Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская
Исходный вариант модели Старобинского позволял устранить большинство из перечисленных выше трудностей стандартной модели. Однако некоторые из них оставались. Например, уравнения говорили, что вторичное разогревание исходной горячей Вселенной Фридмана превышало 10 К настолько, что при последующем охлаждении, когда разрушалось Великое объединение, должны были в больших количествах рождаться магнитные монополи. Однако это не соответствует действительности. Вычисления, проведенные в рамках этой модели, показали, что неоднородности плотности, возникающие при переходе от первого этапа быстрого расширения к горячей модели Фридмана, тоже получаются слишком большими.
Трудности, возникавшие в первом варианте модели Старобинского, устранены в ходе ее последующего уточнения. Это потребовало введения в уравнения дополнительного члена. Такого, что отношение кривизны пространства к исходной массе поля входит в него не в первой степени, а в квадрате. А это позволяет описать процесс первоначального быстрого расширения Вселенной и ее последующего разогрева так, что разогревание Вселенной к началу фридмановской стадии превосходит 1027 К, то есть не достигает температуры, три которой рождаются магнитные монополи и стенки доменов. Это снимает главную из трудностей первого варианта модели Старобинского.
Заслугой Старобижского и достоинством его модели является и то, что впервые в описание эволюции Вселенной корректно введены квантовые свойства материи, а также гравитационные волны и их кванты-гравитоны, рождающиеся на ранних стадиях этой эволюции. Старобинский оценил, могут ли реликтовые гравитационные волны, оставшиеся от первых мгновений истории Вселенной, быть обнаружены в наши дни. Оценка оказалась не намного ниже современных экспериментальных возможностей. Это стимулирует ученых к совершенствованию приборов, при помощи которых они пытаются, пока безуспешно, обнаружить гравитационные волны, порождаемые двойными звездами, взрывами сверхновых и другими явлениями.
Модель Старобинского считается одним из перспективных вариантов теории ранних стадий эволюции Вселенной. Он сам и другие ученые продолжают изучать роль квантовых процессов в теории Большого взрыва. Возможно, окончательная теория возникнет как синтез модели Старобинского и модели раздувающейся Вселенной, к которой мы теперь переходим.
Впечатляющую попытку решить интересующую нас проблему сделал в 1980 году А. Г. Гус. Исходя из иных, чем Старобинский, соображений, он тоже пришел к выводу о том, что исходная стадия расширения происходила со скоростью, намного превосходящей ту, о которой говорили в 1978 году. И что особенно важно, на первом этапе расширения скорость не убывала, как в стандартной модели, а чрезвычайно быстро возрастала. Гус назвал эту часть процесса расширения Вселенной инфляционной фазой. В буквальном переводе с английского слово «инфляция» означает «раздувание». Однако у него есть и другой смысл — ускоряющееся обесценивание денег и ускоряющийся выпуск новых, которые немедленно начинают обесцениваться.
Теперь инфляционную фазу называют раздуванием, имея в виду аналогию с раздувающимся резиновым шариком и стремясь подчеркнуть отличие этой фазы от замедляющегося расширения Вселенной по фридмановскому закону.
Эта аналогия с шариком выступает особенно явственно при расчете кривизны Вселенной.
Все теории, включающие период такого ускоряющегося роста размеров Вселенной, обычно называют сценарием раздувающейся Вселенной. При этом имеют в виду, что эволюция Вселенной содержит стадию де ситтеровского расширения.
Существенно новым у Гуса, по сравнению с моделью Старобинского, которая тоже включает ускоряющийся рост первоначального размера Вселенной, было следующее: он предположил, что быстрое расширение Вселенной продолжалось и после того, как ее температура опустилась ниже критической температуры 1029 К. Но, несмотря на это, изменение свойств Вселенной, связанное с разрушением Великого объединения, не началось.
Гус уподобил этот переход фазовым переходам, хорошо известным в физике.
Понижение температуры вещества ниже температуры фазового перехода наблюдается и в обычных условиях. Примером фразового перехода является переход воды в лед при температуре 0 °C. Температуру, при которой происходит превращение жидкой воды в твердый лед, называют температурой фазового перехода. Но воду можно охладить значительно ниже температуры замерзания, ниже температуры фазового перехода без того, чтобы она превратилась в лед. Если вода хорошо очищена от пылинок и пузырьков газа, а сосуд с охлаждаемой водой защищен от толчков и вибраций, то вода остается жидкой и при отрицательных температурах, вплоть до—20 °C. Если в этом переохлажденном состоянии в силу случайной причины (попадание пылинки, толчок) начинается кристаллизация, то она происходит очень быстро, причем высвобождается большое количество тепла. Это как раз то тепло, которое необходимо ввести в лед для его плавления, скрытое тепло плавления.
Следует обратить внимание на то, что лед, образующийся из воды, замерзающей при температуре — 20 °C, будет иметь температуру, превышающую — 20 °C, ибо выделяющаяся скрытая теплота нагреет образующийся лед. Для понимания преимуществ сценария раздувающейся Вселенной очень важно, что скрытая теплота, выделяющаяся при замерзании переохлажденной воды, не может нагреть образующийся лед до температуры фазового перехода (до 0 °C). При бурном течении фазового перехода вода быстро превратится в лед, но температура получившегося льда останется ниже 0 °C. Аналогичное переохлажденное состояние и фазовый переход при температуре меньшей, чем критическая, возникает в начале сценария раздувающейся Вселенной.
Теперь нам ясно, как сценарий раздувающейся Вселенной справляется с проблемой рождения монополей и стенок доменов и с проблемой кривизны пространства. Фазовый переход, следующий из теорий Великого объединения, происходит очень медленно по сравнению с ускоряющимся расширением Вселенной. Поэтому монополи, если они рождаются в условиях фазового перехода из переохлажденного состояния, окажутся вследствие расширения далеко за пределами той области раздувающегося пространства, которая породила нашу видимую Вселенную. При таком раздувании пространственная кривизна этой области пространства быстро уменьшается, как уменьшается кривизна поверхности раздуваемого резинового шарика. Уравнения, описывающие процесс раздувания, показывают, что, когда он закончится, геометрические свойства Вселенной с большой точностью удовлетворят геометрию Евклида. Это одно из важнейших предсказаний сценария, ибо оно допускает проверку опытом. К сожалению, выполнить такой опыт чрезвычайно сложно: задача сводится к значительному увеличению точности определения средней плотности массы во Вселенной. Сценарий предсказывает, что эта величина должна быть очень близка к критическому значению средней плотности, тому значению, при котором решение Фридмана оказывается лежащим на границе между неограниченным расширением и периодической сменой расширения и сжатия Вселенной.
Первоначальный сценарий Гуса содержит удивительный результат, относящийся к свойствам переохлажденного состояния Вселенной. Состояние, из которого началось ускоряющееся расширение Вселенной, никогда не наблюдалось, но свойства материи в этом состоянии однозначно предсказывает квантовая теория поля.
