Черная дыра вокруг нашей Вселенной

Об инфляционной теории расширения Вселенной — кандидат физико-математических наук Альберт Петров (на фото)

— В своих выступлениях вы активно популяризируете инфляционную теорию расширения Вселенной. Можете немного о ней рассказать? Сначала популярно — самые основные положения...

— Согласно космологическим теориям, расширение Вселенной началось из «шарика», вещество в котором очень плотно. Потом «шарик» начал очень быстро расширяться. Это чрезвычайно бурное расширение получило название инфляционного расширения. «Инфляция» в переводе с латинского значит «накачивание», «вздутие» (так, инфляция в экономике — это «накачивание» количества денег в обращении). Но, может быть, есть и другие такие же «шарики» — ничто не запрещает их существование, а значит, возможно и существование других Вселенных (эта концепция называется теорией мультивселенных, или теорией вечной инфляции). Потом, из наблюдений следует, что чем дальше от нас во Вселенной какой-то объект, тем больше скорость, с которой он удаляется от нас. И есть некоторое расстояние («горизонт событий»), на котором скорость удаления будет равна скорости света, а дальше — еще больше. И от объектов, которые удалены от нас на расстояние больше этого, свет просто не успевает до нас дойти.

— Вы говорите, что инфляционное расширение является сверхсветовым... Но откуда допущение, что скорость может быть выше скорости света?

— Дело в том, что скорость больше световой вполне возможна -- невозможна лишь передача информации с такой скоростью. Именно поэтому мы не можем получить информацию от любого объекта, находящегося за «горизонтом событий». Более того, любая точка, имеющая скорость света и соответственно оказавшаяся в данный момент на «горизонте событий», уже в следующее мгновение окажется за ним, и информацию об ее движении мы получать уже не сможем. Таким образом, наша Вселенная как бы окружена со всех сторон черной дырой.

— А теперь, если можно, подробнее — для более подготовленных читателей...

— Смысл инфляционной теории расширения Вселенной состоит в следующем. Гравитация — это квантовое поле, описываемое метрическим тензором. Это поле задано в вакууме (вопреки расхожему мнению, квантовый вакуум — это не состояние, «где ничего нет», а состояние с наинизшей энергией). Как мы знаем из квантовой механики, энергия физической системы может колебаться на величину ΔE в течение времени t, лишь бы выполнялось условие t×ΔE< ħ. Поэтому в вакууме всегда появляются на краткое время и исчезают конфигурации виртуальных частиц, флуктуации — то есть отклонения от равновесия — квантовых полей и т.д. Вследствие этих флуктуаций вполне мог возникнуть «шарик», состояние (прежде всего, плотность энергии) которого отличается от окружающего пространства (вакуума), с диаметром порядка планковской длины (10^-33 см) — планковская длина представляет собой характерный размер таких флуктуаций — и при этом с очень нетривиальной динамикой, проявляющейся в необычном уравнении состояния — этот «шарик» должен расширяться экспоненциально быстро. Это чрезвычайно бурное расширение (по сравнению со степенным расширением, следующим из решений Фридмана) получило название инфляционного расширения (при этом расширении за время 10^-35 секунды масштабный фактор увеличился чрезвычайно резко — и если согласно первым версиям инфляционной модели увеличение составило 29 порядков, с 10^-33 см до 10^-4 см, то более поздние оценки дают увеличение на 60000 порядков. «Шарик», являющийся нашей областью Вселенной, чрезвычайно быстро расширился (причем экзотические частицы типа монополей Дирака — частиц с магнитным зарядом — а также все остальные неоднородности оказываются выброшенными на «поверхность» «шарика», то есть экспоненциально далеко в силу очень быстрого расширения). Это расширение является сверхсветовым, в результате при расширении возникает горизонт событий, окружающий нашу область Вселенной (сейчас он составляет примерно 10^28 см), в силу чего мы не видим того, что находится за ним (т.е. мы как бы со всех сторон окружены черной дырой). Более того, с ростом радиуса, конечно, убывает кривизна, и так как расширение очень сильное, то кривизна наблюдаемой части Вселенной близка к нулю (чем больше радиус шар, тем меньше его кривизна). Затем произошел фазовый переход (изменение закона, описывающего состояние, подобно том, как вода в состоянии льда и в состоянии жидкости подчиняются разным уравнениям состояния), обусловленный падением температуры Вселенной ниже некоего предела, и с этого момента расширение Вселенной стало описываться уже другим, «классическим» (то есть фридмановским) уравнением, причем со всеми его «обычными» следствиями (замедляющееся расширение и т.д). Фазовый переход при 10^-35 секунды обычно ассоциируется с тем, что с этого момента возникла барионная асимметрия, то есть преобладание вещества над антивеществом (частицы антивещества наблюдаются в космических лучах, но целых звезд, галактик и т.д. из антивещества никто не наблюдал). При охлаждении до еще более низких температур происходят последующие фазовые переходы, в результате одного из которых возникают протоны и нейтроны, а затем флуктуации плотности (т.е. концентрации плотности вещества, всегда возникающие в достаточно большом обьеме Вселенной) приводят к образованию звезд и галактик, а также планетных систем и всего, что там находится. Таким образом, в рамках инфляционной космологии удалось решить проблему сингулярности (действительно, в силу того, что мы имеем дело с флуктуациями, имеющими размер порядка планковской длины, «точечного» обьекта просто нет) и проблему барионной асимметрии. Практически ясно и почему Вселенная однородна и изотропна — просто ввиду симметрии решения (т.е. симметрии расширяющегося «шарика»).

— Одно из наиболее красивых следствий инфляционной космологии — концепция так называемой вечной инфляции. Можете о ней рассказать?

— Согласно этой идее, вне нашей Вселенной (т.е. вне нашего «шарика») всегда будут где-то существовать области с высокой плотностью, удовлетворяющие инфляционному уравнению состояния и соответственно инфляционно расширяющиеся — правда, информационное сообщение с ними все равно будет невозможным, так как они удаляются от нас со скоростью больше скорости света (как и все вне нашего «шарика»). В результате возникает идея о существовании так называемых мультивселенных (множественности Вселенных), которая предполагается быть примененной для решения самых разных проблем, таких, как обоснование антропного принципа или обьяснение, почему значения фундаментальных констант именно такие — в принципе, примерно о том же говорит и концепция самовосстанавливающейся Вселенной, согласно которой на границе любой «инфлирующей» области из-за флуктуаций будут возникать концентрации плотности, порождающие новые «инфлирующие» области. Стоит отметить, что эта концепция имеет также ряд нетривиальных мотиваций, проистекающих из теории струн. В частности, некоторые из этих выводов приводят к тому, что только различие в параметрах струн способно порождать около 10^120 различных Вселенных.

СПРАВКА

Альберт ПЕТРОВ, род. В 1971 г., окончил физфак Томского Государственного Университета, кандидат физико-математических наук, работает в Бразилии, в университете штата Параиба, город Жуан Пессоа. Свыше 60 научных публикаций. Основные из них посвящены суперсимметрии, некомммутативной теории поля, теориям с нарушением лоренцевой симметрии.