Вечность. В поисках окончательной теории времени

Гут совместил эти идеи в своем сценарии инфляционной Вселенной. Вообразите, что гипотетическое поле инфлатона пребывает в точке A, в одном из ложных вакуумов. Поле вносит существенный вклад в энергию вакуума, вследствие чего Вселенная ускоренно расширяется. Теперь нам остается лишь объяснить, как поле сумело переместиться из ложного вакуума A в истинный вакуум B, в котором мы сейчас живем, — как случился этот фазовый переход, превращающий энергию, запертую в поле, в обычную материю и излучение. Изначально Гут предположил, что это произошло, когда в ложном вакууме появились пузыри истинного вакуума, которые затем увеличились и, столкнувшись с другими пузырями, заполнили все пространство. Как выясняется, такой вариант, известный сегодня под названием старой инфляции, не работает; переход случается либо слишком быстро, и тогда инфляционного расширения не хватает, либо слишком медленно, и тогда инфляция никогда не заканчивается.

К счастью, вскоре после публикации первоначальной статьи Гута было сделано альтернативное предположение: представьте себе, что инфляция не застряла во «впадине» ложного вакуума, а начинается на возвышенном плато — длинном и почти плоском. Поле медленно катится вниз по плато, сохраняя почти постоянную энергию, и в конце концов падает с обрыва (фазовый переход). Это называется новой инфляцией, и в настоящее время это самая популярная среди космологов реализация идеи инфлатирующей Вселенной.[268]

Однако этим дело не ограничивается. Помимо решения проблем горизонта, плоскостности и монополей, к инфляции также прилагается совершенно неожиданный бонус: она способна объяснить истоки небольших флуктуаций плотности ранней Вселенной, которые впоследствии выросли в звезды и галактики.

^{Рис. 14.7. Кривая потенциальной энергии, соответствующая «новой инфляции». Поле никогда не застревает во впадине, а просто очень медленно катится вниз с возвышенного плато, прежде чем рухнуть в минимум. Плотность энергии в течение этой фазы не постоянна, но близка к тому}

Механизм прост и неизбежен: квантовые флуктуации. Инфляция старается изо всех сил, для того чтобы сделать Вселенную как можно более однородной, но ей не преодолеть фундаментальный предел, определяемый квантовой механикой. Конфигурация не может стать слишком однородной, иначе мы нарушим принцип неопределенности Гейзенберга, описав состояние Вселенной слишком точно. Неизбежная квантовая нечеткость в плотности энергии от места к месту во время инфляции оставляет свой отпечаток на плотности материи и излучения, в которые инфляция преобразуется, а это можно перевести в очень точные и конкретные предсказания того, какие типы возмущений плотности мы должны увидеть в ранней Вселенной. Это те самые начальные возмущения, приводящие к температурным флуктуациям микроволнового фонового излучения и вырастающие в конечном итоге в звезды, галактики и кластеры. Пока предсказанные инфляцией типы возмущений прекрасно согласуются с данными наблюдений.[269] Дух захватывает, когда смотришь на небо, на все эти галактики, рассыпанные по пространству, и понимаешь, что все они зародились в квантовых флуктуациях, когда Вселенной была всего лишь доля секунды от роду.

Вечная инфляция

После того как инфляция была предложена, космологи рьяно взялись за изучение ее свойств в самых разных моделях. В ходе этих исследований российско-американские физики Александр Виленкин и Андрей Линде заметили кое-что интересное: стоит инфляции начаться, и она, судя по всему, никогда не останавливается.[270]

Для того чтобы понять это, проще всего на самом деле вернуться к идее старой инфляции, хотя данное явление так же характерно и для новой инфляции. В старой инфляции инфляционное поле застряло в ложном вакууме, а не катится медленно по склону холма. Поскольку больше в пространстве ничего нет, Вселенная во время инфляции принимает форму пространства де Ситтера с очень высокой плотностью энергии. Главный фокус в том, как выбраться из этой фазы — как остановить инфляцию и заставить пространство де Ситтера превратиться в горячую расширяющуюся Вселенную традиционной модели Большого взрыва. Нам нужно каким-то образом преобразовать энергию, хранящуюся в состоянии ложного вакуума инфляционного поля, в обычную материю и излучение.