Важным пвопросом сегодняшней космологии является вопрос какая масса содежится во Вселенной. Если бы во Вселенной не было материи, то она расширялась бы вечно, и скорость удаления объектов относительно покоящегося по отношению к раширению Вселенной объекта не менялась бы по мере расширения Вселенной.
Мы знаем, конечно, что Вселенная не является пустой, а наполнена материей, и обычная материя посредством гравитации действует на другую материю, вызывая замедление расширения Вселенной. Если плотность Вселенной превышает определенный порог, известный под именем критической плотности, тогда это гравитационное притяжение является достаточно сильным, чтобы остановить и затем обратить вспять расширение Вселенной, вызвав её последующее сжатие, которое называют "Большим хрустом". С другой стороны, если средняя потность Вселенной не достигает критической плотности, то Вселенная будет расширяться вечно, и после определенной точки расширение продолжится так, как если бы Вселенная была пустой. Вселенная критической плотности находится в неустойчивом равновесии между этими двумя возможностями.
Недавно стало известно, что средняя плотность нашей Вселенной согласуется с критической плотностью точнее чем в пределах одного порядка. даже при такой большой величине ошибки такое совпадение является замечательным. Установление начальных условий такими, чтобы средняя плотность оставалась близка к критической плотности дольше, чем на краткий миг является во многом подобным попытке устойчиво установить карандаш на его кончик. Вселенная первоначально имеющая немного субкритическую плотность быстро становтся прогрессирующе субкритической и вскоре в сущности неразличимой от пустой Вселенной. Подобным образом, даже совсем немного надкритическая Вселенная быстро коллапсирует в Большом хрусте, нипочем не достигая столь больших возрастов нашей Вселенной --- что-то около четырнадцати миллиардов лет. Чтобы получить Вселенную подобную нашей по-видимому требуется тонкая настройка начальной плотности, согласующаяся с критической плотностью с точностью около одной части на 1060!
В течение длительного времени считалось самым простым и эстетически наиболее приемлемым постулировать, что наша Вселенная имеет в данный момент в точности критическую плотность. Разработанный в начале 1980-х вариант инфляции обеспечивал механизм установления плотности Вселенной вблизи критической плотности с почти неограниченной точностью. Многие годы в точности критическая Вселенная рекламировалась как одно из немногих надежных предсказаний инфляции.
В Общей теории относительности Эйнштейна, сформулированной в 1915г, гравитация описывается в терминах геометрии пространства, а не как еще одна обычная сила. Материя заставляет пространство-время искривляться и образующаяся кривизна пространства-времени заставляет тела менять свое движение. Для специального случая расширяющейся Вселенной, в идеале равномерно по плотности наполненнной материей, что является хорошим приближением при больших масштабах, Общая теория отностельности дает тесную связь между плотностью Вселенной по сравнению с критической плотностью и её геометрией. Вселенная критической плотности (при постоянном космическом времени) подчиняется знакомой геометрии Эвклида, хорошо известной нам из повседневного опыта и из классической перспективы, преподаваемой в художественном классе. Однако, Вселенная субкритической или надкритической плотности обладает неэвклидовой геметрией --- гиперболической, если плотность меньше критической, или сферической, если плотность больше критической.
На малых масштабах эти различные геометрии во многом похожи. Муравей, находящийся на поверхности яблока может видеть свое непосредственное окружение как совершенно плоское и модет испытывать сложности в определении того, что яблоко является круглым. Подобным же образом, если кривизна Вселенной становится очевидной лишь в масштабах свыше нескольких миллиардов световых лет, то мы можем быть введены в заблуждение уверовав, что её геометрия является Эвклидовой. Лишь на больших масштабах --- больше, чем так называемый масштаб кривизны --- различия между геометриями начинают оказывать достаточно большое влияние.
Следующие три изображения иллюстрируют различия в перспективе между тремя возможными геометриями: гиперболической геометрией, геометрией эвклида, и сферической геометрией. Во всех трех случаях, пространство поделено на одинаковые ячейки, границы котрых обозначены стержнями. Шары внутри ячеек имеют одинаковые размеры, а растущее расстояние показано их покраснением.
В эвклидовой геометрии пространство разделено на кубы и мы наблюдаем обычную, знакомую перспективу: видимый угловой размер объектов пропорционален обратной величине расстояния до них.
Показанное здесь гиперболическое пространство разделено на правильные додекаэдры. В эвклидовом пространстве такое правильное деление невозможно. Размер этих ячеек того же порядка, что и шкала кривизны. Хотя перспектива для соседних объектов в гиперболическом пространстве почти идентична перспекиве для эвклидового пространства, видимый угловой размер удаленных объектов снижается намного быстрее, фактически экспоненциально, как можно видеть из рисунка.
Показанное здесь сферическое пространство разделено правильными додекаэдрами. Геометрия сферического пространства напоминает поверхность Земли за исключением того, что здесь мы рассматриваем трехмерную, а не двумерную сферу. Перспектива в сферическом пространстве является особой. Возрастающе далекие объекты сначала становятся меньше (как в пространстве Эвклида), достигают минимального углового размера, и наконец становятся с ростом расстояния больше. Такое поведение обусловлено фокусирующей природой сферической геометрии.
[Приведенные три рисунка были изготовлены Stuart Levy из Университета Иллиноиса, Urbana-Champaign и Tamara Munzer из Университета Стэнфорда для журнала Scientific American. Используется с разрешения правообладателей.]
В течение 1980-х наблюдения оставались достаточно грубыми и, таким образом, Вселенная критической плотности была вполне вероятна. Однако недавние наблюдения делали все более сложной задачу примирять криическую Вселенную с данными наблюдений.
Известно, что в дополнение к светящеся материи, наблюдаемой нами в виде звезд, Вселенная содержит большое количество "темной материи", в часности в Гало вокруг галактик. Наличие этой темной материи очевидно из её гравитационного тяготения, оказываемого на окружающую материю. Поскольку темная материя распределена менее клочковатой манере, чем светящаяся материя, то видимая средняя плотность по видимому возрастает тем больше, чем более крупные масштабы рассматриваются. Долгое время была надежда, что взяв достаточно большой масштаб, мы получим критическую плотность за счет темной матери.
Сегодня представляется маловероятным, что эта надежда когда-нибудь сбудется. В настоящий момент возможно исследовать среднюю плотность Вселенной в масштабах, достаточно больших, чтобы представлять приличную часть Вселенной. Мы представляем так называемую "долю барионов в скоплении", как один из показательных примеров сильного доказательства в пользу Вселенной субкритической плотности. Богатые скопления галактик являются крупнейшими гравитационно связаными системами Вселенной. Будучи редкими, такие системы являются отличными лабораториями для изучения состава материи, заполняющей Вселенную.
Используя положения ядерной физики можно определить барионную плотность Вселенной. Зная плотность барионной материи, общую плотность можно определить из измерений доли барионов. Барионная масса скопления может быть определена путем сложения масс составляющих скопление галактик, полученных из их отношения светимости к массе горячего, находящегося внутри скопления газа, которая может быть определена из наблюдений излучения этого газа в рентгеновских лучах. Общая масса может быть определена рядом методов. Движения составляющих скопление галактик позволяют определить глубину потенциальной ямы и, следовательно, полную массу кластера. Рентгеновские наблюдения позволяют сделать то же самое для газа, а гравитационное линзирование фоновых объектов гравитационным полем скопления, приводящее к искажению вида фоновых галактик, обеспечивает полностью независимую проверку полной массы скопления.
Эти методы, а также ряд других независимых методов, свидетельствуют, что Вселенная имеет плотность приблизительной равную одной трети от критической плотности. Хотя Вселенная критической плотности пока не может быть отвергнута однозначно, возможность критической Вселенной представляется сегодня как весьма маловероятная.
Если Вселенная действительно имеет субкритическую плотность, то требует ли это отказа от инфляции? Если плоская Вселенная действительно является "предсказанием" инфляции, как утверждалось, то необходимо отказаться от инфляции.
Однако из этой дилеммы существует выход. Инфляция в пределах единичного пузыря может создать гладкую Вселенную с гипербольеской геометрией, точно такой, как требуется для Вселенной субкритической плотности.
Открытая инфляция единичного пузыря, основанная на идеях S.Coleman, F. de Luccia и J.R. Gott, III, в начале 1980х, была в дальнейшем доработана в середине 1990х авторами M. Bucher, A.S. Goldhaber, и N. Turok, и позднее M. Sasaki, T. Tanaka, и K. Yamamoto.
Инфляция разглаживает Вселенную при условии очень быстрого расширения в раннюю эпоху, в ходе которого какие-либо неровности, которые могли существовать до инфляции, будут фактически стерты. При обычной инфляции, разработанной Гусом, Линде, Альбрехтом, и Штейнхардом, это сглаживание также делает Вселенную плоской, создавая Вселенную критической плотности. При обычной инфляции, Вселенная критической плотности может в принципе не возникнуть если укоротить период инфляции, но в этом случае однородность больших структур остается необъясненной загадкой, что приводит к потере инфляцией большей части её привлекательности.
Возникновение единственного пузыря открытой Вселенной. Вертикальное направление обозначает время, а горизонтальные направления - пространство. Величина инфляционного поля является постоянной в каждом из слоев, а цвета показывают охлаждение Вселенной по мере продвижения внутрь пузыря. Пузырь расширяется в окружающее инфлирующее пространство- время находящееся в состоянии ложного вакуума. Мы живем внутри пузыря.
При открытой инфляции единичного пузыря существует две эпохи инфляции. При инфляции скорость расширения определяется скалярным полем, называемым инфляционным полем. Инфляционное поле стремится скатиться с холма на дно и по мере ослабления поля скорость расширения Вселенной снижается, в конечном итоге завершая эпоху инфляционного расширения. При открытой инфляции инфляционное поле сначала остается в локальном минимуме потенциала. Пока поле остается там, имеет место первая эпоха инфляционного расширения, в течение которой Вселенная выпрямляется. Фактически в эту эпоху симметрия пространства- времени настолько велика, что не образуется отдельного временного измерения среди других измерений.
Согласно классической физике, попав однажды в локальный минимум, инфляционное поле никогда из него уже не вырвется. Однако, квантовая механика позволяет полю туннелировать через энергетический барьер. Это туннелирование происходит путем образования пузыря, который впоследствии расширяется, нечто похожее на расширяющийся пузырь в котелке кипящей воды.
Впоследствии, пузырь расширяется со скоростью света. Он не может иметь какую либо другую скорость, кроме скорости света, иначе потребуется существование предпочтительного измерения времени. Поверхности на внешней части пузыря, на которых величина скалярного поля является постоянной, имеют гиперболическую пространственную геометрию, и существуют поверхности, которые мы, находясь внутри пузыря, позднее будем считать поверхностями постоянного космического времени. По мере движения внутри пузыря, внутрення часть продолжает инфлировать, создавая Вселенную с большим радиусом кривизны. Затем внутри пузыря энергия инфляционного поля преобразуется в обычную материю и излучение, а гиперболическая Вселенная продолжает расширяться и охлаждаться.
Микроволновая анизотропия как функция угла. На рисунке показан уровень анизотропии, как функция угла по данным различных её измерений. Кривые показывают теоретические предсказания различных моделей. Непрерывная кривая показывает Вселенную критической плотности, в то время как кривая точка-черта-точка-черта показывает Вселенную низкой плотности. Обратите внимание, как расположение первого пика сдвигается вправо к меньшим угловым шкалам для Вселенной низкой плотности.
Основная надежда на проверку модели открытой инфляции заключается в измерении геометрии Вселенной, которое можно провести путем наблюдения ряби Космического микроволнового фонового излучения.
Космическое микроволновое фоновое излучение с температурой около 3K происходит из эпохи приблизительно триста тысяч лет после Большого взрыва, когда Вселенная была приблизительно в одну тысячную от своего теперешнего размера. В это время из-за охлаждения Вселенной электроны объединились с протонами и другими ядрами с образованием нейтрального водорода и других элементов. Благодаря такому изменению состава от высоко ионизированной плазмы до нейтрального газа, до этого непрозрачная Вселенная становится совершенно прозрачной. Неоднородности в микроволновом фоне являются фотографией ряби в то время, которая позже развилась в галактики и структуры, которые мы наблюдаем сегодня.
Инфляция в целом, и открытая инфляция в масштабах много короче, чем шкала кривизны, запечатлела по существу не зависящие от масштаба флуктуации материи, заполняющей Вселенную. При рекомбинации, а физика того времени считается хорошо известной, возникает предпочтительный масштаб известной длины, на котором происходят первые акустические колебания плазмы. Этот масштаб имеет известный физический размер, и из угла стягивающей его дуги на сегодняшнем небе, мы можем определить геометрию Вселенной.
Описанные выше модели открытой инфляции обеспечивают контр-пример стандартным сведениям об инфляции, однако они полагаются на наличие локального минимума потенциальной энергии инфляционного поля. На нашем сегодняшнем уровне понимания, мы просто не можем сказать, является ли это тем, что предсказывается более фундаментальными теориями, такими как M-теория или супергравитация. Но в тех модельных теориях, для которых мы можем посчитать потенциальную энергию инфляции, таких локальных минимумов обычно не появляется.
Инстантон Хавкина-Турока. Пузырь Вселенной происходит из инстантона Хавкина-Турока. Вертикальное направление обозначает время, а горизонтальные направления - пространство. Символ E обозначает эвклидовую область, где время становится пространственноподобным, а символ I есть внутренность пузыря. Жирная линия слева обозначает the мягкую сингулярность, присутствующую в этих решениях.
В последний год, Хавкин и Турок поняли, что открытая инфляция являлась, фактически, намного более общей, и могла даже присутствовать в теории, в которой не существует локального минимума инфляционной потенциальной энергии. На самом деле, они показали, что по сути при любой функции потенциальной энергии, допускающей инфляцию, может образоваться открытая Вселенная, аналогичная той, которая получается в описанном выше расширяющемся пузыре.
Расчеты Хавкина и Турока были проведены в системе координат предположения о начальных условиях, выдвинутого в 1983г хавкиным и Джеймсом Хартли. Они предположили, что начальным условием для Вселенной должно быть такое, что оно не обладает начальной границей. Можно изобразить пространство-время расширяющейся Вселенной как поверхность конуса, расположенного вертикально с его острым концом, направленным вниз. Время идет вверх по конусу: пространство разбегается вокруг него. Время и пространство заканчиваются на остром конце. Конец является `сингулярным' на математическом языке и если бы это была модель Вселенной, то мы обнаружили бы, что все наши уравнения там перестают работать. Вместо этого, Хартли и Хавкин предположили, что кончик является скругленным.
Такое скругление возможно лишь в случае, если поблизости от кончика изменяется природа пространства-времени. В сущности, все направления вблизи кончика должны стать `горизонтальными', или что то же самее, как сказать, что все измерения являются пространственноподобными. А это именно то, что нам нужно, чтобы объяснить как начинается время. В сущности, различие между пространством и временем стирается и пространство таким образом скругляется.
Область, где время становится пространственноподобным, является технически обозначаемой областью инстантона. Ннстантоны являются решениями уравнений Общей теории относительности и материи (здесь, инфляционное поле), которая имеет четыре пространственноподобных измерения. Хавкин и Турок показали, что для по-существу любой теории, которая допускает инфляцию, существует семейство решений инстантонов, каждое отдельное из которых описывает образование инфлирующей открытой Вселенной. Инстантоны Хавкина-Турока на самом деле обладают сингулярностью, однако лишь в одной точке. В отличие от сингулярности в стандартном горячем Большом взрыве, который является настолько суровым, что мы не можем предсказать что-либо происходящее при его наличии, сингулярность в инстантонах Хавкина-Турока является настолько мягкой, что, подобно сингулярности для электрического поля в центре атома водорода, она не влияет на наши возможности делать предсказания.
Прелесть решений инстантонов заключается в том, что они не только позволяют рассчитывать вероятность образования открытых Вселенных из первых принципов, но также позволяют расчет спектра квантовых флуктуаций, присутствующих в открытых Вселенных, предсказываемых предположением без границ. Турок и студенты DAMTP Стивен Граттон и Томас Хертог недавно завершили эти вычисления. Расчеты показали возможность существования наблюдаемой подписи в космическом микроволновом небе, которая, в случае, если плотность Вселенной меньше критической плотности, позволит выяснить, какая форма открытой инфляции (т.е., с или без локального инимума потенциальной энергии) имела место на самом деле.
S.W. Hawking, Краткая история времен, New York: Bantam, 1998г.
M. Bucher и D. Spergel, "Инфляция во Вселенной низкой плотности," Scientific American, январь 1999г.
N. Turok, "до Большого взрыва," в The Daily Telegraph, Суббота, 14 Марта, 1998г.
[ Назад ]
[ Большой взрыв ]
[ Галактики ]
[ Реликтовое излучение ]
[ Космические струны ]
[ Космология ]
[ Дальше ]
..:: Перевел с английского В.Г. Мисовец
