О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга

В конце первичного инфляционного всплеска, огромной энергии, накопленной в инфлатонном поле, придется куда-то деваться – и она переходит в тепло. Когда инфляция прекращается, падающий инфлатон заполняет Вселенную горячим излучением. Часть этой тепловой энергии постепенно превращается в вещество. Эйнштейновская формула E = mc² говорит нам, что пока есть достаточное количество энергии (E) для порождения частиц определенной массы (m), путь для превращения высокоэнергетических частиц излучения (фотонов) в массивные частицы вещества открыт. В конце вспышки инфляции огромная выделенная энергия вполне способна разогреть Вселенную до примерно тысячи триллионов триллионов градусов – этого более чем достаточно для создания 10⁵⁰ тонн вещества, содержащегося в наблюдаемой Вселенной.

Рис. 27. Плотность энергии инфлатонного поля (по вертикальной оси) при различных значениях поля (по горизонтальной оси). Когда Вселенная претерпевает инфляцию, поле на этом энергетическом ландшафте скатывается в «долину».

Итак, инфляция во мгновение ока – нет, гораздо, гораздо быстрее! – создает фантастически огромную однородную Вселенную. А как же замеченная спутником COBE рябь в распределении CMB? Действительно ли инфляция создает почти – и все же не совсем – идеально гладкую Вселенную?

Да, в сущности, это так. Как и все физические поля, инфлатон имеет квантовую природу, а значит, к нему применим принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому он должен быть подвержен неустранимой квантовой размытости. Как и в случае частиц, это значит, что чем точнее мы определим величину поля в некоторой точке, тем менее точно может быть известна скорость изменения этой величины в той же точке. Но если не определена скорость изменения поля, мы не можем сказать, какова будет его точная величина спустя мгновение. Выходит, квантовые поля состоят из странной вибрирующей смеси многих различных скоростей изменения и значений поля – что очень напоминает множество путей, в совокупности составляющих волновую функцию частицы.

В нормальных условиях такая квантовая дрожь исключительно слаба и ограничена микроскопическими масштабами. Но условия, которые создаются при всплеске космической инфляции, менее всего похожи на нормальные. К вящему своему изумлению, теоретики инфляции вскоре поняли, что грандиозный всплеск расширения, который они описали, должен привести к усилению и растягиванию микроскопических квантовых флюктуаций до макроскопических волнообразных изменений. Даже если инфлатон зарождается на минимальном уровне квантовых вибраций, разрешенном принципом неопределенности, всплеск инфляционного расширения трансформирует их в макроскопические дрожания, накладывающиеся на общую гладкость расширяющейся Вселенной и создающие в ней волнообразную структуру изменений поля, напоминающую рябь на поверхности тихого озера.

Здесь критическое значение имеет то, что, когда инфляция заканчивается и инфлатон высвобождает свою энергию в виде теплового взрыва, эти волнообразные изменения преобразуются в вариации параметров горячего первичного газа, заполняющего новорожденную Вселенную. И в итоге любая вселенная, возникающая в результате инфляции, будет содержать малые неоднородности как температуры излучения, так и плотности вещества. При наступающем замедлении космологического расширения все больше и больше этих первичных неоднородностей будет появляться в пределах нашего космологического горизонта и становиться видимыми – будто накатывающиеся на берег волны. Вот тут-то и обнаруживаются флюктуации температуры излучения – мы видим их как более теплые и более холодные пятна в распределении космического фона по разным направлениям на небе. Вариации плотности вещества имеют критически важное значение: это зерна, из которых впоследствии вырастут галактики. Области с более низкой исходной плотностью будут расширяться быстрее и образовывать пустоты; области с большим количеством вещества будут продолжать накапливать его за счет своего окружения. Таким образом, контраст распределения плотности во Вселенной будет расти. Эти процессы и породили в конечном счете крупномасштабную паутину распределения галактик, которую мы наблюдаем сегодня.

ВАРИАЦИИ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА ИМЕЮТ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНОЕ ЗНАЧЕНИЕ: ЭТО ЗЕРНА, ИЗ КОТОРЫХ ВПОСЛЕДСТВИИ ВЫРАСТУТ ГАЛАКТИКИ.