Що сталося б, якби в далекому минулому простір Всесвіту перебував у стані хибного вакууму? Якби густина матерії в ту епоху була меншою, ніж потрібно для врівноваження Всесвіту, тоді домінувала б гравітація відштовхування. Це спричинило б розширення Всесвіту, навіть якби спочатку він не розширювався.
Щоб зробити наші уявлення визначенішими, вважатимемо, що Всесвіт замкнутий. Тоді він роздувається подібно до повітряної кулі. Зі зростанням об’єму Всесвіту матерія розріджується, а її густина падає. Однак густина маси хибного вакууму є фіксованою сталою; вона завжди залишається однаковою. Тож дуже швидко густина матерії стає нехтовно малою, і нам залишається однорідне море хибного вакууму, що розширюється.
Розширення спричинене натягом хибного вакууму, який переважає притягання, пов’язане з густиною його маси. Оскільки жодна з цих величин не змінюється з часом, темп розширення з високою точністю залишається сталим. Цей темп характеризують пропорцією, в якій Всесвіт розширюється за одиницю часу (скажімо, за одну секунду). За змістом ця величина дуже схожа на темп інфляції в економіці — відсоткове зростання цін за рік. У 1980 році, коли Гут проводив семінар у Гарварді, рівень інфляції в США становив 14%. Якби це значення залишалося незмінним, ціни подвоювалися б кожні 5.3 року. Аналогічно, сталий темп розширення Всесвіту означає, що існує фіксований проміжок часу, протягом якого розмір Всесвіту збільшується вдвічі.
Зростання, яке характеризується сталим часом подвоєння, називають експоненціальним. Відомо, що воно дуже швидко приводить до гігантських чисел. Якщо сьогодні шматок піци коштує 1 долар, то через 1о 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 йдуть 100 нулів, має спеціальну назву — гугол. Гут запропонував використовувати в космології термін інфляція для опису експоненціального розширення Всесвіту.
Час подвоєння для всесвіту, заповненого хибним вакуумом, неймовірно короткий. І що вища енергія вакууму, то він коротший. У випадку електрослабкого вакууму всесвіт розшириться в гугол разів за одну тридцяту мікросекунди, а за наявності вакууму Великого об’єднання це станеться в $10^{26}$ разів швидше. За таку коротку частку секунди область розміром з атом роздується до розмірів, які набагато перевищують увесь спостережуваний сьогодні Всесвіт.
Оскільки хибний вакуум нестабільний, він зрештою розпадається, і його енергія запалює вогненну кулю з частинок. Ця подія знаменує кінець інфляції та початок звичайної космологічної еволюції. Таким чином, із крихітного початкового зародка ми отримуємо величезний гарячий Всесвіт, що розширюється. А як додатковий бонус у цьому сценарії дивовижним чином зникають проблеми горизонту та плоскої геометрії, характерні для космології Великого вибуху.
Суть проблеми горизонту полягає в тому, що відстані між деякими частинами спостережуваного Всесвіту такі, що вони, вочевидь, завжди були більшими за відстань, пройдену світлом від моменту Великого вибуху. Це означає, що вони ніколи не взаємодіяли одна з одною, а тоді важко пояснити, як вони досягли майже точної рівності температур і густин. 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 нарешті подолає відстань між ними. Але в минулому пройдена світлом відстань стає ще коротшою, ніж потрібно, тож, якщо області не можуть взаємодіяти сьогодні, вони тим паче не були здатні до цього раніше. Корінь проблеми, таким чином, пов’язаний із притягальною природою гравітації, через яку розширення поступово сповільнюється.
Однак у всесвіті з хибним вакуумом гравітація відштовхує і замість того, щоб сповільнювати розширення, прискорює його. При цьому становище змінюється на протилежне: області, які можуть обмінюватися світловими сигналами, у майбутньому втратять цю можливість. І, що важливіше, ті області, які сьогодні недосяжні одна для одної, мали взаємодіяти в минулому. Проблема горизонту зникає!
Проблема плоского простору розв’язується так само легко. Виявляється, що Всесвіт віддаляється від критичної густини, лише якщо його розширення сповільнюється. У випадку прискореного інфляційного розширення все навпаки: Всесвіт наближається до критичної густини, а отже, стає плоскішим. Оскільки інфляція збільшує Всесвіт у колосальну кількість разів, нам видно лише крихітну його частину. Ця спостережувана область 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 в статусі постдока закінчилося. Він прийняв пропозицію від своєї альма-матер, Массачусетського технологічного інституту, де й продовжує працювати дотепер.
Уривок із книги А. Віленкіна "Many Worlds in One: The Search for Other Universes"
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):