V. Kazyutinsky. Inflatorna kosmologija: teorija i naučna slika svijeta

Andrey Dmitrievich Linde, Univerzitet Stanford (SAD), profesor. 10. juna 2007. Moskva, FIAN

Prvo, moram reći da sam malo stidljiva. Mnogo puta sam govorio u ovoj sali. Prvo sam studirao ovde, a kada je sve počelo, bio sam student na Moskovskom univerzitetu, dolazio sam ovde na seminare, na FIAN. I svaki put kada sam sedeo na ovim seminarima, bilo je bolno, bilo mi je strašno zanimljivo, a takođe i neverovatno teško. Sve što je rečeno, shvatio sam, dobro, desetak posto. Mislio sam da sam, vjerovatno, ja, pa, takav idiot, ništa više ne razumijem, fizika mi neće ići... Ali stvarno sam htjela, nastavila sam hodati. I dalje imam ovih deset posto razumijevanja: u suštini, na seminarima na koje idem, razumijem oko deset posto. I onda sam napravio svoj prvi izvještaj ovdje. Gledao sam u lica ljudi, i imao sam utisak da i oni razumiju deset posto. A onda je moj kompleks inferiornosti nestao, barem djelimično. Malo je, vjerovatno, još ostalo... Zašto ovo govorim? Tema je prilično složena. A ako je deset posto jasno, onda ste na dobrom putu.

Ono o čemu ću sada govoriti povezano je sa teorijom inflatornog Univerzuma. Inflatorni univerzum, na ruskom se zvao "naduvavajući univerzum", ali standardni naziv je "inflatorni". Nedavno se pojavio takav izraz - „Multi-stih“. Ovo je izraz koji zamjenjuje riječ "Univerzum". Dakle, umjesto jednog univerzuma - mnogo univerzuma odjednom u jednom. Pa, na ruskom je, možda, najadekvatniji prijevod „višestrani svemir“. I to je ono o čemu ću sada pričati.

Ali prvo, opšti uvod u kosmologiju uopšte. Odakle inflatorna kosmologija (zašto je bila potrebna)? Šta je bilo prije toga (teorija Velikog praska). Prvo, nekoliko biografskih podataka. Starost Univerzuma, prema poslednjim posmatranim podacima... Kada pričam o godinama, svaki put kada kažem i negde u duši stavim mali zarez da se vratim na ovo i onda kažem da u stvari Univerzum može biti beskonačno star. Pa, ono što ljudi nazivaju starošću svemira je oko 13,7 milijardi godina sa tačnošću... možda i bolje od 10%. Sada ljudi to prilično dobro znaju. Veličina vidljivog dijela svemira... Šta znači "uočljivo"? Pa, svjetlost putuje do nas već 13,7 milijardi godina, pa pomnožite to sa brzinom svjetlosti i dobit ćete udaljenost na kojoj sada vidimo stvari. Ovo kažem, ali u mojoj duši se odmah ponovo stavlja zarez: u stvari, nije tako. Zato što vidimo nekoliko puta dalje od ovoga, jer ti objekti koji su nam poslali svjetlost prije 13,7 milijardi godina, sada su dalje od nas. I mi vidimo svjetlost od njih, a oni su dalje, tako da u stvarnosti vidimo više od brzine svjetlosti pomnožene vremenom postojanja Univerzuma.

Dalje. Prosječna gustina tvari je otprilike 10 -29 g / cm 3. Veoma malo. Ali mi živimo na mestu gde se kondenzovao... Težina vidljivog dela Univerzuma je veća od 10 50 tona. Težina u trenutku rođenja... ali ovo je najzanimljivija stvar. Kada je svemir rođen, ako računate tačno od trenutka Velikog praska, taman je bilo vrijeme t = 0 , tada njegova težina mora biti beskonačna. Ako računate od nekog drugog trenutka ... to se zove Plankov trenutak. Plankov momenat je trenutak 10 na minus stepen... Pa, ponekad ću ipak napisati na tabli... Dakle, t Planck je oko 10 minus četrdeset i treće sekunde ( t p ~ 10–43 s). Ovo je tačka u kojoj, po prvi put, možemo posmatrati svemir u terminima normalnog prostor-vremena, jer ako uzmemo objekte u vremenima manjim od ovog, ili na udaljenostima manjim od Planckove udaljenosti (to je 10 -33 cm ), - ako uzmemo manju udaljenost, onda na manjim udaljenostima prostor-vrijeme fluktuira toliko snažno da će ih biti nemoguće izmjeriti: ravnala se savijaju, sat se okreće, nekako nije dobro... Stoga počinje normalno razmatranje od ovog trenutka. I u tom trenutku Univerzum je imao neobično veliku težinu. Reći ću vam koji - malo kasnije. I šta je inflatorni Univerzum uradio: naučili smo kako da objasnimo kako možete dobiti ceo Univerzum iz manje od jednog miligrama materije. Sve sto sada vidimo...

I idemo dalje, preliminarni podaci. Najjednostavniji modeli univerzuma, ono što se nalazi u udžbenicima, su tri moguća Fridmanova modela. Prvi je zatvoreni univerzum, [drugi] je otvoreni univerzum, a [treći] je ravan univerzum. Ove slike su samo primjeri. Značenje je sljedeće.

Evo najjednostavnije opcije - ravan svemir. Geometrija ravnog univerzuma je ista kao i geometrija ravnog stola, to jest, paralelne prave ostaju paralelne i nigdje se ne seku. Koja je razlika, kako se razlikuje od ravnog stola? Činjenica da ako imam dvije paralelne prave... na primjer, dva snopa svjetlosti su išla paralelno jedan s drugim... Univerzum se širi, pa iako su paralelne, dva snopa svjetlosti, udaljavaju se jedan od drugog zbog na činjenicu da se cijeli svemir širi. Stoga, reći tako - da je geometrija ravnog stola - nije sasvim ispravno. Univerzum je kriva u četverodimenzionalnom smislu. U trodimenzionalnom smislu je ravan.

Zatvoreni univerzum je po geometrijskim svojstvima sličan svojstvima površine sfere. To jest, ako imam dvije paralelne linije na ekvatoru, onda se one sijeku na sjevernom i južnom polu. Paralelne prave se mogu ukrštati. I mi nekako živimo na površini sfere, kao buva koja puzi po zemlji. Ali analogija je takođe površna - u dva smisla. Naš univerzum je poput trodimenzionalne sfere u četverodimenzionalnom prostoru. Morate crtati slike, ali u stvarnosti samo analogije... I, osim toga, širi se. Ako želimo da idemo od ekvatora do severnog pola, onda nećemo imati dovoljno vremena - takav univerzum se može urušiti, ili nećemo stići tamo, jer se prebrzo širi.

Otvoreni Univerzum je po svojim svojstvima sličan svojstvima hiperboloida, odnosno ako započnem dvije paralelne linije na vratu hiperboloida, one će početi da se razilaze i nikada se neće sresti.

Postoje tri glavna modela. Predložio ih je Friedman davno, 20-ih godina prošlog vijeka, a Ajnštajnu se nisu baš svidjele. Nije mi se svidjelo, jer se činilo da je sve u suprotnosti s ideologijom na kojoj su ljudi tog vremena odgajani. Ideologija je bila da je Univerzum, ipak, koordinatni sistem, pa koordinate, one se ne šire, to je samo mreža. Ljudi su u Evropi oduvijek vjerovali – u početku su vjerovali – da je svemir konačan i statičan. Konačan je, jer je Bog beskonačan, a Univerzum je manji od Boga, pa mora biti konačan, ali statičan... dobro, jer šta da radi - koordinatni sistem... Onda su odustali od prve pretpostavke, rekavši da Bog ne bi mnogo izgubio, ako jedan od svojih atributa da Univerzumu i učini ga beskonačnim, ali se ipak smatralo da je on statičan.

Širenje svemira bilo je čudno svojstvo protiv koje se dugo borilo, sve dok nisu vidjeli da se zapravo širi. To znači da je ono što se dogodilo u proteklih nekoliko godina eksperimentalno - ne u teorijskoj fizici, već u eksperimentalnoj kosmologiji. Ispostavilo se dvije stvari. Počećemo sa drugom. Godine 1998. ljudi su vidjeli da se svemir sada širi ubrzano. Šta znači ubrzano? Pa, ovdje se širi nekom brzinom. U stvari, ovo je malo pogrešno...

Pa evo a je razmera univerzuma a sa tačkom ( å ) je stopa širenja svemira, a sa tačkom podijeli sa a (å /a) je ... Evo a, na primjer, udaljenost od jedne do druge galaksije, nazovimo to slovom a. I to ( å /a) je brzina kojom galaksije bježe jedna od druge. Evo ove stvari å /a= H) je Hubble konstanta, zapravo zavisi od vremena. Ako se ova stvar vremenom smanjuje, to ne znači da se svemir prestaje širiti. Proširenje to znači a sa tačkom većom od nule ( å > 0). Ali ono što su ljudi sada otkrili je da se sada ovaj režim asimptotski približava konstanti ( å /a= H → const), odnosno ne samo a sa tačkom je pozitivna, ali ovo je njihov odnos, teži konstanti. A ako se ova diferencijalna jednadžba riješi, ispada da se faktor skale Univerzuma ponaša asimptotski otprilike ovako: a ~ e H t- Univerzum će se eksponencijalno širiti, a to se ranije nije mnogo očekivalo. Odnosno, radi se o ubrzanoj ekspanziji Univerzuma, a ranije se, prema standardnoj teoriji, pokazalo da bi se svemir trebao širiti usporavanjem.

Evo otkrića zadnjih devet godina. U početku su ljudi mislili da je, eto, negdje eksperimentalna greška, nešto drugo, onda su ih počeli nazivati ​​drugim riječima - kosmološka konstanta, energija vakuuma, tamna energija... Tako se nedavno dogodilo. Teorija o kojoj ću sada govoriti je inflatorna kosmologija. Pretpostavlja (a sada se sve više čini da je to verovatno bila tačna pretpostavka, još uvek ne znamo sa sigurnošću - postoje konkurentne teorije, iako ih tamo ne volim, ali, dakle, ovo su stanovišta ) - ali izgleda da je to prava stvar - da se u ranom svemiru, po svemu sudeći, i svemir širio ubrzanom brzinom. Štaviše, sa mnogo većim ubrzanjem od onog kojim se sada širi - za mnogo desetina redova veličine veće ubrzanje. Ova dva otkrića... očigledno, trebalo bi ih pokušati protumačiti nekako.

Dakle, slike koje se često crtaju u isto vreme... Evo (nemojte da gledate ovu crvenu sliku za sada) je standardna, iz udžbenika. Ako je Univerzum zatvoren – to jest, geometrija je slična geometriji sfere, površini sfere – onda nastaje iz singularnosti i nestaje u singularitetu, ima konačan životni vijek. Ako je ravan, onda proizlazi iz singularnosti i širi se do beskonačnosti. Ako je otvoren, onda se također nastavlja kretati konstantnom brzinom.

Šta se ispostavilo, što sam upravo rekao o ovoj tamnoj energiji, kosmološkoj konstanti, ubrzanju Univerzuma - pokazalo se da se tako ponaša. I ispostavilo se da se ovako ponaša, šta god da je- otvorene, zatvorene, ravne... Generalno, u ovakvim slučajevima to je tako nešto. Sada, ako otvorimo udžbenike iz astronomije, oni u suštini i dalje objavljuju ove tri slike ovdje, i to je ono s čim smo odgajani posljednjih godina. Stoga je postojanje ovog posljednjeg bilo izvanredno otkriće, a povezano je s činjenicom da su ljudi vjerovali da u vakuumu, u praznini, postoji gustoća energije različita od nule. Veoma je mali: istog je reda kao i gustoća energije materije u Univerzumu - 10–29 g/cm 3 . I kad ponekad zamislim te ljude, kažem: "Vidi, to su ljudi koji su mjerili energiju... ništa." Dakle, evo crvene linije.

Opšta slika distribucije energije... Kada kažem "energija", ili kažem "materija", "supstanca", mislim na istu stvar, jer, kao što znamo, E jednaki mc kvadrat ( E = mc 2), odnosno ove dvije stvari su proporcionalne jedna drugoj... Postoji tamna energija...

Ukupni budžet energije i materije u Univerzumu predstavljen je takvim kolačem: otprilike 74% je tamna energija. Šta je to, niko ne zna. Ili je to energija vakuuma, ili je to energija sporo promjenjivog, jednoliko raspoređenog posebnog skalarnog polja - o tome kasnije. Pa ovo je poseban dio, ne gužva se. Šta mislim pod ovim? Ona ne zaluta u galaksije. Tamna materija (otprilike 22% ukupnog budžeta) je nešto što se skuplja, ali što mi ne vidimo. Nešto što može zalutati u galaksije, ali što ne možemo vidjeti, ne sija. A oko 4-5% je "normalna" materija. Evo budžeta za sve naše stvari.

I tamo postoje misterije. Zašto su istog reda, te količine, i zašto toliko ove vrste energije sjedi u praznini? Kako je uopšte ispalo da smo mi, tako ponosni, mislili da je sve isto kao i mi, a dali su nam samo četiri posto... Dakle...

Sada - inflatorni Univerzum. Za sada je samo referenca, da bude jasno o čemu govorim, pa tek onda počinje slučaj. Inflacija je to što jeste. Evo šta je bilo na prethodnim slikama, da je Univerzum počeo i počeo da se širi, i, zapamtite, luk je bio zakrivljen u ovom pravcu... Sada, ako se vratim, pokazaću vam sve ovo... vidite , svi lukovi - bili su ovako zakrivljeni. Inflacija je dio putanje koja je postojala, na neki način, prije Velikog praska, prije nego što je luk počeo tako da se savija. Ovo je vrijeme kada se Univerzum eksponencijalno širio, a Univerzum se širio ubrzano. U početku je mogao imati vrlo malu veličinu, a onda je došlo do faze veoma brzog širenja, zatim je postalo vruće, a onda se dogodilo sve što je pisalo u udžbenicima: da je Univerzum bio vruć, eksplodirao kao vruća lopta - to je bilo sve nakon faze inflacije, a tokom inflacije uopšte nije moglo biti čestica. Evo reference.

Pa zašto je sve ovo bilo potrebno? I onda, da su ljudi prije 25 godina - već malo više - pogledali teoriju Velikog praska i postavljali različita pitanja. Navest ću pitanja.

Šta se desilo kada nije bilo ničega? Jasno je da je pitanje besmisleno, zašto ga postavljati... Udžbenik Landaua i Lifshitza kaže da se rješavanje Ajnštajnovih jednačina ne može nastaviti u području negativnog vremena, pa je besmisleno pitati šta se ranije dogodilo. Nema smisla, ali svejedno su svi pitali.

Zašto je svemir homogen i izotropan? Pitanje: zašto, zaista? Šta znači homogeno? Pa, ako pogledamo pored sebe, naša galaksija nije homogena. Pored nas je Sunčev sistem – velike nehomogenosti. Ali ako pogledamo skalu čitavog dijela Univerzuma koji trenutno promatramo, ovih 13 milijardi svjetlosnih godina, onda u prosjeku Univerzum desno i lijevo od nas ima istu gustinu, sa tačnošću od oko jedan desethiljaditi dio, pa čak i bolje od toga. Neko ga je uglancao, zašto je tako ujednačen? A početkom prošlog veka na ovo je odgovoreno ovako. Postoji nešto što se zove "kosmološki princip": da svemir mora biti homogen.

Nekada sam se šalio da ljudi koji nemaju dobre ideje ponekad imaju principe. Onda sam prestao da radim, jer se ispostavilo da je ovaj princip uveo, posebno, Albert Ajnštajn. Samo u to vrijeme ljudi nisu znali, a i dalje se u mnogim knjigama o astronomiji raspravlja o kosmološkom principu – da Univerzum mora biti homogen, jer... pa, ovdje je homogen!

S druge strane, znamo da principi – oni tada moraju biti potpuno ispravni. Tamo, ne znam osobu koja uzima mala mito, ne može se nazvati principijelnim čovjekom. Naš Univerzum je bio malo heterogen – ima galaksije, one su nam neophodne, pa odnekud moramo shvatiti odakle dolaze galaksije.

Zašto su se svi dijelovi svemira počeli širiti u isto vrijeme? Taj dio je Univerzum, a taj dio je Univerzum, nisu razgovarali jedni s drugima kada je Univerzum tek počeo da se širi. Unatoč činjenici da je veličina Univerzuma bila mala, da bi jedan dio Univerzuma znao da se drugi počeo širiti, potrebno je da osoba koja ovdje živi - pa, izmišljena osoba - zna da ovaj dio počeo da se širi.. A za to bi morao primiti signal od te osobe. A za to bi trebalo vremena, tako da se ljudi ni na koji način ne bi mogli složiti, posebno u beskonačnom Univerzumu, da, ura, treba da počnemo da se širimo, oni su već dozvolili... Dakle, zbog toga su svi dijelovi Univerzuma počeli da se proširiti u isto vrijeme...

Zašto je svemir ravan? Ono što je sada eksperimentalno poznato jeste da je Univerzum skoro ravan, odnosno paralelne linije, koje se ne seku u vidljivom delu Univerzuma. znači, zašto Da li je svemir tako ravan? U školi nas uče da se paralelne prave ne seku, ali na fakultetu kažu da se Univerzum može zatvoriti i da se mogu seći. Pa zašto je Euklid bio u pravu? ne znam…

Zašto postoji toliki broj elementarnih čestica u Univerzumu? Postoji više od 10 87 elementarnih čestica u delu Univerzuma koji posmatramo. Standardni odgovor na to je bio da je, pa, svemir je velik, zbog čega... zašto da li je tako velika? A ja to ponekad nakupim ovako: zašto je toliko ljudi došlo na predavanje? - ali zato što ima toliko ljudi u Moskvi... - zašto ima toliko ljudi u Moskvi? - a Moskva je samo deo Rusije, a u Rusiji ima mnogo ljudi, neki su došli na predavanje... - zašto ima toliko ljudi u Rusiji, a još više u Kini? Ali generalno govoreći, mi živimo na samo jednoj planeti, i imamo mnogo planeta u Sunčevom sistemu, a sada se još više planeta nalazi u Univerzumu, a znate da u našoj galaksiji postoji 10 11 zvijezda, a samim tim i negdje planete gde - odnosno ljudi, neki od njih su došli na predavanje... Zašto ima toliko zvezda u našoj Galaksiji? Znate li koliko galaksija ima u našem dijelu svemira? Otprilike 10 11 -10 12 galaksija, a u svakoj od njih 10 11 zvijezda, planete se okreću oko njih, a neki ljudi su došli na predavanje. Zašto imamo toliko galaksija? Pa, zato što je Univerzum veliki... Dakle... i tu smo završili.

A ako uzmemo, na primjer, Univerzum - tipičan zatvoreni Univerzum, koji bi imao jedinu tipičnu veličinu koja je dostupna u općoj teoriji relativnosti zajedno sa kvantnom mehanikom - 10 -33 cm, početna veličina. Dakle, komprimirati supstancu do vrlo granične gustine koja je jedino moguća (ovo je tzv. Plankova gustina, ρ Plankova gustina), je otprilike 10 94 g/cm 3 ... Zašto je to ograničavajuće? Nije u smislu ograničavanja nemoguće nastaviti, već u smislu da ako sabijete materiju do takve gustine, tada Univerzum počinje toliko fluktuirati da ga je nemoguće opisati na normalan način. To znači da ako uzmemo i sabijemo materiju do najveće gustine, stavimo u nju zatvoreni Univerzum prirodne veličine i izbrojimo broj elementarnih čestica u njemu, ispada da sadrži jedan elementarna čestica. Možda deset elementarnih čestica. I treba nam 10 87 . Dakle, ovo je pravi problem - gdje, zašto ima toliko elementarnih čestica?

Stvar se tu ne završava. Odakle dolazi sva energija u svemiru? Ranije to nisam ni formulisao za sebe, sve dok me nisu pozvali u Švedsku na neki Nobelov simpozijum posvećen energetici... odnosno okupljali su se ljudi koji se bave proizvodnjom nafte, ili nečim drugim. I dali su mi priliku da otvorim ovu konferenciju, i prvi izvještaj... Nisam mogao razumjeti šta hoće od mene? Ne bavim se proizvodnjom nafte, ne bavim se solarnom energijom i energijom vjetra, šta da kažem o energetici općenito? Pa, onda sam počeo izveštaj činjenicom da sam rekao: da li znate odakle dolazi energija u Univerzumu? Znate li koliko energije imamo? Hajde da brojimo.

Energija materije u svemiru nije očuvana. Prvi paradoks. Znamo da se energija čuva, ali to nije tačno. Jer ako uzmemo, na primjer, stavimo plin u kutiju i pustimo kutiju da se širi... Evo kutije - ovo je naš Univerzum, pustimo kutiju da se širi. Plin - vrši pritisak na zidove kutije. A kada se kutija širi, ovaj gas radi na zidovima kutije, i stoga kada se kutija širi, gas gubi svoju energiju. Jer on radi posao, sve je ispravno, postoji balans energije. Ali jedina činjenica je da se tokom širenja Univerzuma ukupna energija gasa smanjuje. Jer postoji standardna jednadžba: promjena energije jednaka je minus pritisak puta promjena zapremine ( dE = –PdV). Volumen Univerzuma raste, pritisak je pozitivan, pa se energija smanjuje.

Ovdje u svim modelima Univerzuma, normalnim, onima koji su bili povezani sa teorijom Velikog praska, ukupna energija Univerzuma se smanjila. Ako je sada 10 50 tona, koliko je onda bilo na početku? Zato što se energija samo troši. Dakle, u početku je trebalo biti više. Neko je morao da napravi ovaj univerzum sa mnogo više energije nego sada. S druge strane, nešto se mora sačuvati. A gdje se ta energija troši tokom širenja Univerzuma? Troši se na činjenicu da se veličina Univerzuma mijenja, da se Univerzum širi određenom brzinom. Postoji neka energija koja je skrivena u geometriji svemira. Postoji energija koja je povezana sa gravitacijom. A ovdje je ukupna suma energije materije i gravitacijske energije, ona je očuvana. Ali samo ako izračunate ukupan iznos. Postoje različite metode brojanja - i tu se opet stavlja zarez - ali uz određenu metodu brojanja, ukupan zbir energije materije i gravitacije, on je jednostavno jednak nuli. Odnosno, energija materije je kompenzirana energijom gravitacione interakcije, tako da je nula. I zato, da, počelo je od nule, završiće sa nulom, sve je sačuvano, ali samo ovaj zakon očuvanja, nije nam baš koristan. Ne objašnjava nam odakle tolika energija. Pa koliko?

Ovde je, prema teoriji Velikog praska, ukupna masa materije na početku, kada je nastao Univerzum, trebalo da pređe 10 80 tona.To je već mnogo. Ovo je dosta... A ako bih sve ovo računao čak i direktno iz singulariteta, onda je jednostavno trebalo da postoji beskonačna količina materije u Univerzumu. I onda se postavlja pitanje: odakle nam neko dao ovoliku beskonačnu količinu materije, ako prije trenutka nastanka Univerzuma, pa, nije bilo ničega? Prvo nije bilo ničega, a onda je odjednom postalo, i to toliko da je bilo čak nekako malo čudno. Odnosno, ko je to mogao da uradi?.. Ali fizičari nisu hteli da formulišu pitanje na takav način, a ni sada ne žele.

Stoga bi možda bilo dobro da je pronađena teorija koja omogućava, barem u principu, da se objasni kako bi se sve to moglo učiniti, počevši od komada Univerzuma s početnom količinom materije manjom od jednog miligrama. Pa kad pričam o ovome, mislim šta bi normalan čovjek pomislio da je tako nešto davno rekao, ili da nije pisao jednačine i tako dalje...

Sjećam se kada su me dopratili do višeg naučnog asistenta, pozvali su me i počeli da me pitaju: „Čime se baviš?“ I počeo sam da im govorim da se posebno bavim činjenicom da se u različitim delovima Univerzuma može ispostaviti da zakoni fizike mogu biti različiti: jednim delom postoji elektromagnetna interakcija, delom - ne... Rekli su mi: "Pa ovo je previše!" Ali viši naučnici su ipak dobili. Ovo je sama teorija višestranog Univerzuma, o kojoj ću vam reći.

Sada prelazimo na posao, na teoriju inflatorne kosmologije. Prvo, najjednostavniji model. Najjednostavniji model izgleda ovako. Ovdje imate neko skalarno polje čija je energija proporcionalna kvadratu skalarnog polja. Prve najjednostavnije riječi - i već ovdje se postavlja pitanje: šta je skalarno polje? Neki ljudi znaju, neki ne. Neki ljudi znaju da se u Švicarskoj gradi ogroman akcelerator za pronalaženje Higgsove čestice. Higgsova čestica je čestica koja je, takoreći, kvant ekscitacije posebne vrste skalarnog polja. Odnosno, ljudi koriste ova polja dugo vremena, više od trideset godina. Ali intuitivno značenje je najlakše razumjeti uz pomoć analogije. Evo, evo, ima 220 volti u mreži. Da postoji samo 220 volti, a ne postoji nula, cijeli Univerzum bi bio ispunjen sa 220 volti, tada ne bi bilo struje, ništa ne bi teklo nigdje, jer bi to bilo samo drugo vakuumsko stanje. Amerika ima 110 volti. Ista stvar - da je samo 110 volti, ništa ne bi teklo... Ako jednom rukom uhvatite jednu stranu, drugu rukom, onda bi vas ubili baš tu, jer je potencijalna razlika kakva... moram prestati…

Dobro. Dakle, konstantno skalarno polje je analog istog polja. Ovo nije egzaktna analogija, već približna analogija. Šta je vektorsko polje? Vektorsko polje - na primjer, elektromagnetno. Ima veličinu i pravac. Šta je skalarno polje? Ima veličinu, ali nema pravac. To je cijela razlika, to jest, mnogo je jednostavnije od elektromagnetnog polja. Ona nema pravac, to je lorentijev skalar. Lorentzian skalar - to znači sljedeće. Ako trčite u odnosu na njega, nećete osjećati da trčite: ništa se nije promijenilo. Ako se okrenete, ni ništa se neće promijeniti, nećete osjetiti da se okrećete. Izgleda kao vakuum ako se ne kreće, ako je konstantan. Ali samo ovo je poseban vakuum, jer može imati potencijalnu energiju. Ovo je njegova prva nekretnina. I drugo, ako imate različit vakuum u različitim dijelovima Univerzuma, onda postoje i različite težine elementarnih čestica, različita svojstva, dakle, postoji li ovo skalarno polje ili ne, a) svojstva elementarnih čestica zavise i b) gustoća energije vakuuma zavisi od univerzuma, tako da je to u osnovi važna stvar. A evo i najjednostavnije teorije u kojoj je energija ovog skalarnog polja proporcionalna njegovom kvadratu.

Pogledajmo jednačine. Neću sada rešavati nijednu jednačinu, ali pokazaću ih, tako da se ne plašite... Prva je malo pojednostavljena Einsteinova jednačina, koja kaže: ovo je brzina širenja Univerzuma podeljena sa veličinom, ovo je Hablova konstanta na kvadrat, i proporcionalna je gustini energije materije u svemiru. A sada želim da zanemarim sve - tu, gas, bilo šta...ostavim samo skalarno polje. I ovdje bi bilo potrebno napisati gravitacijsku konstantu, još uvijek ima osam pi sa tri ...

Sada zaboravimo na gravitacionu konstantu. Ljudi koji se bave ovom naukom, kažu: pa, uzmimo gravitacionu konstantu jednaku jedan, brzinu svjetlosti jednaku jedan, Planckovu konstantu jednaku jedan, a onda, kada se sve odluči, vratićemo je u resenje za lakse...

Dakle, ovo je malo pojednostavljena Einsteinova jednadžba, izbacio sam i par pojmova odatle, koji se sami odatle izbacuju nakon što Univerzum počne brzo da otpuhuje. Ovo je jednadžba kretanja za skalarno polje. Ne gledaj sada u tog kurac. Ovo je ubrzanje skalarnog polja, i to pokazuje silu kojom polje želi jurnuti u svoju minimalnu energiju. I, da bi bilo jasno, uporedite ovo sa jednačinom za harmonijski oscilator. Opet, ne gledajte u tog člana. Ovo je ubrzanje harmonijskog oscilatora, proporcionalno povratnoj sili. To jest, sila koja vuče polje oscilatora do tačke x= 0, a ovo je njegovo ubrzanje. I znamo kako se završava. Oscilator oscilira ovako. A ako dodamo takav izraz, x sa tačkom. Ovo je brzina oscilatora. Odnosno, ako ga pomjerimo u ovom smjeru, bit će jasno da je to kao sila koja ne dozvoljava oscilatoru da se brzo kreće. To je kao da ako zabijete klatno u vodu, voda će ga spriječiti da oscilira, a ono će oscilirati sve sporije i sporije. Kao da je sila trenja ili viskoznosti.

Ispostavilo se da Univerzum također ima sličan pojam koji opisuje jednačinu za skalarno polje. Jednačina izgleda potpuno isto. I ovaj član je sličan ovom. Ispostavilo se da u Univerzumu do efekta trenja dolazi ako se Univerzum brzo širi. Evo trika. Vratimo se sada na prethodnu sliku.

Tada je skalarno polje tu, tada skalarno polje ima malo energije, Univerzum se polako širi, nema trenja. Ako je skalarno polje ovdje, onda je energija vrlo velika. Ako je energija veoma velika, da vidimo šta se dešava na sledećoj slici.

Energija je vrlo velika, Hubble konstanta je velika, koeficijent trenja je veliki. Ako je koeficijent trenja veliki, skalarno polje se kotrlja vrlo sporo. Ako se skalarno polje kotrlja vrlo sporo, onda dugo vremena ostaje gotovo konstantno. Ako ostane skoro konstantan, rješavam ovu jednačinu: a sa tačkom a(å /a) je skoro konstantan. I već sam vam rekao šta će biti rešenje. Ako a a sa tačkom a(å /a) je gotovo konstantna, onda je ovo eksponencijalno rješenje, najjednostavnija diferencijalna jednadžba. I u ovom slučaju, Univerzum počinje eksponencijalno da se širi.

Logika je sledeća: ako je vrednost skalarnog polja φ velika, brzina širenja Univerzuma je visoka, koeficijent trenja je veliki, polje φ se kotrlja veoma sporo. Rješavajući diferencijalnu jednadžbu sa konstantom, dobijamo eksponencijalnu ekspanziju, ovo je inflacija. Sve je vrlo jednostavno.

Prije toga bilo je potrebno, općenito, trpjeti da bi se to osmislilo, da bi se sve svelo na jednostavno. Zapravo, sve je počelo s mnogo složenijim. Po prvi put, Aljoša Starobinski je počeo da izražava ideje ovog tipa 1979. ovde u Rusiji. Njegova verzija ove teorije bila je zasnovana na kvantnoj gravitaciji sa određenim korekcijama - konformnim anomalijama, teorija je bila veoma složena, nije bilo jasno kako, odakle početi, ali je teorija, ipak, tada bila veoma popularna unutar Sovjetskog Saveza, bila je nazvan "model Starobinsky". Ali malo komplikovano, nije bilo jasno koja je njegova svrha. Hteo je da reši problem singularnosti, ali nije išlo...

Nakon toga je nastala ono što se danas zove stara teorija inflacije, predložio ju je 1981. Alan Guth sa MIT-a - sada je na MIT-u, a nekada je bio na SLAC-u, pored Stanforda. On je sugerisao da je Univerzum od samog početka zarobljen u svojoj energiji u stanju lažnog vakuuma, da se ne kreće nikuda, energija je tu konstantna, u ovom trenutku eksponencijalno se širi, a onda se ovaj lažni vakuum raspada uz tresak, stvaraju se mehurići, sudaraju se... Zašto je to bilo potrebno? A njegova želja je bila da riješi onu listu problema koju sam vam ranije napisao: zašto je univerzum homogen, zašto je izotropan, zašto je tako velik - njegov cilj je bio ovo. I to je bila zasluga njegovog rada. Ne zato što je predložio model – njegova teorija nije funkcionisala, već zato što je rekao da bi bilo sjajno uraditi tako nešto, a onda ćemo sve te probleme rešiti odjednom. A njegov model nije uspio jer je nakon sudara mjehurića Univerzum postao toliko nehomogen i izotropan da, takoreći, nije bilo potrebe ni pokušavati...

Nakon toga smo svi bili u duhovnoj krizi, jer je ideja bila tako prijatna, tako lijepa, a ja sam imao čir na želucu, možda od žalosti što je to bilo nemoguće, jednostavno nije išlo. A onda sam smislio kako da uradim ono što sam nazvao novom teorijom inflacije, a onda sam smislio ovu jednostavnu haotičnu stvar o inflaciji, što je bilo najlakše. I tada je postalo jasno da ne govorimo o nekakvom triku, ali sve može biti jednostavno kao teorija harmonijskog oscilatora.

Ali zašto je sve to potrebno, nisam rekao. Ali zašto. Tokom inflacije, tokom ove faze, dok sam se kotrljao, Univerzum se mogao proširiti ovoliko puta. Ovo je u najjednostavnijim modelima. Šta znači ovaj broj? Pa, sad ću vam reći šta to znači. Primjer iz aritmetike. Najmanja skala je 10–33 cm. Pomnožim je sa deset, a onda se ovdje nacrta toliki broj nula - bez obzira koliko nula. Sada se postavlja pitanje: šta je proizvod? A odgovor je da je ovdje jednako isto - znači da se 10-33 više ne može napisati, to je mala stvar. To znači da se ispostavlja da je svemir tako velike veličine. Koliko sada vidimo? Ovih 13 milijardi godina, pomnoženo sa brzinom svjetlosti, je oko 10 28 cm.Ali nije ni bitno šta - centimetri ili milimetri, nije ni bitno šta. Bitno je da je ovo, pa, neuporedivo manje od ovoga.

Odnosno, naš vidljivi dio Univerzuma - mi smo tu negdje. ( Možete li ga sada otplatiti?) Univerzum je počeo da se širi, nabujao, nabujao, nabujao, a mi živimo, takoreći, na površini ovog ogromnog globusa. I zato se čini da su paralelne prave paralelne, zato niko nije video ovaj severni i južni pol. Dakle, naš dio Univerzuma, negdje ovdje, počeo je negdje odavde, skoro od tačke, i prema tome su sva početna svojstva ovdje, eto, one su jedna pored druge, bila su otprilike ista. Dakle, ovdje su isti.

Zašto je univerzum tako homogen? Pa, zamislite da ste uzeli Himalaje i rastavili ih toliko puta. To znači da tamo niko neće ići sa rancem, jer će od doline do planine toliko trebati. Biće ravna površina. Stoga je naš Univerzum tako ravan, tako homogen, isti u svim smjerovima.

Zašto je izotropan? Šta je izotropno? Pa, izgleda kao kugla, ista u svim pravcima, ali može biti kao krastavac. Ali ako toliko puta naduvam krastavac - a mi živimo na njegovoj koži - onda će on biti isti u svim smjerovima, pa će Univerzum postati isti u svim smjerovima. Odnosno, na ovaj način rješavamo većinu problema koje smo imali. Zašto je svemir tako velik? A evo i zašto! Koliko ima elementarnih čestica? Ali toliko! Zato imamo dovoljno...

Odnosno, još uvijek ne znamo odakle sve to, ne možemo tako jednostavno riješiti problem početne singularnosti - o tome ćemo malo dalje - ali zato je ova teorija bila potrebna.

S druge strane, moglo bi se ispostaviti da smo malo preradili. Jer ako Himalaje budu potpuno spljoštene, onda će cijeli Univerzum biti toliko ravan i homogen da će tamo zaista biti loše živjeti, onda nećemo uzimati galaksije niotkuda.

Ali pokazalo se da je moguće proizvesti galaksije zbog kvantnih fluktuacija. A ovo su Chibisov i Mukhanov rekli ovdje, u FIAN-u. Proučavali su model Starobinskog i videli da tamo, ako pogledate kvantne fluktuacije svemira, a zatim pogledate šta se dešava tokom širenja Univerzuma, oni mogu dovesti do galaksija. A mi smo ih pogledali i pomislili: o čemu vi pričate ovdje? Vi govorite o kvantnim fluktuacijama, a mi o galaksijama! Oni su pravi... I onda se to pokazalo. Ovo je već kad smo sve ovo preveli na jezik skalarnog polja i tako dalje... Bravo, generalno, ljudi! Trebalo je misliti na ovo!

Univerzum radi kao laser, ali umjesto laserskog polja, proizvodi galaksije. To je ono što se dešava. Uzmimo skalarno polje, prvo visokofrekventne, kvantne fluktuacije. Kvantne fluktuacije uvijek postoje. Ovdje u ovoj dvorani, na malim udaljenostima, postoje kvantne fluktuacije. Dobro je što si mi dao dva sata, ne bih to završio... Za dva sata, vjerovatno ću završiti...

Dakle, kvantne fluktuacije postoje sada, upravo ovdje, ali one osciliraju cijelo vrijeme; Jednostavno ih ne možete vidjeti, nisu nam bitni. Ali pretpostavimo da je tokom brzog širenja svemira postojala takva kvantna fluktuacija. Protezao se, sa širenjem svemira. Kada se dovoljno rastegne - sjetite se one jednadžbe skalarnog polja gdje se nalazi taj tačkasti član 3Hφ? Jednačina, termin trenja. Kada ste imali kratkotalasno polje, ono nije znalo ništa o trenju, jer je tuklo takvom energijom da ga trenje nije moglo zaustaviti. A onda, kada se istegnuo, izgubio je energiju i odjednom je osetio da se Univerzum širi, da je došlo do trenja i tako se zamrznuo. Zaledio se i nastavio da se širi, protežući Univerzum.

Nakon toga, na pozadini ove fluktuacije koja je ovde nacrtana, prethodne fluktuacije, koje su nekada bile veoma kratke talasne dužine, energične i tako dalje, ispružile su se, videle su da se Univerzum širi, osetile trenje i zamrznule - protiv pozadina tih fluktuacija koje su se ranije zamrznule.

Nakon toga, Univerzum se nastavio širiti, a nove fluktuacije su se zamrznule, a Univerzum se eksponencijalno širio. I šta se desilo kao rezultat? Da su sve ove fluktuacije nabujale do velike veličine.

Sada ću objasniti šta je to: to je rezultat proračuna koji, takoreći, simuliraju pojavu fluktuacija i njihovu dalju evoluciju. Objasniću šta će to biti, šta je. Poenta je u ovome. Da smo uzeli ove kvantne fluktuacije. Zamrznute su. Univerzum je postao nehomogen na eksponencijalno velikoj skali. Ove nehomogenosti su I t, sto I t, sto I t... Onda je inflacija prestala. Zatim - ovaj dio Univerzuma još ne vidi ovaj dio Univerzuma. A onda je prošlo vrijeme i vidjeli su se. I kada su to vidjeli, ovaj dio Univerzuma je rekao: “Ah, ja imam manje energije, a ti više energije; hajde, svo kamenje od mene polete u ovom pravcu, jer je ovde gravitacija jača. I ove fluktuacije se odmrzavaju. Odnosno, u početku su bili zamrznuti - zbog brzog širenja svemira. A onda, kada su se dva dijela Univerzuma ugledala, ove fluktuacije su se zamrzle, a to je doslovno... prema baronu Minhauzenu.

Ne znam, kao dete vas sada uče, da li tamo čitaju barona Minhauzena? Pročitani smo. Dok je putovao po Rusiji. Iako je bio njemački lažov, putovao je po Rusiji, po Sibiru. Oni su lovili. I bio je tako užasan mraz da je, kada je htio da pozove prijatelje da se okupe, rekao “tu-tu-tu-tu!”, ali ništa se nije dogodilo, jer se zvuk zaledio u trubi. Pa, onda, bilo je hladno, iskopao je pećinu u snijegu, kao iskusan čovjek, zakopao se tu... Sutradan ujutro odjednom čuje: “Tu-tutu-tutu!”. Šta se desilo? Zvuk nestaje. Jer ujutru se pojavilo sunce, sve, sneg se otopio, a zvuk je utihnuo...

Ovdje je isto: prvo su se kvantne fluktuacije zamrznule, raširile na veliku udaljenost, a zatim, kada je došlo do formiranja galaksija, zamrznule su se, a nehomogenosti su se skupile i postale galaksija.

Prvo smo počeli sa kvantnim fluktuacijama. Onda smo ih brzo napravili ogromnim. A kada smo ih napravili ogromnim, zapravo smo ih učinili klasičnima. U to vrijeme nisu oscilirali, nisu nestajali, smrzavali su se, bili su veliki. Evo ovog trika - kako od nečeg kvantnog napraviti nešto klasično.

Dakle, ovo je ono što film pokazuje. Ako počnemo sa nečim skoro homogenim, kao sada, a onda počnemo da dodajemo ove sinusoide ovde... Svaki novi okvir pokazuje eksponencijalno veliki Univerzum. Ali kompjuter se nije mogao proširiti, pa smo komprimirali slike. U stvari, morate shvatiti da svaka slika odgovara eksponencijalno većem i većem svemiru. I talasne dužine svih ovih vrednosti, sve su otprilike iste u trenutku kada su stvorene. I onda se rastežu, ali ovdje se ne vidi da je ovo zdrava sinusoida. Čini se da je ovo vrh, eto, toranj je oštar... To je jednostavno zato što ih je kompjuter komprimirao.

Još jedna stvar takođe nije vidljiva: da na onim mestima gde je skalarno polje slučajno skočilo veoma visoko, na ovom mestu se ispostavlja da je energija skalarnog polja toliko velika da se na ovom mestu Univerzum počinje širiti čak i mnogo brže od njega. prošireno ovdje. I zato, u stvarnosti, ako je bilo ispravno nacrtati sliku - pa, samo kompjuter to ne može, i nije kompjuter kriv, to je samo ovakva fizika: ne možete zamisliti zakrivljeni prostor položen u našem prostoru je samo krivo, kao zakrivljena površina, ne uspeva uvek, pa se tu ništa ne može - samo treba shvatiti da su to vrhovi, što znači da je veličina odavde do ovde mnogo veća od veličina odavde do ovdje. Ovo je zapravo zdrav balon.

To je ono što ... - također prednost ruskog obrazovanja - ono što smo saznali dok smo bili na praksi vojnih poslova na univerzitetu: da je udaljenost duž prave linije mnogo veća od udaljenosti duž krivulje, ako je prava linija prolazi pored oficira... Evo, ako idete pravo u blizini ovog vrha, nikada ga nećete stići, jer će udaljenost biti sve veća. Zakrivljeni prostor se može zamisliti na dva načina. Prvi - možemo govoriti o širenju Univerzuma, a drugi - možemo govoriti o kompresiji čovjeka. Čovjek je mjera svih stvari. Ako hodate odavde i stignete do vrha, onda možete reći da su vam koraci sve manji i manji i manji, pa vam je stoga teško, teško hodati. Drugačije je shvatanje šta je balon ovde - to je samo mesto gde se vi sami smanjujete u poređenju sa univerzumom. To su gotovo jednake stvari.

Kako znamo sve ovo? Kako znamo da je sve ovo istina? Pa, prije svega, da budem iskren, znali smo od samog početka da je to istina. Jer, pa, teorija je bila tako lijepa, objašnjavala je sve tako lako da nakon toga čak ni eksperimentalni dokazi nisu bili potrebni, jer je Univerzum, pa... veliki? - Veliki. Paralelne prave se ne sijeku? - Ne seku... I tako dalje. Nije bilo drugog objašnjenja.

Stoga, takoreći, evo eksperimentalnih podataka. Ali ljudi, ionako, ne žele samo tako, nego žele da predvide nešto drugo što mi nismo znali i da se to potvrdi. I jedno od predviđanja su ove kvantne fluktuacije... Bilo bi lijepo vidjeti ih na nebu, ali mi ih nismo vidjeli. I jedan za drugim, počeli su da se lansiraju različiti sistemi, sateliti, prvi izuzetan satelit je bio Kobe (COBE), lansiran početkom 90-ih, a ljudi su tek prošle godine za to dobili Nobelove nagrade. Videli su sledeće. Videli su da je mikrotalasna radijacija koja nam dolazi sa različitih strana svemira blago anizotropna.

Sada ću objasniti šta je u pitanju. Sredinom 60-ih ljudi su vidjeli da na Zemlju dolazi zračenje temperature oko 2,7 K. Tako nešto, radio talasi, vrlo niskoenergetski, ali sa svih strana. Onda su shvatili šta je to. Univerzum, kada je eksplodirao, bio je vruć. Zatim, kada se proširio, ovi fotoni su izgubili energiju, a kada su stigli do nas, stigli su ovako mrtvi, sa malo, malo energije. I sa svih strana bila je ista energija - 2,7 K. Temperatura je mjera energije. Tada su počeli pažljivije da gledaju i vidjeli da je u ovom smjeru temperatura 2,7 plus još oko 10 -3, ali u ovom pravcu 2.7 oduzeti još 10 -3 . A zašto je ovo? A evo i zašto: zato što se Zemlja kreće u odnosu na čitav univerzum. I postoji taj veoma crveni pomak. U smjeru u kojem se krećemo, nebo tamo postaje plavije, fotoni dolaze malo energičniji. A odakle se krećemo, oni postaju malo crveniji. Bio je to jednostavan efekat. I odmah smo shvatili koliko se brzo krećemo u odnosu na CMB, sve je bilo jednostavno.

I onda su ljudi hteli da znaju da li postoji neka druga struktura? I tako su lansirali satelite, jedan od njih je Kobe, a evo, na slici je nacrtan WMAP, takav satelit. I slika koja pokazuje, takoreći, evoluciju tokom vremena.

Prvo je došlo do Velikog praska, zatim je došlo do ovog ubrzanja Univerzuma - inflacije, zatim je došlo do kvantnih fluktuacija koje su se zamrznule, zatim su te kvantne fluktuacije koje su se smrzle dovele do pojave male strukture u Univerzumu. U to vrijeme, svemir je bio veoma vruć. Bilo je toliko vruće da signali jednostavno nisu stigli do nas, kao što je Sunce za nas ovdje neprozirno: jako je vruće, pa možemo vidjeti samo nekoliko stotina kilometara duboko u Sunce. ovdje…

A onda je odjednom Univerzum postao providan za obično zračenje, jer su se elektroni spojili sa protonima u atome, a onda, kada je Univerzum postao manje-više neutralan, svjetlost je počela prolaziti do nas. I ovdje vidimo zračenje koje je prošlo od ovog trenutka. A ovi sateliti su gledali i mjerili temperaturu sa različitih tačaka u svemiru sa tačnošću od 10-5 K. Zamislite samo da je u laboratoriji bilo teško dobiti temperaturu od jednog stepena Kelvina. Ljudi su izmjerili temperaturu Univerzuma, 2,7 K plus, ima mnogo znakova nakon toga, a zatim su izmjerili netačnosti ove temperature sa tačnošću od 10 -5 . Pa, naučna fantastika! Nikada nisam vjerovao da je to moguće, ali onda sam počeo vjerovati svojim eksperimentalnim prijateljima, jer znamo da smo teoretičari, ali ispada da su eksperimentatori...

Dakle, evo, izmjerili su tako male tačkice na nebu, te male tačkice - ovdje su naslikane. Znamo da je tamo gdje je energija više - ovo je plavi pomak, gdje je energija manja - ovo je crveni pomak, ali ovdje je suprotno. Ljudi koji su bojili ovu mapu, shvatili su da psihologija ljudi ne funkcioniše na taj način. Ionako nije vidljivo svjetlo, to je radio emisija, pa nije crveno, nije bijelo, nije. Pa su ga umjetno ofarbali. I to je ono što je crveno, ovo je da se shvati šta je tamo vruće. A tamo gde je plavo, treba shvatiti da je hladno. Pa su slikali upravo suprotno. Ali nema veze. Bitno je da su ove tačkice na nebu tačne do 10 -5 .

Ako pažljivije pogledate komad ovog neba, onda je ovo slika koja se ovdje ispostavlja. Evo mjesta. Šta je to? I to je ono što je. Ove kvantne fluktuacije skalarnog polja su se pojavile, raširile se na cijelo nebo, tamo su se smrzle, malo promijenile geometriju Univerzuma i gustinu materije, promijenile zbog toga temperaturu kosmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja koje dolazi do nas. , i prema tome ova temperatura, te nehomogenosti, su fotografija onih kvantnih fluktuacija koje su nastale u posljednjim fazama inflacije - nastale i zamrznute. Odnosno, sada vidimo cijelo nebo, a cijelo ovo nebo je poput fotografske ploče, koja prikazuje kvantne fluktuacije koje su nastale u završnoj fazi inflacije, oko 10-30 s. Vidimo fotografiju onoga što se dogodilo 10 do 30 sekundi nakon Velikog praska. Pa, čuda, šta reći!

Ne samo da vidimo ovu fotografiju – proučavali smo njena spektralna svojstva. To jest, ove mrlje pri velikim ugaonim veličinama imaju jedan intenzitet, pri malim ugaonim veličinama imaju različit intenzitet. Izračunali smo spektar ovih fluktuacija i otkrili da je spektar ovakav: crne tačke su ono što ovaj WMAP satelit eksperimentalno vidi. Od tada su se pojavili i drugi rezultati koji se protežu na ovu oblast, ali nisam sada počeo da ih iznosim ovde. Ali crvena linija su teorijska predviđanja najjednostavnijeg modela inflatornog Univerzuma, a crne tačke su ono što se eksperimentalno vidi.

Ovde ima nekih anomalija. Pod velikim uglovima, najveće udaljenosti su male. Evo l- ono što je ovdje, ovdje, na ovoj osi, je broj harmonika. Odnosno, tim više l, što je više harmonika, manji je ugao. Pod malim uglovima, odlična saglasnost sa eksperimentalnim podacima. Pod velikim uglovima se dešava nešto što nije sasvim jasno. Ali možda je to jednostavno zbog nepreciznosti, jer nam je dat samo jedan komad Univerzuma: proučavamo statistiku, a imamo statistiku – kako ste jednom bacili novčić, kakva vam statistika treba? Morate ga baciti sto puta da vidite šta se dogodilo oko 50/50. Stoga, pod velikim uglovima, statistika nije baš tačna. Ipak, ispada nekoliko tačaka - postoji određeni problem, šta se ovde dešava. Postoje neke anizotropije u Univerzumu koje još ne možemo objasniti u velikoj mjeri. No, ipak, činjenica je da se sve ostale točke, ispostavilo se, savršeno uklapaju. I tako je slaganje između teorije i eksperimenta vrlo impresivno.

Za sebe sam odlučio da smislim način da jednostavnim jezikom objasnim promjenu u slici svijeta. A slika sveta... Sad, ja još nisam stigao do ove teorije višestranog Univerzuma. Ovo je još uvijek jednostavna slika... Dakle. Mijenjajući sliku svijeta, to izgleda ovako. Da sedimo na Zemlji i gledamo okolo. I sada okružen ovom kristalnom sferom. Ne možemo vidjeti ništa dalje, ali tamo su zvijezde, planete... A znamo da svoju kosmologiju koristimo kao vremensku mašinu.

Ako uzmemo i pogledamo, tamo, u Sunce, vidimo Sunce kakvo je bilo prije nekoliko minuta. Pogledajmo daleke zvijezde. Videćemo zvezde kakve su bile pre mnogo godina, stotinama godina, hiljadama godina unazad.

Ako idemo još dalje, videćemo ovo mesto gde je Univerzum upravo postao vruć, a u to vreme su fotoni došli do nas, to vide ovi sateliti, ovde smo videli ovu kosmičku vatru. I tada je svemir neproziran. Dalje, bliže ovom Velikom prasku, koji se desio prije ovih 13 milijardi godina, ne možemo se približiti. Ali, naravno, ako bismo koristili, na primjer, neutrine koji se emituju u ovom trenutku - znamo da možemo dobiti neutrine koji dolaze iz centra Sunca - mogli bismo dobiti neutrine koji su emitirani bliže ovom Velikom prasku . Sada vidimo samo ono što je bilo oko 400.000 godina nakon Velikog praska. Pa, ipak… u poređenju sa 13 milijardi, četiri stotine hiljada je prilično dobro… Ali da ima neutrina, mogli bismo se mnogo približiti. Da postoje gravitacioni talasi, mogli bismo da se približimo Velikom prasku, sve do bukvalno ovog puta od Velikog praska.

Šta govori inflacija? A inflacija to govori. Da je u stvari cela ova vatra kosmička, nastala je nakon inflacije, a ovde postoji eksponencijalno velika količina prostora, kada je ceo Univerzum bio ispunjen samo skalarnim poljem, kada nije bilo čestica, pa čak i da jesu, onda njihova gustina bi eksponencijalno opadala cijelo vrijeme, jer se svemir eksponencijalno širi.

Dakle, šta god da je bilo prije inflacije, to uopšte nije bitno. Univerzum je ovdje bio praktično prazan, a energija je sjedila u ovom skalarnom polju. I nakon nje - zapamtite ovu sliku: skalarno polje je opadalo, dole, dole, a zatim postepeno, kada je dostiglo dno, Hablova konstanta je postala mala - počela je da osciluje, u to vreme je usled svojih oscilacija generisala normalu stvar. Za to vrijeme, svemir je postajao vruć. U to vrijeme je izbio ovaj požar. A nekada smo mislili da je ova vatra od početka svijeta. Bili smo kao vukovi koji se plaše da preskoče vatru, znali smo da je ovo početak svijeta.

Sada se ispostavilo da nam je, da bismo objasnili zašto je ova vatra tako ravnomjerno raspoređena, trebala biti pozornica koja sve izjednačava. A ovo je faza inflacije.

A onda možete otići daleko, daleko dalje od ovog mjesta na nebu, jer je Univerzum tako velik, bilo je toliko toga. A ako idemo dalje, videćemo ta mesta gde se javljaju kvantne fluktuacije koje dovode do galaksija. I vidjet ćemo ona mjesta gdje su te fluktuacije toliko velike da su iznjedrile nove dijelove Univerzuma, koji su se brzo širili i koji se generiraju i nastaju i sad. Univerzum, zbog ovih kvantnih fluktuacija, stvara sam sebe, ne samo galaksije, već i velike dijelove sebe. I postaje beskonačan univerzum koji se samoreproducira.

Ali pored svega ovoga, postoji još jedan efekat. Rekao sam vam o Univerzumu, u kojem postoji skalarno polje samo jednog tipa. Skalarno polje sa tako jednostavnim potencijalom... Znamo da ako želimo da opišemo teoriju elementarnih čestica u potpunosti, onda nam treba puno skalarnih polja. Na primjer, u teoriji elektroslabih interakcija postoji Higgsovo polje. A Higsovo polje čini sve čestice našeg tijela teškim. To jest, elektroni dobijaju mase, protoni dobijaju mase, fotoni ne dobijaju masu. Druge čestice dobijaju mase. U zavisnosti od skalarnog polja, oni dobijaju različite mase.

Ali ovo nije kraj stvari. Postoji i teorija Velikog ujedinjenja, u kojoj se javlja drugačiji tip skalarnog polja. Ovo je drugačija oblast. Da ga nema, onda ne bi bilo fundamentalne razlike između leptona i bariona, tada bi se protoni mogli lako raspasti u pozitrone, ne bi bilo razlike između materije i antimaterije. Da bi se objasnilo šta se tu dogodilo, kako su se te stvari razdvojile, moralo se uvesti još jedno skalarno polje... U principu, ovih skalarnih polja može biti mnogo. Ako pogledate najjednostavniju teoriju - supersimetričnu - teoriju Velikog ujedinjenja, ispada da je potencijalna energija u njoj nacrtana ovako...

Pa, ovo je takođe približna slika, zapravo. Ovo je neko polje, koje je zapravo matrica. I sada, pri jednoj vrijednosti ovog polja, nema narušavanja simetrije između slabe i jake elektromagnetne interakcije, nema razlike između leptona i bariona. Postoji još jedna vrijednost polja u kojoj poseban tip kršenja simetrije uopće nije ono što vidimo. Postoji i treći minimum, u kojem je samo fizika našeg svijeta. U stvari, još uvijek trebamo napisati naše skalarno polje, a ako sve napišemo zajedno, onda će postojati desetak takvih minimuma. Svi oni imaju, u prvoj aproksimaciji, istu energiju, a mi živimo samo u jednom od ovih minimuma.

I onda se postavlja pitanje: kako smo ušli u ovaj minimum? A u vrlo ranom svemiru, kada je temperatura bila vruća, postojao je samo ovaj minimum. I nastao je problem: kako smo onda prodrli u ovaj minimum, jer u ranom Univerzumu, u skladu sa teorijom koju smo ovde razvili zajedno sa Davidom Abramovičem Kiržnitsom, koji je došao na ovu ideju u svojoj glavi, o činjenici da je u u ranom svemiru, simetrija između svih interakcija je obnovljena. I tada bismo trebali sjediti ovdje. Kako smo onda došli ovdje? A jedini način na koji smo tamo mogli doći je kroz kvantne fluktuacije koje su nastale tokom inflacije.

Ali ovo skalarno polje je takođe skočilo i takođe se smrzlo. I može skočiti na ovaj minimum, skočiti na ovaj, skočiti nazad. Zatim, ako je skočio u jedan od tih minimuma, dio svemira u koji smo udarili te minimume, počeo je biti eksponencijalno velik. Ovaj je počeo da bude eksponencijalno velik, ovaj... I svemir se razbio na eksponencijalno veliki broj delova eksponencijalno velike veličine. Sa svim mogućim vrstama fizike u svakoj od njih.

Šta to znači? Da, prvo, može postojati mnogo skalarnih polja. Drugo, može postojati mnogo različitih minimuma. A nakon toga, ovisno o tome gdje smo stigli, Univerzum bi se mogao podijeliti na velike, eksponencijalno velike regije, od kojih svaka, u svim svojim svojstvima, izgleda - lokalno - kao ogroman Univerzum. Svaki od njih je ogroman. Ako živimo u njemu, nećemo znati da postoje drugi dijelovi svemira. I zakoni fizike će, zapravo, tamo biti drugačiji.

To je, u stvari, zakon fizike – možda je isti, imate istu teoriju – ali isti je kao voda, koja može biti tečna, gasovita, čvrsta. Ali ribe mogu živjeti samo u tekućoj vodi. Možemo živjeti samo u ovom minimumu. Zato živimo tamo. Ne zato što ovi dijelovi svemira ne postoje, već zato što možemo živjeti samo ovdje. Tako nastaje ova slika, koja se zove “višestrani univerzum”, ili “višestruki univerzum” umjesto “univerzum”.

Drugi jezik. Znamo da su naša svojstva određena genetskim kodom – kodom koji smo naslijedili od roditelja. Takođe znamo da postoje mutacije. Mutacije se dešavaju kada se desi nešto čudno. Kada kosmički zraci, kada neka vrsta hemije nije u redu - pa, vi znate bolje od mene šta je potrebno da bi došlo do mutacija. A također znamo da je ovdje sve ogroman broj vrsta - bilo je potrebno da te mutacije budu.

Dakle, tokom širenja Univerzuma došlo je i do mutacija. Imate Univerzum, čak i ako je od samog početka bio u jednom minimumu, onda je nakon toga počeo da skače s jednog minimuma na drugi i raspao se na različite tipove Univerzuma. I ovaj mehanizam kvantnih fluktuacija, koji je Univerzum prebacivao s jednog mjesta, iz jednog stanja u drugo - oni se mogu nazvati... to se može nazvati mehanizmom kosmičkih mutacija.

(Nažalost, ovdje se, naravno, ne vidi dio onoga što sam htio pokazati. Pa, rečima...) pejzaž. Ova terminologija je nastala zato što se ta terminologija, ova slika, pokazala veoma važnom u kontekstu teorije struna. Ljudi već dugo govore o teoriji struna kao o vodećem kandidatu za teoriju svih sila. Ja sam na ovom mjestu, nažalost, "lebdim"... Iako sam jedan od koautora ove slike koja je ovdje. To jest, dugi niz godina ljudi nisu znali kako da opišu naš četverodimenzionalni prostor koristeći teoriju struna.

Činjenica je da se teorija struna najlakše formuliše u desetodimenzionalnom prostoru. Ali u desetodimenzionalnom prostoru, šest dimenzija je suvišno, morate ih se nekako riješiti. Ideja je da se nekako moraju sabiti u malu loptu da ih niko ne vidi, da niko ne može da ide u šest pravaca, a mi bismo videli samo četiri velike dimenzije - tri prostora i jedno vreme. I tako bismo hodali u ove tri prostorne dimenzije i mislili da je naš Univerzum trodimenzionalan plus jedno vrijeme, ali bi u stvarnosti, negdje u srcu Univerzuma, bila pohranjena informacija da ima proletersko porijeklo – desetodimenzionalni. I ona bi htjela postati desetodimenzionalna. Tako je u teoriji struna uvijek ispadalo da to želi biti desetodimenzionalno, a donedavno ga nisu znali napraviti četverodimenzionalnim, ostaviti ga normalnim. U svim slučajevima pokazalo se da je ovo stanje nestabilno.

epigraf:
A cijeli svijet nije dovoljan!

Mogu se kladiti da među onima koji čitaju ove redove nema nijedne osobe koja nikada u životu nije čula za teoriju Velikog praska. Priznajem da se slični likovi sreću na Zemlji - seljak iz napuštenog sela u planinama Tibeta, rodom iz plemena Tonga-Tonga, Mormon iz Jute, vjerovatno se negdje nalaze. Međutim, ako znate da čitate, imate pristup internetu i mogli ste, doduše slučajno, da odete na ovaj blog - garantujem vam da ste sigurno nešto čuli barem krajičkom uha, ali ste čuli o Velikom Teorija praska.

U ovom postu ću govoriti o trenutnom naučnom shvaćanju ove teorije, tekst se pokazao prilično obimnim, ali obećavam da ćete danas naučiti nešto novo, nešto što prije niste znali i o čemu niste ni razmišljali.

Prije svega, smiješno je, ali malo ljudi je razmišljalo o tome šta je, zapravo, teorija Velikog praska? Probaj odmah da izvrćeš u glavi činjenice koje znaš o njoj, a onda ću ti opisati kako zvuči zapravo.

Jeste li probali? Pa, još 20 sekundi za razmišljanje...

Dakle. Teorija velikog praska tvrdi da je naš svemir nekada bio mali i vruć, ali se od tada širio i hladio. Dot. U ovoj teoriji nema ništa drugo, nemojte previše izmišljati.

Iznenađujuće, u klasičnoj teoriji Velikog praska nema najvažnije stvari – nema samog Velikog praska. Nigdje se ne spominje kakva je to bila "eksplozija", šta je tu eksplodiralo, gdje je eksplodiralo, kako i zašto.

Slijedeći glavnu tezu da "U početku je naš univerzum bio mali i vruć", možete je mentalno još više rastegnuti (iako vam skrećem pažnju, ovo više NIJE teorija Velikog praska, to su upravo pokušaji da se granice primjenjivosti protežu u sferu nagađanja i fantazija) i doći do pretpostavke da čak i ranije ceo univerzum je bio sakupljen u jednu tačku, tzv tačka singularnosti, koji je kasnije eksplodirao iz nekog unutrašnjeg razloga.

Napominjem da teorija Velikog praska ("prije je Univerzum bio mali i vruć, a onda je postao velik i hladan") danas nije teorija, kao takav. Možemo pretpostaviti da je ovo prilično naučno utvrđeno činjenica, što je potvrđeno ogromnim brojem zapažanja, danas nema ni jednog postojećeg naučnika koji bi sumnjao u njega. Ali što se tiče tačke singularnosti (koja se, ponavljam, nalazi izvan granica primenljivosti teorije Velikog praska), naučnici ne samo da nemaju zajedničko mišljenje, već nemaju nikakvo mišljenje.

Niko nema ni najmanje pojma šta je to "singularnost". Singularnost je općenito rezervirano mjesto (zamjenska riječ) za frazu "ne znam". Odnosno, na pitanje "Da li su klase P i NP jednake?", ili "Da li je Schrödingerova mačka živa?", ili čak "Kako zvuči pljesak jednog dlana?" možete sa sigurnošću odgovoriti "Singularnost!".
Nećete pogrešiti.

Teorija Velikog praska je formulisana 20-ih godina prošlog veka i od tada, čitav vek, naučnici samo pokušavaju da shvate šta je suština singularnosti i da li je moguće nekako je se rešiti?

Glavni problem singularnosti je što je to prirodna podjela na nulu, i to u najdirektnijem smislu. Sve formule se pretvaraju u besmislice, 3 postaje jednako 5, a jedna beskonačnost počinje da se uvlači u drugu. I ovo je kraj fizike, kraj nauke, žive samo zmajevi-YGGOG-i, a negdje iz nabora svemira zlobno namiguje i sam Svemogući.

Predloženo je mnogo različitih metoda, pristupa i trikova za zamjenu singularnosti, što je do sada najbolje izveo američki fizičar Alan Guth 1981. godine. Kao i uvijek, još jednom podsjećam da je nauka kolektivna stvar, Gut se, kao i svi njegovi prethodnici, popeo na pleća divova, ali u ovom kratkom tekstu na prstima™ Neću nabrajati sve prethodnike, kolege i protivnike, navešću samo jedno prezime koje to zaslužuje - Aleksej Starobinsky, koji je ranije iznosio slične ideje, ali je slava pronalazača pripisana Alanu Gutu.

Gut je predložio da napravi lukavu fintu sa svojim ušima. Pazite na ruke i uši, sada ću vam pokazati jedan trik. hajde mentalno (!) izvlačimo riječ "singularnost" iz svih tekstova i umjesto nje stavljamo izraz "skalarno polje". Skrećem vam pažnju na činjenicu da se ništa nije promijenilo u ovoj fazi, termin "skalarno polje" i dalje je potpuni analog () "singularnosti", što je zauzvrat, kao što se sjećamo, samo zamjena za frazu "Ne znam".

Šta je to "skalarno polje", koje su mu karakteristike, odakle je došlo, šta se dođavola dešava - još nema odgovora. Sve dok je "skalarno polje", ili kako ga u engleskoj tradiciji nazivaju "polje inflatona" (jer je "inflacija" isto), ovo je samo rezultat misaonog eksperimenta u pokušaju da se pobjegne od singularnosti i doći do nečeg drugog. Za sada, ovo nije ništa drugo nego zamjena za šivanje sapunom. Ali budimo pravi naučnici, hajde da dovedemo naš misaoni eksperiment do kraja i vidimo šta će se na kraju desiti.

Dakle, prema Gutu, prvobitni proto-Univerzum je bio bezobličan i prazan, u njemu nije bilo ničega i ništa se nije dogodilo, bio je beskonačan, ili barem vrlo, vrlo, vrlo velik, mnogo veći od modernog. vidljivi univerzum, i sve je to bilo ispunjeno upravo ovim skalarno polje, o kojoj ne znamo ništa, osim da je nekakvo polje, a da je, kao što naziv govori, skalarno.

Neću opterećivati ​​čitatelja definicijom "skalara", to nije posebno potrebno u okviru ovog posta, prilično je jednostavno i na prstima™ možemo pretpostaviti da ovo polje sadrži neke "tenzija". Polje nosi određenu energiju u sebi, kao što grmljavinski oblak nosi vodu spremnu za kišu.

Kako je ova situacija bolja od prethodne sa singularnošću sa stanovišta fizike? Da svima! Čak i ako ne znamo nikakve karakteristike ovog polja, čak i ako nemamo pojma kakva je napetost bila i odakle je došla, ali ovo nije podjela sa nulom! Sada imamo problem koji treba riješiti, možemo početi pisati neke formule (znate, nemojte hraniti pravog naučnika medom, samo mi dajte neke formule na tri sprata), u koje je moguće zamijeniti početne uslove i koeficijente , podijelite i pomnožite, izračunajte što se na kraju dobije, a zatim uporedite s rezultatima direktnih opservacija i eksperimenata.

Da, zvuči smiješno i čak nekako blesavo, prirodna „nit na sapunu“, ali se pokazalo kao pravi proboj. Ovo je iskorak u odnosu na totalno "ne znam" ispisano na betonskom zidu, ovo je već ozbiljna ponuda za uspjeh, za obilaznicu, za tunel ili barem za ljestve.

Međutim, smiješno je da je trik Alana Gutha sa skalarnim poljem bio uspješan, ali formule jednostavno nisu uspjele. Alan je u nauku donio ideju o skalarnom polju i njegovoj inflaciji (o mehanizmu inflacije malo kasnije), ali nije uspio ispravno opisati svoje misli suhim jezikom matematike. Redovi su se razišli, sve se opet počelo dijeliti na nulu, ukratko, potpuni neuspjeh.

I samo godinu dana kasnije, prigušenu baklju inflatornog modela visoko je podigao Andrey Linde, sovjetski naučnik koji je privremeno boravio u Sjedinjenim Državama i šef Odsjeka za fiziku na Univerzitetu Stanford.

Ispravio je greške teorije Alana Gutha, učinio da se formule konvergiraju i daju predvidljiv i provjerljiv rezultat, ali je usput otvorio pravu Pandorinu kutiju, koju ću spomenuti na samom kraju posta, ostaviću je za desert .

Suština inflatornog modela Univerzuma (ukratko, figurativno i nejasno) je sljedeća:

Sjećamo se da je proto-Univerzum, prethodnik našeg Univerzuma, bio ispunjen određenim skalarnim poljem, o kojem ne znamo ništa, osim prisutnosti samog polja i njegove "skalarne" prirode. Skalarni, ne skalarni, ali principe kvantne mehanike niko nije otkazao! Već stotinu godina, niko, uključujući i samog Alberta Ajnštajna, nikada nije uspeo u principima kvantne mehanike. Što znači da čak i da je ovo polje u početku bilo homogeno (a, u principu, ne mora biti inicijalno homogeno), ipak će se s vremenom, pod uticajem kvantnih fluktuacija, u njemu pojaviti male nehomogenosti, koje prema prema uputama Njegovog Veličanstva Kvantne Šanse, mogu se preklapati, formirajući velike heterogenosti.

Pa, veliki po kvantnim standardima. U svakom slučaju, i dalje je mili-mili-mili-... (i još 10 puta mili-) džuli, metri i kilogrami, ne govorimo ni o jednom našem Univerzumu, sa trilionima zvijezda i galaksija.

I ovdje iznenada ispostavilo se da naše polje nije bilo koje, već prilično nezgodno! U običnom polju, u kojem nema trenja, nehomogenosti jednostavno prije ili kasnije" blisko i kratko"na sebe. Na primjer, uzmimo dobro poznato i razumljivo elektromagnetno polje. Ako negdje postoji razlika potencijala koja nastavi da raste, onda prije ili kasnije, ali će sigurno doći do kratkog spoja. Proći će pražnjenje, mini -iskra (ili mega-munja, ako je razlika potencijala bila velika kao kod grmljavine) i heterogenost se izravnava.

Usput, prvo, pažljiv zvjezdani čitač(*) , ovdje moram izjaviti da elektromagnetno polje nije skalarno polje, već upravo suprotno - vektorsko polje, i to vrlo konfuzno. Ali u ovom konkretnom primjeru, to uopće ne igra ulogu. I na tom i na tom polju kratko je skoro isto, po jednom scenariju. Pa, i drugo, ne može se reći da će definitivno odmah doći do kratkog spoja, naboji se mogu akumulirati godinama, pa čak i milionima godina. Sve zavisi od hiljadu različitih uslova, ali ako čekate dovoljno dugo (na primer, večnost), onda nehomogenosti kratkog spoja sigurno će se dogoditi. Naravno, sve ovo nije ništa drugo do analogija, i u ovom trenutku nije baš direktno, samo pokušavam na prstima™ objasniti ponašanje neshvatljivog skalarnog polja na primjeru razumljivog elektromagnetnog polja.

Dakle, u elektromagnetnom polju praktično bez trenja, da se tako izrazim. Elektroni imaju konačnu brzinu kretanja i doživljavaju direktan otpor medija koji nazivamo strujni otpor, ali se promjene polja prenose brzinom samog elektromagnetnog polja, tj. brzinom svetlosti. Ako odemo predaleko od teme, onda čitač sa dvije zvjezdice (**) Treba znati da čak i potpuni i apsolutni vakuum ima izvestan analog "otpornosti" na elektromagnetne valove, ali to su već vrlo duboke divljine Kazimirove sile i drugih efekata vakuumskih fluktuacija, tu još ne treba ići duboko, iako takvi objave iz serije na prstima™ su planirani za nepoznatu, ali doglednu budućnost.

Ukratko, možemo reći da elektromagnetno polje nema unutrašnje trenje, ili je zanemarljivo. Pa, kratko i kratko u tren oka. Ako analogiji nametnemo analogiju, možemo reći da je zatvaranje elektromagnetnog polja poput planine koja se nalazi u području visokog potencijala na kojem lopta leži, a područje niskog potencijala je rupa ispod planine u kojoj će ova lopta na kraju pada. Pošto trenja skoro da i nema, lopta juri dole punom brzinom, zapravo brzinom svetlosti. Prasnuo i pao.

Prilikom pada sigurno će se osloboditi neka vrsta energije koja će ići na zagrijavanje okolnog prostora, zemlje i lopte. U slučaju elektromagnetnog polja dolazi do prirodnog pražnjenja polja, tj. munja. Ako se to dogodilo pod vodom (a električna pražnjenja također mogu doći do kratkog spoja pod vodom), tada se na ovom mjestu formira sićušni mjehur zraka kada se voda raspadne na kiseonik i vodonik. Pražnjenje je bukvalno munjevito, razlika potencijala brzo opada, mjehur zraka je vrlo mali.

Sada se vratimo na naše hipotetičko skalarno polje. Budući da je još uvijek hipotetički, možete maštati o njemu i njegovim svojstvima kako želite. Pretpostavimo da u ovom polju postoji unutrašnje trenje i da je veoma veliko. Veoma, veoma veliko. Prelazeći na analogiju s loptom, ona će pasti s planine ne tamo u vakuumu ili zraku, već u vrlo viskoznoj i viskoznoj tekućini, na primjer, u suncokretovom ulju ili medu.

Zbog toga sila gravitacije vuče loptu prema dolje, a sila trenja sprječava da brzo padne i povlači je natrag. I umjesto da brzo juriš na nogu (a sećamo se da je ovo samo analogija koliko brzo ispušta neujednačenu jačinu polja), lopta glatko, gotovo konstantnom brzinom, tj. spušta se gotovo ujednačeno. Razrjeđivanje skalarnog polja odgovorno je za stvaranje vakuuma, tj. našeg dragog prostor-vremena, pad njegovog potencijala kao da naduvava balon, samo što umesto vazduha postoji vakuum, a umesto balona - naš Univerzum. Kada bi se sve odvijalo bez trenja, intenzitet skalarnog polja bi vrlo brzo opao i imali bismo mali balon vakuuma u ogromnom ogromnom okeanu proto-Univerzuma. Ali trenje (i zapravo samo skalarno polje) ne dozvoljava napetosti da brzo padne, ometa povlači se nazad. Zbog toga, dok se napetost polako smanjuje, u stvari, miruje, „sila inflacije“, tj. sila koja razbija nastali vakuum u svim pravcima ostaje konstantna, i nastavlja da pumpa istim naporom, uprkos činjenici da se dimenzije novorođenog Univerzuma povećavaju i povećavaju.

Naučnici znaju, i možete mi vjerovati na riječ, ili možete provjeriti i proguglati da u ovom slučaju dobijamo jednačinu čije je rješenje eksponent. One. ispada prirodno eksponencijalno širenje svemira. Milijarde milijardi milijardi puta. Za ne tako veliki, vrlo kratak vremenski period. Sve zavisi od toga koje smo koeficijente uključili u eksponent, tj. koliki je bio početni intenzitet skalarnog polja, kolika je bila sila trenja itd.

Proračuni pokazuju da ako se "sila ekspanzije" ne smanji s vremenom, za nekih 10-36 djelića sekunde novi vreli Univerzum (tj. ovaj originalni balon vakuuma) može se proširiti 10 26 puta. Da, ovo premašuje brzinu svjetlosti za mnogo redova veličine, ali tu nema paradoksa. Teorija relativnosti zabranjuje bilo kojoj materiji da se kreće u svemiru brži od brzine svjetlosti, ali ne zabranjuje samom prostoru (tj. praznini) da se širi na strane bilo kojom brzinom.

Ispostavilo se da Velikog praska kao "eksplozije" uopšte nije bilo. Došlo je do brzog, vrlo brzog, eksplozivno ili eksponencijalno brzog "naduvavanja i širenja" balona našeg Univerzuma, upravo ono što inflacija, od engleske riječi inflacija- "naduvati", "naduvati".

Ali evo jednog lukavog! Vakum se širi, tj. apsolutna praznina, odakle sva energija i materija od kojih sada sačinjavaju sve naše zvijezde, galaksije i ostali sadržaji savremenog svemira? A zašto je Univerzum bio vruć prije, zašto bi postojao vrući, prazan vakuum ili šta?

Evo opet jedne komplikovane stvari sa bijesnim formulama, pokušat ću to objasniti uz pomoć što mislite? Analogije na prstima™, Pa, naravno!

Znate da ako se kod nas nešto vrlo brzo širi, onda to nešto isto tako brzo gubi energiju, u smislu da je isto tako brzo širi po cijeloj širini zapremine, a na svakoj pojedinačnoj tački ili kubnom metru prostora energija postaje sve manje i manje. Ovo za vas nije khukhr-mukhr, usput, ovo je prvi zakon termodinamike!

Mi radimo suprotno. Ako se mjehur Univerzuma vrlo brzo rastegne, on će odmah početi akumulirati energije. Na kraju krajeva, gravitaciona energija uvijek ide sa predznakom minus. Ako dva tijela raširimo u svemir, ili, recimo, podignemo teški teret iznad površine Zemlje, potencijal, a time i ukupna energija sistema će se povećati! A pošto se sve dešava brzo (da podsjetim, vrlo-jako-jako-... i još 26 puta vrlo brzo), onda se u slučaju nekog plina, na primjer zraka, naglo hladi, stvara maglu i vodenu paru u taloži se, formirajući prirodni snijeg ili led. Svi su vidjeli da ako otvorite ventil boce s tečnim plinom, cilindar je odmah prekriven mrazom.

A u slučaju Univerzuma, naprotiv, temperatura naglo raste, dolazi do faznog prijelaza i oslobođena energija se "taloži" u obliku same energije (fotona) i materije (elektrona, protona i drugih elementarnih čestica). Zato se na kraju inflacije, koja je počela ne tako vruće, Univerzum brzo zagrije na neograničene energije i temperature za koje se ranije mislilo da su izbile upravo iz tačke singularnosti. A onda kada lopta je udarila u dno rupe i period eksponencijalne ekspanzije je gotov, sve se nastavlja po starom scenariju klasičnog Velikog praska, Univerzum se širi, ali ne eksponencijalno, već polako, po inerciji. Ali sada sve ovo izlazi bez samog Velikog praska i njegove singularnosti.

Zvuči neobično, zvuči kao neka obmana, ali ako razmislite, sve je logično - povećana potencijalna energija, gravitaciona energija sa predznakom minus je tačno kompenzirana kinetičkom energijom, energijom kretanja (temperatura) a ostatak energije (mase) "precipitiranih" čestica materije. Ukupna energija svemira i dalje je nula, minus sto i plus sto rezultira nulom. Kao minus milijarda i plus milijarda.

Da budemo potpuno precizni, na kraju nije baš nula, jer je intenzitet prvobitnog skalarnog polja, od kojeg je sve počelo, na ovom mjestu ipak pao skoro na nulu. Ali apsolutna vrijednost ovog pada, neki djelići džula ( Ili koja je jačina inflatonskog polja izmjerena tamo?), i dalje ostaje unutar granica, iako velikih, ali ipak kvantnih efekata. Ovo se ne može porediti sa trilioni-milijardi (tačnije, 10 50 i tako dalje) kilograma materije u nastajanju i istim redovima uskladištene gravitacione energije. Miš je rodio planinu, u pravom smislu te riječi. Tačnije, planina i jama u blizini za ravnotežu.

Još jednom, radi jasnoće, ponoviću prethodni pasus malo drugačijim rečima. Kada se, kao rezultat pada jačine skalarnog polja, u njemu pojavio mali mehur našeg prostor-vremena, tj. običnom vakuumu, ovaj prostor-vreme ispada da je "malo savijen". Zašto? Jer tako svaka energija utiče na prostor. Njutn je mislio da postoji gravitacija snagu privlačenje dve mase. Ajnštajn je rekao da je gravitacija samo savijanje prostor. Ako je prostor "savijen", u njemu je već pohranjena neka gravitaciona energija, čak i ako je ovaj prostor apsolutno prazan i u njemu nema mase. Šta tlači naš prostor? Pritišćen je energijom (pravilnije je reći - tenzorom energije i impulsa). Masa je također energija, puno energije, ali bez mase se uopće može, općenito, svaka energija tlači prostor. Kada se pod uticajem padajuće energije skalarnog polja „mali mehur vakuuma naduva“, već sadrži energiju skalarnog polja, vakuum u njemu je već „savijen“. Ako se ovaj mjehur brzo rasteže na strane, gravitacijska energija će se naglo povećati, što će uzrokovati „taloženje“ mase, koja s jedne strane dodaje energiju Univerzumu (jer E = mc 2) sa predznakom plus , a sa druge strane, Univerzumu dodaje gravitaciju ove mase sa predznakom minus, što znači da će se trka-takmičenje planine i miša nastaviti dalje.

Da, podsjećam vas, ako je neko zaboravio da se sve ovo dešava kao dio misaonog eksperimenta da se riješi singularnosti! Ovo je još uvijek samo gimnastika uma, ovdje još uvijek nema puno mirisa nauke, iako je sam misaoni eksperiment obavezan atribut naučne metode. Da biste se uzdigli u rang barem hipoteze, a da ne govorimo o teoriji, morate mnogo toga proći i objasniti.

Ponavljam, još uvijek smo u procesu zamjene šivenja za sapun. Nismo otišli nikuda od neshvatljive izvorne singularnosti, samo smo je nazvali malo drugačije i kao rezultat toga stali naopačke. Međutim, specifični detalji teorije inflatornog širenja Univerzuma, za razliku od klasične teorije Velikog praska, omogućavaju nam da pronađemo objašnjenja za mnoge uočene fenomene (problem početnih uslova, problem homogenosti i izotropije opservabilni Univerzum, problem ravni opservabilnog Univerzuma, problem sa magnetnim monopolima i još mnogo toga), pred kojim je popustio singularitet Velikog praska. To inflatorni model čini veoma atraktivnim, ali ga uopšte ne dokazuje i ne proglašava ispravnim. Inflatorni model je bio u stanju „mlade i obećavajuće“, ali „nedokazane i pomalo fantastične“ teorije od 80-ih godina prošlog veka prošlog milenijuma (tako sam zamršeno rekao „pre 30 godina“), sve do 2014. prvi, svi još uvijek stidljivi, nepotvrđeni i vrlo posredni dokazi, u smislu eksperimentalni rezultati potvrđujući to. I ovdje to nije samo aplikacija, to je pravi uspjeh!

Kakvi su to eksperimenti, kakvi su njihovi rezultati, koji su to "gravitacijski talasi", kako su povezani sa inflacijom i zašto je njihovo otkriće privučeno Nobelovom nagradom, koju će, mislim, Alan Gut i ​​Andrei Linda na kraju dobiti, kao i svi ostali tehnički detalji skupljeni su na gomilu i biće opisani posebno, u drugom delu ove priče povlače se na potpuno zaseban post. Ovdje sam upravo iznio suštinu inflatorne teorije, zaustavivši je u fazi 2013. – zanimljivo, primamljivo, ali ničim nije potvrđeno.

A sada obećano slatko.

Da, prerano je govoriti sa čvrstom sigurnošću. Da, sve se to još uvijek piše vilama u vodi, a uopće ne mora biti. Da, pred nama je još dug, dug put kalkulacija, grešaka i eksperimenata, ali.

Ono što je najukusnije je to što inflatorna teorija Alana Guta, ili bolje rečeno, samo matematički proračuni Andreya Lindea, impliciraju apsolutno divnu i zapanjujuću stvar.

Lindeovi dodaci se zvanično nazivaju "haotična teorija inflacije". Njen središnji dio, sama suština teorije, kaže da su ta "pražnjenja skalarnog polja" jednostavno obavezna haotično, tj. slučajno se javljaju bilo gdje i svuda u izvornom proto-Univerzumu. A to znači da je naš specifični Veliki prasak (koji, kao što već znamo iz sadašnje objave, uopće nije bio eksplozija), koji je doveo do formiranja našeg specifičnog Univerzuma, samo jedno pražnjenje, poseban specifični mjehur nastalog prostor, koji zovemo naš kosmos. I okolo ne samo „možda“, već prema formulama, milijarde i milijarde drugih mehurića, drugi univerzumi bi trebali da lebde okolo. U svakom od ovih univerzuma (već malim slovom) skalarno polje je palo/ispraznilo malo drugačije, te se stoga zakoni fizike u ovim svemirima mogu značajno razlikovati od naših. Zvijezde i galaksije se tamo uopće nisu mogle formirati, ili obrnuto, tamo je moglo nastati nešto o čemu nismo ni sanjali ni u najluđim fantazijama.

Ceo ovaj konglomerat naduvanih mehurića-svemira se obično naziva multiverzum, iako sam Linde više voli da govori na ruskom "Mnoga lica svemira". Ispostavilo se da je savremeno naučno razumevanje porekla i strukture našeg sveta sada sledeće:

Postoji beskonačan ili barem vrlo veliki multiverzum ispunjen nekom vrstom skalarnog polja. Koliko dugo postoji, odakle je, kakvi su uslovi u ovom multiverzumu - pojma nemamo. Čak i pola tuceta. Ali naučnici su prilično sigurni da na nekim mestima u ovom multiverzumu skalarno polje počinje da pada, napuhujući mehuriće običnih univerzuma i formirajući u njima prostor-vreme na koje smo navikli. Naš poseban balon počeo je da se naduvava pre oko 13,8 milijardi godina, a skalarno polje u našem svemiru, inače, nije otišlo nikuda, sada je skoro na minimumu, ali nije jednako nuli! Ono što rastavlja galaksije našeg Univerzuma, i ono što nazivamo Tamnom energijom, je isto "skalarno polje", tačnije, samo njegov dio. Ovdje bi, inače, trebalo biti nekoliko pasusa koji objašnjavaju da je dugo traženo Higsovo polje, formirano od naizgled nedavno pronađenog Higsovog bozona, također proizvod skalarnog polja, odnosno njegov unuk, jer postoji između skalara i Higgs, nego bi trebalo da bude, još jedno super-Higsovo polje u koje se skalarno polje degeneriše i koje se, zauzvrat, degeneriše u Higsovo polje. Ali to nije u potpunosti dokazano, i već sasvim po strani od našeg trenutnog razgovora, pa je možda dovoljno o tome.

Okolo Mjehurići našeg univerzuma su mjehurići drugih univerzuma, koji se formiraju od pada skalarnog polja na tim određenim mjestima. Negdje njihov vlastiti lokalni veliki prasak (također malim slovom) tek počinje, ali negdje se sve odavno završilo, a "između" ovih univerzuma postoji samo skalarno polje u svom visokoenergetskom stanju. Multiverzum postaje poput švicarskog sira, gdje je sam sir skalarno polje, a rupe u njemu su bezbroj i mirijadi univerzuma, od kojih je jedan naš.

Da li je moguće probušiti tunele kroz ovo skalarno polje da bi se došlo do drugih "paralelnih" univerzuma? Nepoznato.
Koliko je udaljen od našeg balona do susednog i da li je moguće stići tamo preko viših dimenzija? Nepoznato.
Da li oni zaista postoje, ovi drugi svemiri oko našeg, ili je sve samo fantazija? Nije poznato, ali sada u nauci postoji vrlo snažno povjerenje u to.

Zar nije divno?

UPD: Nastavak posta pročitajte u članku.

Činilo se malo vjerojatnim da bi do nas mogao doprijeti eho događaja koji su se odigrali u prvim milisekundama rođenja Univerzuma. Međutim, pokazalo se da je to moguće.

Kosmologija, struktura Univerzuma, prošlost, sadašnjost i budućnost našeg svijeta - ova pitanja oduvijek su zaokupljala najbolje umove čovječanstva. Za razvoj kosmologije, i nauke općenito, izuzetno je važno razumjeti Univerzum u cjelini. Posebnu ulogu ima eksperimentalna verifikacija apstraktnih konstrukcija, njihova potvrda opservacijskim podacima, sagledavanje i poređenje rezultata istraživanja, te adekvatna procjena pojedinih teorija. Sada smo na sredini puta koji vodi od rješenja Ajnštajnovih jednačina do spoznaje tajne rođenja i života Univerzuma.

Sledeći korak na ovom putu napravio je tvorac teorije haotične inflacije, diplomac Moskovskog državnog univerziteta, sada profesor na Univerzitetu Stanford, Andrej Dmitrijevič Linde, koji je dao značajan doprinos razumevanju najranije faze razvoja univerzum. Dugi niz godina radio je na jednom od vodećih akademskih ruskih instituta - Fizičkom institutu. Akademija nauka Lebedeva (FIAN), bavila se posledicama modernih teorija elementarnih čestica, radeći zajedno sa profesorom Davidom Abramovičem Kiržnicom.

Godine 1972. Kirzhnits i Linde su došli do zaključka da su se u ranom svemiru dogodile neobične fazne tranzicije, kada su razlike između različitih tipova interakcija iznenada nestale: jake i elektroslabe interakcije su se spojile u jednu jedinu silu. (Jedinstvenu teoriju o slabim i elektromagnetnim interakcijama koje izvode kvarkovi i leptoni kroz razmjenu fotona bez mase (elektromagnetska interakcija) i teških srednjih vektorskih bozona (slaba interakcija) kreirali su kasnih 1960-ih Steven Weinberg, Sheldon Glashow i Abdus Salam .) Kasnije se Linde fokusirao na proučavanje procesa u još ranijim fazama razvoja Univerzuma, u prvih 10–30 s nakon njegovog rođenja. Ranije se činilo malo vjerojatnim da bi do nas mogao doprijeti eho događaja koji su se odigrali u prvim milisekundama rođenja Univerzuma. Međutim, posljednjih godina moderne metode astronomskog promatranja omogućile su pogled u daleku prošlost.

Problemi kosmologije

Uzimajući u obzir teoriju Velikog praska, istraživači su se suočili s problemima koji su se ranije smatrali metafizičkim. Međutim, pitanja su se uvijek javljala i zahtijevala odgovore.

Šta se desilo kada nije bilo ničega? Ako je Univerzum rođen iz singularnosti, onda on nije postojao u jednom trenutku. U Teorijskoj fizici Landaua i Lifshitza se kaže da se rješenje Ajnštajnovih jednačina ne može nastaviti u područje negativnog vremena, pa se stoga, u okviru opšte teorije relativnosti, postavlja pitanje „Šta je bilo prije rođenja Univerzuma ?" nema smisla. Međutim, ovo pitanje i dalje sve nas uzbuđuje.

Seku li se paralelne prave? U školi su nam rekli ne. Međutim, kada je u pitanju kosmologija, odgovor nije tako jasan. Na primjer, u zatvorenom svemiru sličnom površini sfere, linije koje su bile paralelne na ekvatoru seku se na sjevernom i južnom polu. Dakle, da li je Euklid u pravu? Zašto se čini da je svemir ravan? Da li je bila takva od samog početka? Da bismo odgovorili na ova pitanja, potrebno je ustanoviti kakav je svemir bio u vrlo ranoj fazi razvoja.

Zašto je univerzum homogen? U stvari, to nije istina. Postoje galaksije, zvijezde i druge nehomogenosti. Ako pogledamo onaj dio Univerzuma koji je u dometu vidljivosti modernih teleskopa i analiziramo prosječnu gustinu distribucije materije na kosmičkoj skali, ispada da je ista u svim smjerovima sa tačnošću od 10 -5 . Zašto je univerzum homogen? Zašto isti zakoni fizike vrijede u različitim dijelovima svemira? Zašto je svemir tako velik? Odakle je došla energija potrebna za njegovo stvaranje?

Uvijek su se javljale sumnje, a što su naučnici više saznavali o strukturi i historiji našeg svijeta, to je više pitanja ostajalo bez odgovora. Međutim, ljudi su se trudili ne razmišljati o njima, doživljavajući veliki homogeni Univerzum i paralelne linije koje se ne sijeku kao datost, o kojoj se ne raspravlja. Posljednja kap koja je prelila čašu koja je primorala fizičare da preispitaju svoj stav prema teoriji ranog svemira bio je problem reliktnih monopola.

Postojanje magnetnih monopola predložio je 1931. engleski teoretski fizičar Paul Dirac. Ako takve čestice zaista postoje, onda njihov magnetni naboj mora biti višekratnik neke zadane vrijednosti, koja je, pak, određena osnovnom vrijednošću električnog naboja. Skoro pola veka ova tema je bila praktično zaboravljena, ali je 1975. godine objavljena senzacionalna objava da je otkriven magnetni monopol u kosmičkim zracima. Informacija nije potvrđena, ali je poruka ponovo probudila interesovanje za problem i doprinela razvoju novog koncepta.

Prema novoj klasi teorija elementarnih čestica koja je nastala 1970-ih, monopoli bi se mogli pojaviti u ranom svemiru kao rezultat faznih prijelaza koje su predvidjeli Kirzhnits i Linde. Masa svakog monopola je milion milijardi puta veća od mase protona. U 1978–1979 Zel'dovich, Khlopov i Preskill su otkrili da je nastalo dosta takvih monopola, tako da bi sada postojao monopol za svaki proton, što znači da bi Univerzum bio veoma težak i morao bi brzo da se sruši pod sopstvenom težinom. Činjenica da još uvijek postojimo opovrgava tu mogućnost.

Ponovno razmatranje teorije ranog svemira

Odgovor na većinu ovih pitanja dobijen je tek nakon pojave teorije inflacije.

Inflatorna teorija ima dugu istoriju. Prvu teoriju ovog tipa predložio je 1979. godine Aleksej Aleksandrovič Starobinski, dopisni član Ruske akademije nauka. Njegova teorija je bila prilično složena. Za razliku od kasnijih radova, ona nije pokušala da objasni zašto je svemir velik, ravan, homogen, izotropan. Međutim, imao je mnoge važne karakteristike inflatorne kosmologije.

Godine 1980., zaposlenik Massachusetts Institute of Technology Alan Goose ( Alan Guth) u članku "Naduvavanje svemira: moguće rješenje problema horizonta i ravnosti" iznio je zanimljiv scenarij za naduvavanje svemira. Njegova glavna razlika od tradicionalne teorije Velikog praska bio je opis rođenja svemira u periodu od 10–35 do 10–32 s. Gus je sugerirao da je u to vrijeme svemir bio u stanju takozvanog "lažnog" vakuuma, u kojem je njegova gustina energije bila izuzetno visoka. Dakle, ekspanzija se dogodila brže nego prema teoriji Velikog praska. Ova faza eksponencijalno brzog širenja nazvana je inflacija (inflacija) Univerzuma. Tada se lažni vakuum raspao, a njegova energija je prešla u energiju obične materije.

Gooseova teorija bila je zasnovana na teoriji faznih prijelaza u ranom svemiru koju su razvili Kirzhnits i Linde. Za razliku od Starobinskog, Gus je imao za cilj da objasni, koristeći jedan jednostavan princip, zašto je svemir velik, ravan, homogen, izotropan, kao i zašto nema monopola. Faza inflacije mogla bi riješiti ove probleme.

Nažalost, nakon kolapsa lažnog vakuuma u Goosovom modelu, Univerzum se pokazao ili vrlo nehomogenim ili prazan. Činjenica je da je do raspada lažnog vakuuma, poput kipuće vode u kotliću, došlo zbog stvaranja mjehurića nove faze. Da bi se energija oslobođena u ovom slučaju pretvorila u toplotnu energiju Univerzuma, bilo je potrebno da se zidovi ogromnih mjehurića sudare, a to je trebalo dovesti do narušavanja uniformnosti i izotropije Univerzuma nakon inflacije. , što je u suprotnosti sa postavljenim problemom.

Iako Gusov model nije funkcionirao, stimulirao je razvoj novih scenarija za naduvavanje svemira.

Nova teorija inflacije

Sredinom 1981. Linde je predložio prvu verziju novog scenarija za svemir koji se širi, na osnovu detaljnije analize faznih prelaza u modelu Velikog ujedinjenja. Došao je do zaključka da se u nekim teorijama eksponencijalna ekspanzija ne završava odmah nakon formiranja mehurića, tako da inflacija može ići ne samo pre faznog prelaza sa formiranjem mehurića, već i posle, već unutar njih. U ovom scenariju, smatra se da je vidljivi dio Univerzuma sadržan u jednom mehuru.

U novom scenariju, Linde je pokazao da do zagrijavanja nakon inflacije dolazi zbog stvaranja čestica tokom oscilacija skalarnog polja (vidi dolje). Tako su sudari zidova mjehurića, koji stvaraju nehomogenosti, postali nepotrebni, a time je riješen problem homogenosti i izotropije Univerzuma velikih razmjera.

Novi scenario je sadržao dve ključne tačke: prvo, svojstva fizičkog stanja unutar mehurića trebalo bi da se polako menjaju kako bi se obezbedila inflacija unutar mehurića; drugo, u kasnijim fazama moraju se pojaviti procesi koji osiguravaju zagrijavanje Univerzuma nakon faznog prijelaza. Godinu dana kasnije, istraživač je revidirao svoj pristup, predložen u novoj teoriji inflacije, i došao do zaključka da fazni prijelazi uopće nisu potrebni, kao i superhlađenje i lažni vakuum, od čega je Alan Hus krenuo. Bio je to emocionalni šok, jer je bilo potrebno napustiti ideje koje su se smatrale istinitim o vrućem svemiru, faznim prijelazima i hipotermiji. Bilo je potrebno pronaći novi način rješavanja problema. Tada je iznesena teorija haotične inflacije.

Haotična inflacija

Ideja koja leži u osnovi Lindeove teorije haotične inflacije je vrlo jednostavna, ali da bismo je objasnili, moramo uvesti koncept skalarnog polja. Postoje usmjerena polja - elektromagnetno, električno, magnetsko, gravitacijsko, ali može postojati barem još jedno - skalarno, koje nije usmjereno nigdje, već je jednostavno funkcija koordinata.

Najbliži (iako ne tačan) analog skalarnog polja je elektrostatički potencijal. Napon u električnim mrežama Sjedinjenih Država je 110 V, au Rusiji 220 V. Kada bi se čovjek jednom rukom držao za američku žicu, a drugom za rusku, razlika potencijala bi ga ubila. Da je napon svuda isti, ne bi bilo razlike potencijala i struja ne bi tekla. Dakle, u konstantnom skalarnom polju nema razlike potencijala. Stoga ne možemo vidjeti konstantno skalarno polje: ono izgleda kao vakuum, koji u nekim slučajevima može imati veliku gustoću energije.

Vjeruje se da je bez polja ovog tipa vrlo teško stvoriti realističnu teoriju elementarnih čestica. Posljednjih godina otkrivene su gotovo sve čestice predviđene teorijom elektroslabih interakcija, osim skalarne. Potraga za takvim česticama jedan je od glavnih ciljeva ogromnog akceleratora koji se trenutno gradi u CERN-u u Švicarskoj.

Skalarno polje je bilo prisutno u gotovo svim inflatornim scenarijima. Gus je predložio da se iskoristi potencijal sa nekoliko dubokih padova. Lindeovoj novoj inflatornoj teoriji bio je potreban potencijal skoro ravnog vrha, ali se kasnije, u haotičnom scenariju inflacije, pokazalo da je bilo dovoljno uzeti običnu parabolu i sve je funkcioniralo.

Razmotrimo najjednostavnije skalarno polje čija je gustina potencijalne energije proporcionalna kvadratu njegove veličine, kao što je energija klatna proporcionalna kvadratu njegovog odstupanja od ravnotežnog položaja:

Malo polje neće znati ništa o Univerzumu i počeće da fluktuira blizu svog minimuma. Međutim, ako je polje dovoljno veliko, onda će se kotrljati vrlo sporo, ubrzavajući Univerzum zbog svoje energije. Zauzvrat, brzina Univerzuma (a ne bilo koje čestice) će usporiti pad skalarnog polja.

Dakle, veliko skalarno polje dovodi do visoke stope širenja Univerzuma. Visoka brzina širenja Univerzuma sprečava pad polja i na taj način ne dozvoljava smanjenje gustine potencijalne energije. A visoka gustoća energije nastavlja da ubrzava Univerzum sve većom brzinom. Ovaj samoodrživi režim dovodi do inflacije, eksponencijalno brzog širenja svemira.

Da bismo objasnili ovaj neverovatan efekat, potrebno je zajednički rešiti Ajnštajnovu jednačinu za faktor skale univerzuma:

i jednadžba kretanja za skalarno polje:

Ovdje je H takozvana Hubble konstanta, proporcionalna gustoći energije skalarnog polja mase m (ova konstanta zapravo ovisi o vremenu); G - gravitaciona konstanta.

Istraživači su već razmatrali kako će se skalarno polje ponašati u blizini crne rupe i tokom kolapsa svemira. Ali iz nekog razloga nije pronađen način eksponencijalne ekspanzije. A bilo je potrebno samo napisati kompletnu jednačinu za skalarno polje, koje je u standardnoj verziji (tj. bez uzimanja u obzir širenja Univerzuma) izgledalo kao jednadžba za klatno:

Ali umiješao se neki dodatni termin - sila trenja, koja je bila povezana s geometrijom; niko to u početku nije uzeo u obzir. To je proizvod Hubble konstante i brzine polja:

Kada je Hubble konstanta bila velika, trenje je također bilo veliko, a skalarno polje se vrlo sporo smanjivalo. Stoga je Hubble konstanta, koja je funkcija skalarnog polja, dugo ostala gotovo nepromijenjena. Rješenje Einsteinove jednadžbe sa Hablovom konstantom koja se sporo mijenja opisuje svemir koji se eksponencijalno brzo širi.

Ova faza eksponencijalno brzog širenja Univerzuma naziva se inflacija.

Po čemu se ovaj režim razlikuje od uobičajenog širenja Univerzuma ispunjenog običnom materijom? Pretpostavimo da se svemir ispunjen prašinom proširio 2 puta. Tada se njegov volumen povećao za 8 puta. To znači da u 1 cm 3 ima 8 puta manje prašine. Ako riješimo Einsteinovu jednačinu za takav univerzum, ispada da je nakon Velikog praska gustoća materije brzo opala, a brzina širenja svemira brzo opala.

Isto bi vrijedilo i za skalarno polje. Ali sve dok je polje ostalo veoma veliko, ono se izdržavalo, kao što se baron Minhauzen izvlači iz močvare za svoj rep. To je bilo moguće zahvaljujući sili trenja, koja je bila značajna pri visokim vrijednostima polja. U skladu s teorijama novog tipa, svemir se brzo širio, a polje je ostalo gotovo nepromijenjeno; shodno tome, ni gustoća energije se nije promijenila. Dakle, ekspanzija je bila eksponencijalna.

Postepeno se polje smanjivalo, Hablova konstanta se takođe smanjivala, trenje je postalo malo, a polje je počelo da osciluje, stvarajući elementarne čestice. Ove čestice su se sudarale, razmjenjivale energiju i postepeno došle u stanje termodinamičke ravnoteže. Kao rezultat toga, svemir je postao vruć.

Nekada je svemir bio vruć od samog početka. Do ovog zaključka došlo se proučavanjem mikrotalasnog zračenja, koje je protumačeno kao posledica Velikog praska i naknadnog hlađenja. Tada su počeli da misle da je u početku Univerzum bio vruć, zatim je došlo do inflacije, a nakon toga je Univerzum ponovo postao vruć. Međutim, u teoriji haotične inflacije prva vruća faza se pokazala nepotrebnom. Ali zašto nam je potrebna faza inflacije, ako je na kraju ove faze Univerzum ionako postao vruć, kao u staroj teoriji Velikog praska?

Eksponencijalna ekspanzija

Postoje tri jednostavna modela Univerzuma: ravan, otvoreni i zatvoreni. Ravni univerzum je poput površine ravnog stola; paralelne prave u takvom univerzumu uvek ostaju paralelne. Otvoreni svemir je sličan površini hiperboloida, a zatvoreni svemir sličan je površini lopte. Paralelne linije u takvom svemiru seku se na njegovom sjevernom i južnom polu.

Pretpostavimo da živimo u zatvorenom svemiru, koji je u početku bio mali kao lopta. Prema teoriji Velikog praska, narastao je do pristojne veličine, ali je i dalje ostao relativno mali. A prema teoriji inflacije, sićušna lopta kao rezultat eksponencijalne eksplozije za vrlo kratko vrijeme postala je ogromna. Na njemu bi posmatrač video ravnu površinu.

Zamislite Himalaje, gdje ima mnogo različitih izbočina, pukotina, ponora, udubljenja, gromada, odnosno heterogenosti. Ali odjednom je neko ili nešto na potpuno neverovatan način povećalo planine do gigantskih razmera, ili smo se mi smanjili, kao Alisa u zemlji čuda. Tada ćemo, kada smo na vrhu Everesta, vidjeti da je potpuno ravan - kao da je rastegnut, a nehomogenosti su prestale da imaju bilo kakav značaj. Planine ostaju, ali da biste se popeli barem jedan metar, morate otići nevjerovatno daleko. Dakle, problem homogenosti se može riješiti. Ovo takođe objašnjava zašto je svemir ravan, zašto se paralelne prave ne seku i zašto monopoli ne postoje. Paralelne linije se mogu ukrštati i monopoli mogu postojati, ali samo toliko daleko da to ne možemo vidjeti.

Pojava galaksija

Mali svemir je postao kolosalan i sve je postalo homogeno. Ali šta je sa galaksijama? Ispostavilo se da su se tokom eksponencijalnog širenja Univerzuma male kvantne fluktuacije koje uvijek postoje, čak i u praznom prostoru, zbog principa kvantnomehaničke nesigurnosti, rastegle do kolosalnih veličina i pretvorile u galaksije. Prema teoriji inflacije, galaksije su rezultat pojačanih kvantnih fluktuacija, odnosno pojačanog i zamrznutog kvantnog šuma.

Po prvi put su na ovu neverovatnu mogućnost ukazali istraživači FIAN-a Vjačeslav Fedorovič Muhanov i Genadij Vasiljevič Čibisov u radu zasnovanom na modelu koji je 1979. predložio Starobinsky. Ubrzo nakon toga, sličan mehanizam je otkriven u novom inflatornom scenariju i u teoriji haotične inflacije.

Tačkasto nebo

Kvantne fluktuacije dovele su ne samo do rađanja galaksija, već i do pojave anizotropije kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja s temperaturom od približno 2,7 K, koje nam dolazi iz udaljenih područja Univerzuma.

Moderni umjetni sateliti Zemlje pomažu naučnicima da istraže reliktnu radijaciju. Najvredniji podaci dobijeni su pomoću WMAP svemirske sonde ( Wilkinson mikrovalna sonda za anizotropiju), nazvan po astrofizičaru Davidu Wilkinsonu ( David Wilkinson). Rezolucija njegove opreme je 30 puta veća od one njegove prethodnice, svemirske letjelice COBE.

Ranije se smatralo da je temperatura neba svuda 2,7 K, ali je WMAP bio u stanju da je izmeri na 10-5 K uz visoku ugaonu rezoluciju. Prema podacima dobijenim za prve 3 godine promatranja, pokazalo se da je nebo nehomogeno: negdje vruće, a negdje hladnije. Najjednostavniji modeli teorije inflacije predviđali su talasanje na nebu. Ali dok teleskopi nisu fiksirali njegovo uočavanje, uočeno je samo zračenje od tri stepena, što je poslužilo kao najsnažnija potvrda teorije o vrućem svemiru. Sada se pokazalo da teorija o vrućem svemiru nije dovoljna.

Bilo je moguće dobiti fotografije nabreklih kvantnih fluktuacija, koje su se pojavile 10-30 s nakon rođenja svemira i preživjele su do danas. Istraživači ne samo da su otkrili nejednakost neba, već su proučavali i spektar tačaka, odnosno intenzitet signala u različitim kutnim smjerovima.

Rezultati visoko preciznih mjerenja polarizacije zračenja obavljenih pomoću WMAP-a potvrdili su teoriju širenja Univerzuma i omogućili da se utvrdi kada je došlo do jonizacije međugalaktičkog plina, uzrokovane samim prvim zvijezdama. Informacija dobijena sa satelita potvrdila je poziciju inflatorne teorije da živimo u velikom ravnom svemiru.

Na slici, crvena linija prikazuje predviđanje teorije inflacije, a crne tačke odgovaraju WMAP eksperimentalnim podacima. Da Univerzum nije ravan, tada bi vrh grafika bio desno ili lijevo.

Vječno i beskrajno

Pogledajmo ponovo sliku koja prikazuje najjednostavniji potencijal skalarnog polja (vidi gore). U području gdje je skalarno polje malo, ono oscilira i svemir se ne širi eksponencijalno. U području gdje je polje dovoljno jako, ono polako opada i na njemu se pojavljuju male fluktuacije. U ovom trenutku postoji eksponencijalna ekspanzija i proces inflacije. Kada bi skalarno polje bilo još veće (označeno plavom bojom na grafikonu), onda bi se teško smanjilo zbog ogromnog trenja, kvantne fluktuacije bi bile ogromne, a Univerzum bi mogao postati fraktalan.

Zamislite da se Univerzum brzo širi i da u nekom trenutku skalarno polje, umjesto da se kotrlja na energetski minimum, skoči naviše zbog kvantnih fluktuacija (vidi gore). Tamo gdje je polje skočilo, svemir se širi eksponencijalno brže. Nisko ležeće polje vjerovatno neće skočiti, ali što je više, veća je vjerovatnoća takvog razvoja događaja, a time i eksponencijalno većeg obima novog područja. U svakom od ovih ravnih područja, polje također može skočiti, što dovodi do stvaranja novih eksponencijalno rastućih dijelova svemira. Kao rezultat toga, umjesto da izgleda kao jedna ogromna rastuća lopta, naš svijet postaje poput stabla koje stalno raste, koje se sastoji od mnogo takvih kuglica.

Inflatorna teorija nam daje jedino trenutno poznato objašnjenje za homogenost vidljivog dijela svemira. Paradoksalno, ista teorija predviđa da je, u izuzetno velikim razmerama, naš Univerzum apsolutno nehomogen i da izgleda kao ogroman fraktal.

Slika šematski pokazuje kako jedan napuhani region Univerzuma stvara sve više i više svojih dijelova. U tom smislu, postaje vječan i samoregenerirajući.

Osobine prostor-vremena i zakoni međusobnog međudjelovanja elementarnih čestica u različitim regijama Univerzuma mogu biti različiti, kao i dimenzije prostora i vrste vakuuma.

Ova činjenica zaslužuje detaljnije objašnjenje. Prema najjednostavnijoj teoriji s jednim minimumom potencijalne energije, skalarno polje se spušta do ovog minimuma. Međutim, realističnije verzije dopuštaju mnogo minimuma s različitom fizikom, koja podsjeća na vodu, koja može biti u različitim stanjima: tekuće, plinovito i čvrsto. Različiti dijelovi Univerzuma također mogu biti u različitim faznim stanjima; ovo je moguće u teoriji inflacije čak i bez kvantnih fluktuacija.

Sljedeći korak, zasnovan na proučavanju kvantnih fluktuacija, je teorija univerzuma koji se samoiscjeljuje. Ova teorija uzima u obzir proces stalne rekonstrukcije područja bubrenja i kvantnih skokova iz jednog vakuumskog stanja u drugo, sortirajući različite mogućnosti i dimenzije.

Tako Univerzum postaje vječan, beskonačan i raznolik. Cijeli univerzum se nikada neće srušiti. Međutim, to ne znači da ne postoje singularnosti. Naprotiv, značajan dio fizičkog volumena Univerzuma uvijek je u stanju bliskom singularnom. Ali pošto ga različiti volumeni prolaze u različito vrijeme, ne postoji jedinstveni kraj prostor-vremena, nakon kojeg svi regioni nestaju. A onda pitanje pluraliteta svjetova u vremenu i prostoru poprima sasvim drugo značenje: Univerzum se može reproducirati beskonačno u svim svojim mogućim stanjima.

Ova tvrdnja, zasnovana na Lindeovom radu iz 1986. godine, dobila je novo značenje prije nekoliko godina kada su teoretičari struna (vodeći kandidat za teoriju svih fundamentalnih sila) zaključili da je u ovoj teoriji moguće 10 100 -10 1000. različiti vakuum države. Ova stanja se razlikuju zbog izuzetne raznolikosti moguće strukture svijeta na ultramalim udaljenostima.

Zajedno sa teorijom o samoiscjeljujućem inflatornom Univerzumu, to znači da se Univerzum raspada na beskonačno mnogo dijelova sa nevjerovatno velikim brojem različitih svojstava tokom inflacije. Kosmolozi ovaj scenario nazivaju vječnom inflatornom teorijom multiverzuma ( multiverzum), a teoretičari struna to nazivaju pejzažom struna.

Prije 25 godina, inflatorna kosmologija je izgledala kao nešto između fizičke teorije i naučne fantastike. Vremenom su mnoga predviđanja ove teorije bila testirana i ona je postepeno dobijala karakteristike standardne kosmološke paradigme. Ali prerano je da se smirim. Ova teorija nastavlja da se razvija i brzo mijenja. Glavni problem je razvoj inflatornih kosmoloških modela zasnovanih na realističnim verzijama teorije elementarnih čestica i teorije struna. Ovo pitanje može biti predmet posebnog izvještaja.

Neposredno nakon svog rođenja, svemir se proširio neverovatno brzo.

Još od 30-ih godina XX veka astrofizičari su već znali da se, prema Hablovom zakonu, svemir širi, što znači da je svoj početak imao u određenom trenutku u prošlosti. Zadatak astrofizičara je, dakle, spolja izgledao jednostavan: pratiti sve faze Hubbleove ekspanzije u obrnutoj hronologiji, primjenjujući odgovarajuće fizičke zakone u svakoj fazi, i, prošavši ovim putem do kraja - tačnije, do samog početka - da razumem tačno kako se sve dogodilo.

Međutim, kasnih 1970-ih, nekoliko fundamentalnih problema vezanih za rani univerzum ostalo je neriješeno, a to su:

• Problem antimaterije. Prema zakonima fizike, materija i antimaterija imaju jednako pravo na postojanje u Univerzumu ( cm. Antičestice), ali svemir je gotovo u potpunosti sastavljen od materije. Zašto se to dogodilo?
• Problem s horizontom. Prema pozadini kosmičkog zračenja ( cm. Veliki prasak), možemo utvrditi da je temperatura Univerzuma svuda približno ista, ali njegovi pojedinačni dijelovi (jata galaksija) nisu mogli biti u kontaktu (kako kažu, bili su vani horizont jedan drugog). Kako se dogodilo da je među njima uspostavljena termička ravnoteža?
• Problem ispravljanja prostora.Čini se da svemir ima upravo onu masu i energiju potrebne da uspori i zaustavi Hablovo širenje. Zašto, od svih mogućih masa, univerzum ima ovu?

Ključ za rješavanje ovih problema bila je ideja da je svemir odmah nakon svog rođenja bio veoma gust i veoma vruć. Sva materija u njemu bila je usijana masa kvarkova i leptona ( cm. Standardni model), koji se nije mogao spojiti u atome. Različite sile koje djeluju u modernom Univerzumu (kao što su elektromagnetne i gravitacijske sile) tada su odgovarale jednom polju interakcije sila ( cm. univerzalne teorije). Ali kada se Univerzum proširio i ohladio, hipotetičko ujedinjeno polje se razbilo na nekoliko sila ( cm. rani univerzum).

Godine 1981. američki fizičar Alan Guth je shvatio da je odvajanje jakih interakcija iz jedinstvenog polja, koje se dogodilo oko 10-35 sekundi nakon rođenja Univerzuma (samo pomislite - ovo je 34 nule i jedan nakon decimalne zareze!), To je bila prekretnica u njegovom razvoju. dogodilo fazni prelaz materija iz jednog stanja u drugo na skali svemira - fenomen sličan transformaciji vode u led. I kao što kada se voda zamrzne, njeni nasumično pokretni molekuli iznenada „zahvate“ i formiraju strogu kristalnu strukturu, tako je pod uticajem oslobođenih jakih interakcija došlo do trenutnog preuređivanja, svojevrsne „kristalizacije“ materije u Univerzumu.

Onaj ko je vidio pucanje vodovodnih cijevi ili pucanja cijevi hladnjaka automobila u jakom mrazu, čim se voda u njima pretvori u led, iz vlastitog iskustva zna da se voda širi kada se smrzne. Alan Guth je uspio pokazati da se, kada su jake i slabe interakcije razdvojene, nešto slično dogodilo u Univerzumu - ekspanzija nalik skoku. Ova ekstenzija se zove inflatorno, mnogo puta brže od uobičajene Hubble ekspanzije. Za otprilike 10 -32 sekunde, Univerzum se proširio za 50 redova veličine - bio je manji od protona, i postao je veličine grejpfruta (za poređenje: kada se voda smrzne, širi se za samo 10%). A ovo brzo inflatorno širenje svemira uklanja dva od tri gornja problema, direktno ih objašnjavajući.

Rješenje problemi sa ispravljanjem prostora Sljedeći primjer to najbolje ilustruje: zamislite koordinatnu mrežu nacrtanu na tankoj elastičnoj karti, koja se zatim nasumično zgužva. Ako sada uzmemo i snažno protresemo ovu zgužvanu elastičnu kartu, ona će se vratiti u ravan oblik, a koordinatne linije na njoj će se vratiti, bez obzira koliko smo je deformirali kada smo je zgužvali. Slično tome, bez obzira koliko je prostor Univerzuma bio zakrivljen na početku svoje inflatorne ekspanzije, glavna stvar je da se na kraju ovog širenja prostor pokazao potpuno ispravljen. A pošto iz teorije relativnosti znamo da zakrivljenost prostora zavisi od količine materije i energije u njemu, postaje jasno zašto u Univerzumu ima dovoljno materije da uravnoteži Hablovo širenje.

Objašnjava inflatorni model i problem horizonta, iako ne tako direktno. Iz teorije zračenja crnog tijela znamo da zračenje koje emituje tijelo ovisi o njegovoj temperaturi. Dakle, iz emisionih spektra udaljenih dijelova Univerzuma možemo odrediti njihovu temperaturu. Takva mjerenja su dala zapanjujuće rezultate: pokazalo se da je u bilo kojoj vidljivoj tački u svemiru temperatura (sa greškom mjerenja do četiri decimale) ista. Ako pođemo od modela uobičajene Hablove ekspanzije, onda je materija odmah nakon Velikog praska trebala da se rasprši predaleko da bi se temperature izjednačile. Prema inflatornom modelu, materija Univerzuma do trenutka t = 10 -35 sekundi ostala je mnogo kompaktnija nego tokom Hablove ekspanzije. Ovaj izuzetno kratak period bio je sasvim dovoljan da se uspostavi termička ravnoteža, koja nije narušena u fazi inflatorne ekspanzije i koja se očuvala do danas.

Američki fizičar, specijalista za elementarne čestice i kosmologiju. Rođen u New Brunswicku, New Jersey. Doktorirao je na Tehnološkom institutu u Masačusetsu, gde se vratio 1986. godine i postao profesor fizike. Guth je razvio svoju teoriju inflatornog širenja Univerzuma još na Univerzitetu Stanford, dok je radio na teoriji elementarnih čestica. Poznat po svom osvrtu na univerzum kao "beskrajni stolnjak koji se samostalno sklapa".

Od sredine 1970-ih, fizičari su počeli da rade na teorijskim modelima Velikog ujedinjenja tri fundamentalne sile - jake, slabe i elektromagnetne. Mnogi od ovih modela doveli su do zaključka da su ubrzo nakon Velikog praska, vrlo masivne čestice koje nose jedan magnetni naboj moralo biti proizvedene u izobilju. Kada je starost Univerzuma dostigla 10-36 sekundi (prema nekim procjenama, čak i nešto ranije), jaka interakcija se odvojila od elektroslabe i stekla nezavisnost. U ovom slučaju, tačkasti topološki defekti čija je masa 10 15 - 10 16 veća od mase protona koji još nije postojao nastali su u vakuumu. Kada se, pak, elektroslaba sila podijelila na slabe i elektromagnetne sile i pojavio se pravi elektromagnetizam, ovi defekti su poprimili magnetska naboja i započeli novi život - u obliku magnetnih monopola.

Razdvajanje fundamentalnih interakcija u našem ranom svemiru bilo je u prirodi fazne tranzicije. Na veoma visokim temperaturama, fundamentalne interakcije su kombinovane, ali kada se ohladi ispod kritične temperature, do razdvajanja nije došlo (ovo se može uporediti sa superhlađenjem vode). U ovom trenutku, energija skalarnog polja povezanog sa ujedinjenjem premašila je temperaturu svemira, što je polje dalo negativnim pritiskom i izazvalo kosmološku inflaciju. Univerzum je počeo da se širi veoma brzo, a u trenutku prekida simetrije (na temperaturi od oko 10 28 K) njegove dimenzije su se povećale za 10 50 puta. Skalarno polje povezano sa ujedinjenjem interakcija je nestalo, a njegova energija se transformisala u dalju ekspanziju Univerzuma.

HOT BIRTHDAY

Ovaj prelijepi model predstavio je kosmologiju s neugodnim problemom. "Sjeverni" magnetni monopoli se poništavaju prilikom sudara sa "južnim", ali inače su te čestice stabilne. Zbog nanogramske mase, ogromne po standardima mikrosvijeta, ubrzo nakon rođenja morali su se usporiti na nerelativističke brzine, raspršiti se kroz svemir i preživjeti do našeg vremena. Prema standardnom modelu Velikog praska, njihova strujna gustina bi otprilike trebala odgovarati gustoći protona. Ali u ovom slučaju, ukupna gustoća kosmičke energije bila bi barem kvadrilion puta veća od stvarne.
Svi pokušaji otkrivanja monopola do sada su završili neuspjehom. Kao što pokazuje potraga za monopolima u željeznim rudama i morskoj vodi, odnos njihovog broja prema broju protona ne prelazi 10 -30. Ove čestice ili uopšte ne postoje u našem prostoru svemira, ili su toliko malo da ih instrumenti ne mogu da registruju, uprkos jasnom magnetskom potpisu. Astronomska zapažanja to takođe potvrđuju: prisustvo monopola bi trebalo da utiče na magnetna polja naše Galaksije, ali to nije pronađeno.
Naravno, može se pretpostaviti da monopoli nikada nisu postojali. Neki modeli objedinjavanja fundamentalnih interakcija zapravo ne propisuju njihov izgled. Ali problemi horizonta i ravnog univerzuma ostaju. Dogodilo se da se kasnih 1970-ih kosmologija suočila s ozbiljnim preprekama, koje su očito zahtijevale nove ideje za prevazilaženje.

NEGATIVNI PRITISAK

I ove ideje nisu se sporo pojavljivale. Glavna je bila hipoteza prema kojoj u svemiru, osim materije i zračenja, postoji skalarno polje (ili polja) koje stvara negativni pritisak. Ova situacija izgleda paradoksalno, ali se dešava u svakodnevnom životu. Sistem pozitivnog pritiska, kao što je komprimovani gas, gubi energiju dok se širi i hladi. Elastična traka je, s druge strane, u stanju negativnog pritiska, jer, za razliku od gasa, teži da se ne širi, već skuplja. Ako se takva traka brzo rasteže, ona će se zagrijati i njena toplinska energija će se povećati. Kako se svemir širi, polje negativnog pritiska akumulira energiju, koja je, kada se oslobodi, sposobna generirati čestice i kvante svjetlosti.

FLAT PROBLEM

Astronomi su dugo bili uvjereni da ako je trenutni vanjski prostor deformiran, to je prilično umjereno. Friedman i Lemaitre modeli omogućavaju nam da izračunamo kolika je bila zakrivljenost prostora ubrzo nakon Velikog praska. Zakrivljenost se procjenjuje pomoću bezdimenzionalnog parametra Ω, koji je jednak omjeru prosječne gustoće kosmičke energije i njene vrijednosti pri kojoj ova zakrivljenost postaje jednaka nuli, a geometrija Univerzuma, shodno tome, postaje ravna. Prije otprilike 40 godina više nije bilo sumnje da ako se ovaj parametar razlikuje od jedinice, onda ne više od deset puta u jednom ili drugom smjeru. Iz toga proizilazi da se sekund nakon Velikog praska razlikovao od jedinice gore ili dole za samo 10 -14! Je li tako fantastično precizno "tuning" slučajno ili iz fizičkih razloga? Ovako su američki fizičari Robert Dicke i James Peebles formulirali problem 1979. godine.

FLAT PROBLEM

Negativan pritisak može imati različitu vrijednost. Ali postoji poseban slučaj kada je ona jednaka gustoći kosmičke energije suprotnog predznaka. U ovom scenariju, ova gustina ostaje konstantna sa širenjem prostora, budući da negativni pritisak kompenzuje rastuće "razrjeđivanje" čestica i svjetlosnih kvanta. Iz Friedmann-Lemaitre jednadžbe slijedi da se Univerzum u ovom slučaju eksponencijalno širi.

Hipoteza eksponencijalne ekspanzije rješava sva tri gornja problema. Pretpostavimo da je svemir nastao iz sićušnog "mjehurića" visoko zakrivljenog prostora, koji je prošao transformaciju koja je prostor podarila negativnim pritiskom i tako ga prisilila da se eksponencijalno širi. Naravno, nakon nestanka ovog pritiska, Univerzum će se vratiti u svoje nekadašnje "normalno" širenje.

RJEŠENJE PROBLEMA

Pretpostavićemo da je radijus Univerzuma pre dostizanja eksponencijalnog bio samo nekoliko redova veličine veći od Plankove dužine, 10 -35 m. Ako u eksponencijalnoj fazi poraste, recimo, 1050 puta, onda će do svog kraja dostižu hiljade svetlosnih godina. Bez obzira na razliku između parametra zakrivljenosti prostora od jedinice prije početka ekspanzije, do njegovog kraja će se smanjiti za 10 -100 puta, odnosno prostor će postati savršeno ravan!
Na sličan način se rješava i problem monopola. Ako su topološki defekti koji su postali njihovi prethodnici nastali prije ili čak tokom eksponencijalne ekspanzije, onda bi se do njenog kraja trebali udaljiti jedan od drugog za gigantske udaljenosti.Od tada se Univerzum značajno proširio, a gustina monopola je pala na gotovo nula. Proračuni pokazuju da čak i ako ispitamo kosmičku kocku sa ivicom od milijardu svjetlosnih godina, onda s najvećim stepenom vjerovatnoće neće postojati niti jedan monopol.
Hipoteza eksponencijalne ekspanzije također sugerira jednostavno rješenje problema horizonta. Pretpostavimo da veličina germinalnog "mjehurića" koji je postavio temelje našeg Univerzuma nije premašila putanju koju je svjetlost imala vremena prijeći nakon Velikog praska. U tom slučaju se u njemu mogla uspostaviti termička ravnoteža, čime je osigurana jednakost temperatura u cijeloj zapremini, koja se očuvala pri eksponencijalnom širenju. Takvo objašnjenje je prisutno u mnogim udžbenicima kosmologije, ali možete i bez njega.

IZ JEDNOG MJEHURA

Na prijelazu iz 1970-ih u 1980-te, nekoliko teoretičara, od kojih je prvi bio sovjetski fizičar Aleksej Starobinsky, razmatralo je modele rane evolucije Univerzuma sa kratkom fazom eksponencijalne ekspanzije. Amerikanac Alan Guth je 1981. godine objavio rad koji je tu ideju iznio u prvi plan. On je prvi shvatio da takvo proširenje (najvjerovatnije se završava u dobi od 10 -34 s) otklanja problem monopola, kojim se u početku bavio, i ukazuje na put do rješavanja nedosljednosti sa ravnom geometrijom i horizontom. Guth je ovu ekspanziju lijepo nazvao kosmološkom inflacijom, a termin je postao općeprihvaćen.

TAMO, PREKO HORIZONTA

PROBLEM HORIZONTA JE POVEZAN SA RELIKTNIM ZRAČENJEM IZ KOJE TAČKE HORIZONTA DOLAZI, NJEGOVA TEMPERATURA JE KONSTANTNA SA TAČNOŠĆU OD 0,001%. Sedamdesetih godina 20. vijeka ovi podaci još nisu bili dostupni, ali su čak i tada astronomi vjerovali da fluktuacije ne prelaze 0,1%. Ovo je bila misterija. Kvanti mikrotalasnog zračenja rasuli su se kroz svemir otprilike 400.000 godina nakon Velikog praska. Ako se svemir cijelo vrijeme razvijao prema Friedmann-Lemaitreu, onda su fotoni koji su došli na Zemlju iz područja nebeske sfere razdvojenih ugaonom udaljenosti većom od dva stepena emitirani iz područja svemira koji tada nisu mogli imati ništa. zajedničko jedno s drugim. Između njih ležale su udaljenosti koje svjetlost jednostavno nije mogla savladati za cijelo vrijeme tadašnjeg postojanja Univerzuma - drugim riječima, njihovi kosmološki horizonti se nisu ukrštali. Zbog toga nisu imali priliku da uspostave međusobnu toplinsku ravnotežu, koja bi gotovo potpuno izjednačila njihove temperature. Ali ako ove regije nisu bile povezane u ranim trenucima formiranja, kako su na kraju bile gotovo jednako zagrijane? Ako je ovo slučajnost, previše je čudno.

FLAT PROBLEM

Ali Guthov model je i dalje imao ozbiljan nedostatak. To je omogućilo pojavu mnogih inflatornih područja koja su se međusobno sukobljavala. To je dovelo do formiranja visoko neuređenog kosmosa sa nehomogenom gustinom materije i zračenja, što je potpuno drugačije od stvarnog svemira. Međutim, ubrzo su Andrei Linde sa Instituta za fiziku Akademije nauka (FIAN), a nešto kasnije Andreas Albrecht i Paul Steinhardt sa Univerziteta Pennsylvania pokazali da ako promijenite jednačinu skalarnog polja, onda sve dolazi na svoje mjesto. Odavde je slijedio scenario prema kojem je cijeli naš vidljivi Univerzum nastao iz jednog vakuumskog balona, ​​odvojenog od drugih inflatornih područja nezamislivo velikim udaljenostima.

HAOTIČNA INFLACIJA

Godine 1983. Andrey Linde napravio je još jedan iskorak, razvio teoriju haotične inflacije, koja je omogućila da se objasni kako sastav Univerzuma, tako i homogenost kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja. Tokom inflacije, sve prethodne nehomogenosti u skalarnom polju se toliko rastežu da praktično nestaju. U završnoj fazi inflacije, ovo polje počinje brzo da oscilira blizu minimuma svoje potencijalne energije. U ovom slučaju čestice i fotoni se rađaju u izobilju, koji intenzivno interaguju jedni s drugima i postižu ravnotežnu temperaturu. Dakle, na kraju inflacije imamo ravan vrući Univerzum, koji se zatim širi prema scenariju Velikog praska. Ovaj mehanizam objašnjava zašto danas posmatramo kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje sa malim temperaturnim fluktuacijama koje se mogu pripisati kvantnim fluktuacijama u prvoj fazi postojanja Univerzuma. Tako je teorija haotične inflacije riješila problem horizonta bez pretpostavke da je prije početka eksponencijalne ekspanzije embrionalni Univerzum bio u stanju termičke ravnoteže.

Prema Lindeovom modelu, distribucija materije i zračenja u prostoru nakon inflacije jednostavno mora biti gotovo savršeno homogena, sa izuzetkom tragova primarnih kvantnih fluktuacija. Ove fluktuacije dovele su do lokalnih fluktuacija u gustoći, koje su na kraju dovele do galaktičkih klastera i svemirskih praznina koje ih razdvajaju. Vrlo je važno da bi bez inflatornog "rastezanja" fluktuacije bile preslabe i ne bi mogle postati embrioni galaksija. Općenito, inflatorni mehanizam ima izuzetno moćnu i univerzalnu kosmološku kreativnost - ako želite, pojavljuje se kao univerzalni demijurg. Dakle, naslov ovog članka nikako nije pretjerano.
Na skali od stotih delova svemira (sada je to stotine megaparseka), njegov sastav je bio i ostao homogen i izotropan. Međutim, na skali čitavog kosmosa homogenost nestaje. Inflacija se zaustavlja u jednom području, a počinje u drugom, i tako u nedogled. Ovo je samoreproducirajući beskonačan proces koji dovodi do razgranatog skupa svjetova - Multiverzuma. Isti fundamentalni fizički zakoni mogu se tamo realizirati u različitim oblicima - na primjer, unutarnuklearne sile i naboj elektrona u drugim svemirima mogu se pokazati drugačijima od našeg. O ovoj fantastičnoj slici trenutno ozbiljno raspravljaju i fizičari i kosmolozi.

BORBA IDEJA

„Glavne ideje inflatornog scenarija formulisane su pre tri decenije“, objašnjava Andrey Linde, jedan od autora inflatorne kosmologije, profesor na Univerzitetu Stanford. - Nakon toga je glavni zadatak bio razvijanje realističkih teorija zasnovanih na tim idejama, ali su se samo kriterijumi realizma menjali više puta. U 1980-im, prevladavalo je gledište da se inflacija može razumjeti korištenjem modela Velikog ujedinjenja. Tada su se nade istopile, a inflacija se počela tumačiti u kontekstu teorije supergravitacije, a kasnije - teorije superstruna. Međutim, ovaj put se pokazao veoma teškim. Prvo, obje ove teorije koriste izuzetno složenu matematiku, a drugo, raspoređene su tako da je vrlo, vrlo teško implementirati inflatorni scenario uz njihovu pomoć. Stoga je napredak ovdje bio prilično spor. Tri japanska naučnika su 2000. godine, uz poprilične poteškoće, u okviru teorije supergravitacije dobila model haotične inflacije, do kojeg sam došao skoro 20 godina ranije. Tri godine kasnije, mi na Stanfordu smo uradili rad koji je pokazao fundamentalnu mogućnost konstruisanja inflatornih modela korišćenjem teorije superstruna i objasnio četvorodimenzionalnost našeg sveta na njenoj osnovi. Konkretno, saznali smo da se na taj način može dobiti vakuumsko stanje sa pozitivnom kosmološkom konstantom, koja je neophodna za pokretanje inflacije. Naš pristup su uspješno razvili drugi naučnici, što je uvelike doprinijelo napretku kosmologije. Sada je jasno da teorija superstruna dopušta postojanje gigantskog broja vakuumskih stanja koja dovode do eksponencijalnog širenja svemira.
Sada bismo trebali napraviti još jedan korak i razumjeti strukturu našeg univerzuma. Ovi radovi se izvode, ali nailaze na velike tehničke poteškoće, a kakav će biti rezultat još nije jasno. U posljednje dvije godine, moje kolege i ja radili smo na porodici hibridnih modela koji se oslanjaju i na superstrune i na supergravitaciju. Postoji napredak, već smo u stanju da opišemo mnoge stvari iz stvarnog života. Na primjer, blizu smo razumijevanju zašto je gustoća energije vakuuma sada tako niska, koja je samo tri puta veća od gustine čestica i zračenja. Ali potrebno je ići dalje. Radujemo se rezultatima posmatranja iz svemirske opservatorije Planck, koja mjeri spektralne karakteristike CMB-a s vrlo visokom rezolucijom. Moguće je da će očitavanja njenih instrumenata staviti pod nož čitave klase inflatornih modela i dati poticaj razvoju alternativnih teorija.
Inflatorna kosmologija se može pohvaliti brojnim izuzetnim dostignućima. Predvidjela je ravnu geometriju našeg svemira mnogo prije nego što su astronomi i astrofizičari potvrdili ovu činjenicu. Do kraja 1990-ih vjerovalo se da uz puno razmatranje cjelokupne materije u svemiru, numerička vrijednost parametra Ω ne prelazi 1/3. Bilo je potrebno otkriće tamne energije kako bi se osiguralo da je ova vrijednost praktički jednaka jedan, kao što slijedi iz inflatornog scenarija. Predviđene su fluktuacije temperature reliktnog zračenja i unapred izračunat njihov spektar. Mnogo je takvih primjera. Pokušaji da se opovrgne teorija inflacije u više navrata, ali nikome nije pošlo za rukom. Osim toga, prema Andrei Lindeu, posljednjih godina se razvio koncept pluraliteta svemira, čije se formiranje može nazvati naučnom revolucijom: „Uprkos svojoj nepotpunosti, on postaje dio kulture nove generacije fizičara i kosmolozi.”

NA STANDARDU SA EVOLUCIJOM

„Inflatorna paradigma je sada implementirana u niz opcija, među kojima nema priznatog lidera“, kaže Aleksandar Vilenkin, direktor Instituta za kosmologiju na Univerzitetu Tufts. - Ima mnogo modela, ali niko ne zna koji je ispravan. Stoga ne bih govorio o bilo kakvom dramatičnom napretku koji je učinjen posljednjih godina. I da, ima dosta komplikacija. Na primjer, nije sasvim jasno kako uporediti vjerovatnoće događaja predviđenih određenim modelom. U vječnom univerzumu, svaki događaj se mora dogoditi beskonačan broj puta. Dakle, da biste izračunali vjerovatnoće, morate uporediti beskonačnosti, što je veoma teško. Postoji i neriješen problem početka inflacije. Najvjerovatnije ne možete bez toga, ali još nije jasno kako mu se približiti. Pa ipak, inflatorna slika svijeta nema ozbiljnih konkurenata. Uporedio bih je sa Darvinovom teorijom, koja je u početku takođe imala mnogo nedoslednosti. Međutim, alternativu nije imala, pa je na kraju dobila priznanje naučnika. Čini mi se da će se koncept kosmološke inflacije savršeno nositi sa svim poteškoćama.”