Величайшая из рассказанных историй - Часть 2

Этан Зигель,

Величайшая из рассказанных историй

- Часть 6

Есть теория, которая утверждает, что если находится кто-то, кто открывает, для чего и почему существует Вселенная, она тут же исчезает и заменяется чем-то более загадочным и непонятным.

И есть еще одна теория - что это уже произошло.

Дуглас Адамс (Douglas Adams)

Мы начали серию Величайшая из рассказанных историй с теории инфляции - когда Вселенная расширялась экспоненциально. Мы увидели достаточно доказательств инфляции, рассматривая геометрию Вселенной, выглядящей плоской,

рассмотрев также тот факт, что физические свойства Вселенной начинаются с одинаковых исходных условий (подразумевающих, что все они изначально находились во взаимодействии, несмотря на то, что затем миллиарды лет были разделены огромными расстояниями), и также спектр первичных флуктуаций, которые оказались точно такими, какими мы ожидали от инфляции.

И что дальше?

Если вы скажете - Большой Взрыв, вы на верном пути. Инфляция позаботилась о трех важных вещах и сделала Вселенную плоской, практически идеально однородной, где есть всего лишь небольшие отклонения от этой однородности. Но за этим мы должны уладить вопросы с тем, что Вселенная полна материи, антиматерии и энергии. Нам нужно, чтобы Вселенная была очень горячей, исключительно плотной и расширялась очень быстро - но не экспоненциально - со знанием того, что она будет охлаждаться.

И как это сделать? Как можно прийти от инфляционной Вселенной:

к той, которая содержит зерна современной нам Вселенной? Проблема с инфляционной Вселенной в том, мы берем малюсенькую область пространства со всем наполняющим ее материалом и растягиваем ее экспоненциально на миллиарды миллиардов световых лет. Не важно, сколько материи и энергии было в этой маленькой области, вы просто берете и растягиваете ее в масштаб больший, чем вся наблюдаемая Вселенная, уменьшая плотность до значения вроде один протон на одну Вселенную.

(Image credit: Ned Wright.)

Независимо от того, какой температурой обладала Вселенная в начале, она станет ужасно холодной по мере протекания инфляции. Холодной - значит, с температурой абсолютного нуля. И еще, мы хотим сделать большой взрыв, создав всю материю и энергию, которая есть сейчас во Вселенной. Как мы это сделаем?

Также, как работает гидроэлектростанция. У воды сверху есть потенциальная энергия, по мере ее падения ниже и ниже, потенциальная энергия переходит в кинетическую, или энергию движения. Но она также может крутить турбины и генерировать электричество. Этот удивительно простое и полезное явление перехода энергии из одного состояния в другое - основа большинства современных технологий.

Ну и вот, во время инфляции, что-то управляет экспоненциальным расширением Вселенной. Наилучшие теоретические работы говорят нам, что это что-то вроде невероятно огромной энергии вакуума, которая, в ином смысле, во время инфляции - сам космос, этот экспоненциально расширяющийся космос с невероятным количеством скрытой в нем потенциальной энергии.

Итак, этот вторичный нагрев - процесс, в котором вся эта потенциальная энергий преобразуется в другую форму энергии, называемой массой.

А как это возможно физически? В нашей гидроэлектростанции, сила тяжести обеспечивает потенциальную энергию, и по мере вашего продвижения к уровню с низкой энергией (с меньшей высотой), вода приобретает скорость и импульс, которые можно использовать для вращения турбин и генерирование энергии.

В инфляционной Вселенной, причина инфляции сама по себе содержит потенциальную энергию. А знаем ли мы точно, что вызывает эту инфляцию? Нет. Мы можем проэкстраполировать известную нам физику и изобрести новый класс частиц, вызывавших инфляцию - инфлатоны - но мы не знаем, насколько такая экстраполяция хороша. Если какая-то другая частица, или даже одна из них - такая, как кварк, электрон или фотон, взаимодействует с этой инфляцией, она вытягивает потенциальную энергию из поля так же, как потенциальная энергия катящегося вниз с горы мяча вытягивается и преобразуется в другие формы энергии.

Этот вопрос - как мы пришли от инфляционной Вселенной ко Вселенной, где доминирует материя и энергия, и в которой мы живем, - один из величайших открытых вопросов физики и астрономии. Это великое основание для теоретиков, потому, что у нас есть много идей и ограничений, следующих из наблюдений, оставляющих по-прежнему очень много места для воображения. Здесь персонально я сказал бы - я пока не знаю. Мы знаем, что произошла инфляция, но не знаем, что ее вызвало. Мы знаем, что она закончился в какой-то точке и породила Большой Взрыв, но пока еще не представляем себе, какой физический механизм вызвал этот взрыв.

Скажу еще раз. Пока - мы не знаем, какая физика стоит за инфляцией, что ее начало, что ее закончило и привело к Большому Взрыву, дав жизнь нашей Вселенной, наполненной материей и энергией. Это может быть также повторяющейся темой для очень ранней и очень поздней Вселенной - имея доказательство, что произошло некое явление, но не зная, какой механизм вызвал его. Увидимся снова в части 3, где мы наконец-то поговорим о Большом Взрыве!