Реферат: Теорія інфляційного Всесвіту

У принципі, мабуть, можна побудувати скільки завгодно різних «сценаріїв» еволю­ції Всесвіту. Але претендувати на серйозне визнання можуть лише ті з них, які здатні встановити причинний зв'язок між минулим і теперішнім.

Як відомо, у XX сторіччі було розроблено теорію гаря­чого Всесвіту, що розширюється, згідно з якою фор­мування його сучасної структури було наслідком роз­ширення початкової надщільної і надгарячої плазми. Однак при розробці моделей різних стадій розширення вчені зіткнулися а цілою низкою труднощів і загадок. Деякі властивості сучасного Всесвіту явно суперечили теоретичним припущенням про попередні фази його еволюції.

Про які ж властивості світобудови, що не вклада­ються в сценарій гарячого розширюваного Всесвіту, йде мова? Насамперед про однорідність і ізотропію. У су­часному Всесвіті властивості будь-яких його досить великих ділянок приблизно однакові, а всі просторові напрями рівноправні. Проте в межах теорії Всесвіту, що розширюється, ця обставина виявляється вкрай загад­ковою. Насправді, у світі, в якому ми живемо, жодні фізичні взаємодії не можуть поширюватися з швидкістю, більшою за швидкість світла. З цього, між іншим, ви­пливає дуже важливий висновок: безпосередньо спосте­режувана нами ділянка Всесвіту завжди скінченна, в ній існує «обрій», поза який ми неспроможні зазирнути. Об'єкти, розташовані за цим «обрієм», перебувають від нас на таких величезних відстанях, що електромагнітні хвилі не встигли подолати їх за той час, впродовж якого наш Всесвіт існує.

Мало того, у Всесвіті є такі точки, які перебувають одна від одної на відстанях, що перевищують віддале­ність оптичного «обрію». Між ними не може бути жод­ної причинної залежності. Образно кажучи, одна з по­дібних точок не може «знати», що відбувається в іншій. Неважко підрахувати, що до таких «незалежних» точок можна віднести, наприклад, точки, розташовані на межах спостережуваної частини Всесвіту, які віддалені одна від одної на кутову відстань, більшу за 30°.

Водночас спостереження показують, що матерія, що міститься біля меж спостережуваного Всесвіту, скрізь має приблизно однакові властивості. Як таке могло ста­тися, коли у Всесвіті, що рівномірно розширюється, немає і не може бути жодного механізму, здатного ви­рівнювати неоднорідності на відстанях, які перевищують відстань оптичного «обрію»? Виникає і таке запитання: як погодити однорідність Всесвіту у великих масштабах з наявністю в ньому численної кількості «згущень» — галактик? І як з'явилися ті первинні неоднорідності, що з них ці зоряні острови утворилися?

Ще одна загадка пов'язана з так званою критичною густиною речовини, значення якої (3 • 10~29 г/см3) ви­пливає з рівняння загальної теорії відносності. Якщо середня густина більша за критичну, то розширення Всесвіту з часом повинне змінитися стисканням. У то­му ж разі, коли середня густина менша від критичної або дорівнює їй, розширення Всесвіту триватиме необмежено. При цьому в останньому випадку простір Всесвіту не викривлений, і геометрія такого світу близь­ка до евклідової геометрії на площині. Розуміти це слід не так, що чотиривимірний «простір — час» теорії від­носності е плоским, а що певні його перетини площина­ми мають евклідову геометрію.

Фактична середня густина речовини у нашому Все­світі (якщо не враховувати можливості існування маси спокою у нейтрино) є дуже близькою до критичного значення. Подібний збіг уявляється досить дивним.

І ще: чому простір, у якому ми живемо, має три виміри — не більше і не менше? Нині розробляються різні теорії, згідно з якими ми насправді живемо в про­сторі із значно більшою кількістю вимірів. Однак у всіх напрямах, крім трьох взаємно перпендикулярних — X, У і Z, наш простір «згорнуто», «скомпактифіко'вано». В зв'язку з цим наш простір уявляється нам тривимір­ним, а ми можемо переміщатися в ньому тільки у трьох напрямах. Але питання про те, чому простір «згорнув­ся» саме таким, а не якимось іншим чином, залишається без відповіді.

Є й інші питання, наприклад: що було до початку розширення, до початкового моменту £=0? Іншими сло­вами: з чого наш Всесвіт утворився?

Спроби знайти відповіді на всі ці питання і встанови­ти причинний зв'язок між гаданим початковим станом Всесвіту і його сучасними властивостями шляхом фор­мально-логічних висновків із класичного «сценарію» га­рячого Всесвіту, що розширюється, до успіху не при­вели.

Чи не означає це, що такий «сценарій» повинен бути забракований? Однак не слід забувати про те, що зв'я­зок минулого і майбутнього в реальному світі має діа­лектичний характер. Це означає, що еволюція матерії зовсім не обов'язково повинна проходити плавно і по­ступово — у процесі розвитку будь-якої матеріальної системи можуть відбуватися глибокі якісні стрибки. Чи не було такого «стрибка» в історії нашого Всесвіту?

Останніми роками ряд фізиків-теоретиків зайнялися розробкою досить незвичайної теорії: мета її полягає в тому, щоб з'ясувати фізичну природу того «стрибка», про який йде мова. В основу цієї теорії покладене при­пущення про те, що Всесвіт виник внаслідок квантової флуктуації вакууму.

Вакуум — прихована форма існування матерії, здат­на за певних умов породжувати матеріальні частинки без порушення законів збереження. Подібні умови мо­жуть складатися як під впливом зовнішніх сил, так і спонтанно, довільно. Завдяки одному з таких спонтан­них «сплесків» і утворився початковий об'єм Всесвіту розміром не більше 1033 см3, що містить не більше 10~5 г речовини.

Отже, на дуже ранній стадії своєї еволюції Всесвіт міг перебувати у вакуумоподібному стані, що мав вели­чезну густину енергії. В такій ситуації, як це випливає з рівнянь Ейнштейна, Всесвіт повинен був через 10~33 с після початку розширення пережити стадію надзвичай­но швидкого експоненціального роздування за законом ех, де х=Н. Величина Я —так звана стала Хаббла — характеризує швидкість розширення залежно від від­стані. При цьому треба враховувати, що Н змінюється з часом. У нашу епоху ця стала на десятки поряд­ків нижча, ніж була в період експоненціального розши­рення.

Розширення за законом е* відбувається подібно до того, як у сучасних капіталістичних країнах зростають ціни відповідно до швидкості інфляції. Тому іноді сце­нарій Всесвіту, що «роздувається» чи «розпухає», на­зивають сценарієм «інфляційного Всесвіту».

Стадія роздування тривала протягом 10~30 с, і за цей час першопочатковий об'єм Всесвіту зріс приблизно в 1050 разів.

Фізична сутність описуваних подій така. Згідно з існуючими теоретичними уявленнями вакуум має гра­вітаційні властивості. Однак ця «гравітація» породжує не притягання, а відштовхування, яке на відміну од звичайної гравітації зростає із збільшенням відстані пропорційно її першому степеню. У сучасному Всесвіті гравітація вакууму або зовсім відсутня, або е надзви­чайно малою. Але у початковий період розширення при колосальній температурі вона повинна була сягати вели­чезних значень. Такий стан дістав назву «несправжнього вакууму».

Спочатку гравітація вакууму була нижчою, ніж гра­вітація звичайної речовини. Проте у процесі розширення настав момент, коли вона її перевищила. Саме ця обста­вина і повинна була спричинити експоненціальне «роз­пухання» Всесвіту, яке відбувалося із швидкістю, що у багато разів перевищувала швидкість світла. Це «розпухання» супроводжувалося різким зменшенням густини звичайної речовини і не менш різким знижен­ням температури.

За теорією ця стадія тривала близько ІО"30 с, після чого внаслідок розвитку нестійкостей стався фазовий перехід від стану «несправжнього вакууму» до стану «справжнього вакууму», в процесі якого утворилася величезна кількість реальних частинок речовини з за­гальною масою близько 1058 г. При цьому вся енергія вакууму перейшла в енергію випромінювання, і Всесвіт розігрівся до надзвичайно високої температури. З цього моменту його еволюція описується стандартною теорією гарячого Всесвіту, що розширюється.

Теорія «інфляційного Всесвіту» здатна розв'язати багато з тих загадок, про які йшлося вище, наприклад проблему формування однорідності й ізотропії сучас­ного Всесвіту. До початку роздування всередині загаль­ного «горизонту» в близьких точках повинні були вста­новитися приблизно однакові температура й інші фізичні умови. Але в період роздування, що відбувалося з надсвітловою швидкістю, ці точки виявилися стрімко рознесеними на величезні відстані одна від одної.

Водночас абсолютна однорідність не виникла завдяки квантовим флуктуаціям деяких фізичних величин. Ці флуктуації зумовили виникнення невеликих неоднорідностей густини, які й стали центрами формування га­лактик.

Природне пояснення дістала й близькість середньої густини речовини в сучасному Всесвіті до критичного значення. Справа в тому, що згідно з теорією густина «несправжнього вакууму» у Всесвіті, що «розпухає», точно дорівнює критичній. Тому й густина речовини, яка виникає при розпаді «несправжнього вакууму», також має дорівнювати критичній густині.

Існує ще один цікавий наслідок інфляційного роз­дування. З теорії випливає, що після стадії «роздуван­ня» в районах, які в «доінфляційний» період були до­сить віддалені один від одного, могли сформуватися різні фізичні умови. І між такими районами—«доме­нами» — у процесі інфляційного розширення повинні були виникнути «доменні стінки».

У процесі дальшого розширення з таких районів утворилися «міні-всесвіти», а стінки, що розділяють їх, віддалилися одна від одної, зокрема і від нас,— за від­стань «оптичного горизонту». В цих досить віддалених один від одного регіонах, що різняться своїми фізични­ми властивостями, могли по-різному відбуватися і про­цеси компактифікації багатовимірного простору. Вна­слідок цього у різних «міні-всесвітах» могли сформува­тися простори різної розмірності.