханов та низка інших.

Недоліки моделі гарячого Всесвіту

де ρ (\displaystyle \rho )- Середня щільність Всесвіту.

Недоліком такої моделі є вкрай високі вимоги до однорідності та ізотропності початкового стану, відхилення яких призводить до низки проблем.

Проблема великомасштабної однорідності та ізотропності Всесвіту

Розмір спостережуваної області Всесвіту l 0 (\displaystyle l_(0))по порядку величини збігається з хаблівською відстанню r H = c / H 0 ≈ 10 28 (\displaystyle r_(H)=c/H_(0)\approx 10^(28))см (де H- постійна Хаббла), тобто в силу кінцівки швидкості світла і кінцівки віку Всесвіту можна спостерігати лише області (і об'єкти і частки, що знаходяться в них), що знаходяться зараз один від одного на відстані l ≤ l 0 (\displaystyle l\leq l_(0)). Однак у планківську епоху Великого вибуху відстань між цими частинками становила:

а розмір причинно-пов'язаної області (горизонту) визначався відстанню:

(планківський час ( t P l a n c k ≈ 10 − 43 (\displaystyle t_(\mathrm (Planck) )\approx 10^(-43))сек), тобто в обсязі l ′ (\displaystyle l") містилося ~10 90 таких планківських областей, причинний зв'язок (взаємодія) між якими був відсутній. Ідентичність початкових умов у такій кількості причинно незв'язаних областей є вкрай малоймовірною. Крім того, і в пізніші епохи Великого вибуху проблема ідентичності початкових умов у причинно незв'язаних областях не знімається: так, в епоху рекомбінації, що зараз спостерігаються фотони реліктового випромінювання, що приходять до нас з близьких напрямків (розрізняються на кутові секунди), повинні були взаємодіяти з областями первинної плазми, між якими, згідно зі стандартною моделлю гарячого Всесвіту, не встиг установитися причинний зв'язок за весь час їх існування від t P l a n c k . (\displaystyle t_(\mathrm (Planck) ).)Таким чином, можна було б очікувати суттєвої анізотропності реліктового випромінювання, проте спостереження показують, що воно високою мірою ізотропне (відхилення не перевищують ~10 -4).

Проблема плоского Всесвіту

Згідно з даними спостережень, середня щільність Всесвіту ρ (\displaystyle \rho )близька до т.з. критичної щільності , коли він кривизна простору Всесвіту дорівнює нулю. Однак, згідно з розрахунковими даними, відхилення щільності ρ (\displaystyle \rho )від критичної щільності ρ c r i t (\displaystyle \rho _(\mathrm (crit) ))згодом має збільшуватися, і для пояснення просторової кривизни Всесвіту, що спостерігається, в рамках стандартної моделі гарячого Всесвіту доводиться постулювати відхилення щільності в планківську епоху. ρ P l an c k (\displaystyle \rho _(\mathrm (Planck) ))від ρ c r i t (\displaystyle \rho _(\mathrm (crit) ))не більше ніж на 10 −60 .

Проблема великомасштабної структури Всесвіту

Інфляційна модель передбачає заміну статечного закону розширення R (t) ~ t 1 / 2 (\displaystyle R(t)\sim t^(1/2))на експоненційний закон:

де H(t) = (1/R) d R / d t (\displaystyle H(t)=(1/R)dR/dt)- стала Хаббла інфляційної стадії, у вигляді залежна від часу.

Значення постійної Хаббла на стадії інфляції становить 1042 сек −1 > H> 10 36 сек −1 , тобто гігантськи перевершує її сучасне значення. Такий закон розширення може бути забезпечений станами фізичних полів («інфлатонного поля»), які відповідають рівнянню стану p = − ε (\displaystyle p=-\varepsilon ), тобто негативного тиску; ця стадія отримала назву інфляційної (