Вашему вниманию предлагается перевод второй лекции: «Инфляционная Космология. Является ли наша вселенная частью мультивселенной? Часть 2».
Я хочу начать с краткого повторения того, что мы обсудили в прошлый раз в рамках обзорной лекции, которую мы сегодня закончим. Резюме прошлой лекции приведено на пяти слайдах. Мы начали с обсуждения стандартного Большого Взрыва, под которым я подразумеваю Большой Взрыв без учета инфляции. Я обратил внимание, что на самом деле эта теория описывает только последствия взрыва. Она начинается с описания вселенной как горячей, плотной субстанции из частиц, которая более или менее равномерно заполняет все доступное пространство и расширяется.
Космическая инфляция является приквелом к Большому Взрыву. Она описывает, как отталкивающая гравитация, которая в общей теории относительности может являться следствием отрицательного давления, приводит крошечный участок ранней вселенной в процесс гигантского экспоненциального расширения. Наша видимая вселенная является следствием такого события.
Общая энергия такого участка может быть очень мала и может быть даже в точности равной нулю. Это возможно из-за того, что гравитационное поле, которое заполняет пространство имеет отрицательный вклад в энергию. Насколько мы можем судить, в нашей реальной вселенной положительный и отрицательный вклады примерно равны друг другу. Они могут полностью компенсировать друг друга. Таким образом, общая энергия может быть равна нулю, что позволяет создать огромную вселенную, начиная с ничего, либо с почти ничего.
Следующий пункт — доказательства инфляции. Почему мы думаем, что есть большая вероятность того, что наша вселенная претерпела инфляцию? Я указал три причины. Во-первых, инфляция может объяснить однородность вселенной на больших масштабах. Крупномасштабная однородность вселенной наиболее ярко проявляется в космическом микроволновом фоновом излучении. Мы видим, что оно однородно с точностью до одной стотысячной. Если сделать поправку на движение Земли, то его интенсивность на всем небе одинакова с точностью до одной стотысячной вне зависимости от направления.
Во-вторых, инфляция может объяснить примечательный факт значения Ω, где Ω является фактической плотностью массы вселенной, деленной на критическую плотность массы, т.е. плотность, которая делает вселенную абсолютно плоской. Мы знаем, что в первую секунду после Большого Взрыва их отношение было равно единице с точностью примерно до 15 десятичных знаков. До инфляции у нас этому факту вообще не было никакого объяснения. Однако инфляция приближает Ω к единице и дает нам объяснение, почему Ω в начале Большого Взрыва была настолько близка к единице.
На самом деле инфляция делает предсказание. Мы предполагаем, что если теория инфляции верна, то Ω до сих пор должна быть равна 1. Ω была измерена, и было получено значение 1.0010 ±0.0065, что, мне кажется, является замечательным результатом. Наконец, инфляция дает объяснение неоднородностям, которые мы видим во вселенной. Она объясняет их как квантовые флуктуации, которые произошли во время инфляции. Когда инфляция заканчивалась, квантовые флуктуации заставляли инфляцию в одних местах продолжаться немного дольше, чем в других. Так появились эти неоднородности.
В настоящее время мы можем измерить эти неоднородности с большой точностью. Неоднородности, конечно, огромны на уровне галактик, здесь они очевидны, но их трудно связать с ранней вселенной. Поэтому, самое точное сравнение между тем, что мы наблюдаем, и теориями ранней вселенной, мы можем сделать при помощи тщательного изучения космического фонового излучения, которое не совсем равномерно и имеет небольшие колебания в интенсивности. Эти колебания находятся на уровне одной стотысячной, и мы их в настоящее время можем наблюдать.
Инфляция дает четкий прогноз спектра этих колебаний, как их интенсивность должна изменяться в зависимости от длины волны. В прошлый раз я показывал вам график с данными спутника «Планк». Соответствие между предсказанием и теорией поразительно. Мы вернемся к этому ближе к концу курса.
Наконец, в предыдущей лекции я начал рассказывать о возможных последствиях инфляции, таких как мультивселенная. О том, что наша вселенная может быть встроена в гораздо большую сущность, состоящую из многих вселенных, которую мы называем мультивселенной. Ключевым моментом является то, что большинство моделей, как правило, приводят к вечной инфляции. Инфляция, раз начавшись, больше никогда не прекращается.
Причина этого в том, что метастабильная, гравитационно отталкивающая материя, которая вызывает инфляцию, распадается, но она в то же время экспоненциально расширяется. Для типичных моделей экспоненциальное расширение происходит гораздо быстрее, чем распад. Таким образом, несмотря на то, что эта неустойчивая материя распадается, общий ее объем на самом деле не уменьшается, а экспоненциально увеличивается со временем.
Распад материи, однако, происходит, и везде, где происходит распад, образуется то, что мы называем карманной вселенной. Мы живем в одной из таких карманных вселенных. Число карманных вселенных растет экспоненциально со временем, по мере того как растет вся система, что будет продолжаться, насколько мы можем судить, вечно. Это картина мультивселенной, к которой приводит инфляция.
В самом конце лекции я рассказал о проблеме, которая очень важна для нашего современного понимания физики и космологии. Это открытие темной энергии. Примерно в 1998 году было обнаружено, что расширение вселенной не замедляется под влиянием гравитации, как можно было бы ожидать, а наоборот, ускоряется. Вселенная расширяется все быстрее и быстрее.
Это указывает на то, что пространство в настоящее время наполнено гравитационно отталкивающей материей, которую мы называем темной энергией. Самое простое объяснение темной энергии – это просто энергия вакуума, энергия пустого пространства. Пространство имеет плотность энергии, которая имеет именно те свойства, которые мы наблюдаем. Поэтому кажется естественным провести связь между темной энергией и энергией вакуума.
Энергия вакуума, поначалу, может показаться странной. Если вакуум пуст, почему он должен иметь плотность энергии? Но в квантовой теории поля это не удивительно, потому что в квантовой теории поля вакуум на самом деле не пуст. В квантовой теории поля нет такого понятия, как настоящая пустота. Вместо этого в вакууме возникают постоянные квантовые флуктуации полей. В современной стандартной модели физики элементарных частиц даже есть поле, называемое полем Хиггса, которое помимо флуктуаций имеет в вакууме ненулевое среднее значение.
Таким образом, вакуум — очень сложное состояние. Вакуумом его делает то, что оно находится в состоянии наименьшей возможной плотности энергии, но эта плотность не обязана быть нулем и не похоже, что есть какая-либо причина, по которой она должна быть нулевой. Поэтому, нет никаких проблем с объяснением того факта, что, возможно, вакуум имеет ненулевую плотность энергии. Проблема возникает, когда мы пытаемся понять величину этой энергии вакуума. Если вакуум имеет плотность энергии, то, согласно нашим предположениям, она должна быть значительно больше, чем та, что мы наблюдаем в виде ускорения расширения вселенной.
Типичный порядок величины для энергии вакуума в физике элементарных частиц примерно на 120 порядков больше, чем число, которое получается согласно наблюдаемому ускорению расширения вселенной. Это большая проблема. Мы начали обсуждать возможное решение этой проблемы. Это всего лишь возможное решение, никто не говорит, что оно абсолютно верно. Это решение опирается на теорию струн и, в частности, на идею, которая называется ландшафтом теории струн.
Большинство теоретиков, занимающихся теорией струн, считают, что теория струн не имеет уникального вакуума. Вместо этого существует колоссальное число, около 10500
различных метастабильных состояний, которые, несмотря на то, что они метастабильные, очень долгоживущие, долгоживущие по сравнению с возрастом нашей вселенной. Таким образом, любое из этих 10500 различных состояний может служить вакуумом для одной из карманных вселенных.
При этом любое вакуумное состояние из ландшафта может быть реализовано в какой-нибудь карманной вселенной, воплощая, таким образом, в реальность все возможности, которые возникают в теории струн. Каждый тип вакуума имеет свою собственную плотность энергии, потому что в квантовой теории поля возникают как положительные, так и отрицательные вклады.
Энергия вакуума типичного состояния может быть как положительной, так и отрицательной. У этих 10500 различных вакуумов диапазон плотностей энергии варьируется от -10120 до +10120 наблюдаемого значения. Наблюдаемое значение находится в этом диапазоне, но является крайне малой частью возможных значений.
СТУДЕНТ: Диапазон от -10120 до +10120 выбран просто потому что мы видим отличие на 120 порядков, или есть еще другие причины?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Когда мы говорим про отличие на 120 порядков, более точное утверждение заключается в том, что оценка типичного диапазона энергии в 10120 раз превышает наблюдаемое значение. На самом деле 10120 является точным только в пределах нескольких порядков величины, 10123, вероятно, немного более точное число. Но для наших целей этого достаточно.
СТУДЕНТ: Общий вопрос о свойствах инфляции. Мы считаем, что притягивающая гравитация управляет движением объектов в пространстве. Тогда почему мы считаем, что отталкивающая гравитация управляет расширением самого пространства?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Она ведет себя по-другому. Отталкивающая гравитация, которая появляется в общей теории относительности — это не просто обычная гравитация с противоположным знаком. Если у нас есть два тела, то обычная гравитация заставляет их притягиваться друг к другу с силой, пропорциональной массам этих объектов. Отталкивающая же гравитация является эффектом, вызванным отрицательным давлением в пространстве между ними. Поэтому, если есть два тела, они начнут ускоряться друг от друга на величину, которая полностью независима от их масс.
Отталкивающую гравитацию создают не массы. Эта сила совершенно другая, поэтому мы просто не можем их сравнивать. В любом случае, когда все удаляется друг от друга, то это вопрос точки зрения, считать ли такое движение расширением пространства или считать его движением объектов сквозь пространство. В теории относительности нет способа воткнуть в пространство иглу, приколоть его булавкой и сказать, что оно неподвижно. Так что мы не можем сказать, движется пространство или нет.
В космологии обычно проще оказывается картина, в которой пространство расширяется вместе с веществом, и мы обычно будем пользоваться такой картиной. Это дает гораздо более простое описание происходящего. Хороший вопрос.
СТУДЕНТ: Почему в ранней вселенной энергия, по-видимому, была близка к нулю? Существуют ли теоретические модели, которые могут объяснить или предсказать, что она точно равна нулю?
ПРЕПОДОВАТЕЛЬ: Да, такие теории есть. Такое происходит в случае замкнутой вселенной. Даже если вселенная почти плоская, она все равно может быть замкнутой. Если она замкнута, у нее должна быть точно нулевая энергия.
СТУДЕНТ: Космический микроволновый фон одинаков во всех направлениях. Это подразумевает, что космологический принцип справедлив для всей вселенной. Возможно ли, что на самом деле на очень больших масштабах вселенная неоднородна, что в действительности она как бы пятниста, только пятна очень большие? Что мы на самом деле находимся в таком пятне, и оно отличается от других таких пятен, находящихся очень далеко?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Конечно может, если верна картина мультивселенной. Она именно это и предсказывает. Другие карманные вселенные можно рассматривать как другие пятна, используя вашу терминологию, и они будут сильно отличаться от того, что мы наблюдаем.
Таким образом, инфляция меняет отношение к этому вопросу. Раньше, до инфляции, однородность вселенной не имела объяснения, поэтому она была постулатом. Никто не постулировал, что вселенная однородна на определенных масштабах. Если делается постулат, то просто утверждается, что вселенная однородна, и использовался именно такой постулат.
Но теперь, когда мы считаем, что однородность вселенной вызвана динамическим процессом, инфляцией, тогда естественно задать вопрос, однородности какого размера создает инфляция. Это, конечно, размер, который намного больше, чем мы можем наблюдать. Таким образом, мы действительно не предполагаем увидеть неоднородности, вызванные различными очагами инфляции. Но инфляционная модель делает очень правдоподобной возможность, что мы бы увидели их, если бы могли видеть достаточно далеко.
СТУДЕНТ: Если вселенная расширяется, и мы также расширяемся, то как мы можем наблюдать изменение расстояний?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Очень хороший вопрос. Может показаться, что если вселенная расширяется, тогда все должно расширяться. А если все расширяется, то измеряя что-то при помощи линейки, мы получим одну и ту же длину. Как мы вообще видим, что все расширяется? Ответ на этот вопрос заключается в том, что расширение вселенной на самом деле не означает, что расширяется все. Когда говорят, что вселенная расширяется, то подразумевают, что галактики становятся все дальше друг от друга, но отдельные атомы не увеличиваются.
Длина линейки, определяемая числом атомов и их размером, не увеличивается вместе со вселенной. В настоящий момент расширение частично обусловлено отталкивающей гравитацией, которая заставляет вселенную расширяться ускоренно. Но в основном расширение сейчас — это просто остаточная скорость от Большого Взрыва. Вещество при этом просто движется в пространстве, и это движение не заставляет атомы становиться больше.
СТУДЕНТ: Каково будущее нашей вселенной? Будет ли она расширяться бесконечно, или в какой-то момент остановится?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Как вы, наверное, догадываетесь, на самом деле никто не знает. Но модели, о которых я говорю, дают определенный ответ на уровне нашей карманной вселенной и на уровне всей мультивселенной. На уровне нашей карманной вселенной, наша вселенная истончится. Жизнь в конечном итоге станет невозможной, потому что плотность материи станет слишком маленькой.
Возможно, вселенная будет распадаться. Наш вакуум, возможно, не совсем стабилен. Очень немногие вещи стабильны в теории струн, если теория струн является правильной теорией. Но даже если вакуум будет распадаться, он будет расширяться еще быстрее, чем распадаться. Так что распад приведет к дырам в нашей вселенной. Она станет похожа на швейцарский сыр. Но вселенная, в целом, будет просто экспоненциально расширяться, насколько мы можем судить, вечно.
Мультивселенная — более интересный объект. Мультивселенная, как я говорил, будет постоянно создавать новые карманные вселенные. Мультивселенная будет жива вечно, даже если каждая карманная вселенная в мультивселенной сформируется, а затем в конечном итоге умрет, умрет от полного истончения и превращения в ничто.
СТУДЕНТ: В дополнение к предыдущему вопросу. Допускаете ли Вы возможность циклического процесса? Т.е. вселенная расширяется, достигает своего максимума, потом начинает сжиматься, схлопывается, а затем начинает расширяться снова, и все повторяется?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Такая возможность, безусловно, существует, и есть люди, которые относятся к этому очень серьезно. Я не вижу этому никаких доказательств. Кроме того, никогда не было и до сих пор нет разумной теории отскока, которая должна быть частью этой теории.
СТУДЕНТ: Чем, кроме космологической постоянной, еще отличаются различные вакуумы?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Они могут различаться в очень многих отношениях. Они принципиально отличаются друг от друга тем, как их внутренняя структура устроена в пространстве. Если не вдаваться в детали, которые я сам, возможно, не до конца понимаю, то теория струн утверждает, что пространство имеет девять измерений, а не три, которые мы наблюдаем. Девять измерений становятся тремя за счет того, что дополнительные измерения скручиваются в крошечные узелки, которые имеют слишком малую длину, чтобы их можно было увидеть.
Однако имеется много различных способов скручивания этих дополнительных измерений, и это приводит к очень большому количеству возможных вакуумов. Дополнительные измерения могут быть скручены по-разному. Это означает, что физика низких энергий в этих вакуумах может сильно отличаться. Практически все может быть по-другому, даже размерность пространства может быть разной, поскольку можно иметь разное число скрученных измерений.
Набор частиц может полностью отличаться, потому что то, что мы считаем частицей, на самом деле является просто колебанием вакуума. Если у вас другая структура самого вакуума, виды частиц, которые существуют в нем, могут быть совершенно разными. Таким образом, физика внутри другой карманной вселенной может сильно отличаться от того, что мы наблюдаем, даже несмотря на то, что мы предполагаем, что, в конечном счете, везде применяются одни и те же законы физики.
СТУДЕНТ: Если изначально в регионе, который начал инфляционное расширение, было всего несколько частиц, то, когда этот регион превратится в огромную вселенную, в ней так же будет всего несколько частиц?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Количество частиц может не сохраняться. Когда один из регионов экспоненциально расширяется во время инфляции, энергия в нем не очень хорошо описывается на языке частиц. Она описывается в терминах полей. Поля иногда ведут себя как частицы, но не всегда. В принципе, есть и описание в терминах частиц, но оно не так очевидно, как описание в терминах полей.
Таким образом, имеется энергия, заключающаяся в различных полях, при этом регион растет. Энергия, хранящаяся в этих полях, увеличивается по мере расширения региона. Плотность энергии остается приблизительно постоянной. Это кажется нарушением закона сохранения энергии, но как мы говорили, расширяющийся регион заполняется гравитационным полем, которое занимает все больший и больший объем, а гравитационное поле имеет отрицательную плотность энергии. Таким образом, общая энергия, которая должна сохраняться, остается очень маленькой и, возможно, нулевой. При этом регион может расти без ограничений, все еще имея эту очень маленькую или нулевую общую энергию.
Затем, в конце концов, регион распадается. Когда он распадается, то рождаются новые частицы, огромное число новых частиц. Это и есть вещество, из которого мы сделаны. Новых частиц оказывается значительно больше, чем количество частиц, которое было в регионе, когда началась инфляция.
СТУДЕНТ: Таким образом, все что происходит во время инфляции определяется законом сохранения энергии?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Мне кажется, что это преувеличение, потому что, если бы ничего не происходило, то энергия бы тоже сохранялась. Поэтому, чтобы описать развитие вселенной нужно больше, чем просто сохранение энергии.
Давайте продолжим. Я остановился на ландшафте теории струн и о том, как он образует все эти возможные вакуумы. В теории струн имеется 10500 различных вакуумов. Мы на самом деле не знаем точное количество, но оно равно примерно этому огромному числу. И только 10-120 вакуумов от общего числа имеют очень маленькую энергию. Поэтому плотность энергии распределяется от +10120 до -10120 от энергии вакуума, которую мы наблюдаем.
Это означает, что энергия, которую мы наблюдаем, находится всего лишь в узком срезе посередине, занимающем 10-120 ширины всего распределения. Все это, конечно, очень грубые оценки. Важно не количество, а то, согласны ли вы с идеей. Мы предполагаем, что примерно 10-120 различных вакуумов будут иметь достаточно низкую плотность энергии.
Но при этом таких вакуумов все равно будет огромное число, потому что 10-120 умноженное на 10500 получается 10380. Даже несмотря на то, что такие вакуумы будут очень редки, существует 10380 различных видов вакуумов, все из которых имеют наблюдаемую плотность энергии вакуума. Таким образом, в ландшафте теории струн нет проблемы найти вакуум, чья плотность энергии так же мала, как и та, что мы наблюдаем. Но тогда возникает вопрос, если они так невероятно редки, разве это не чудо, что мы живем в одном из этих необычных вакуумов с такой чрезвычайно низкой плотностью энергии.
Это приводит к тому, что иногда называют антропным принципом или эффектом отбора. Чтобы показать, как это работает, чтобы это звучало не так безумно, как может показаться, я хочу начать с примера, где я думаю, можно действительно сказать, что этот эффект происходит. Давайте просто посмотрим на свое положение в нашей собственной видимой вселенной и обратим внимание, например, на плотность массы.
Место, где мы живем, очень необычно во многих отношениях, но один из параметров, который является простым и количественным — это плотность массы. Плотность предметов вокруг этой комнаты составляет порядка одного грамма на кубический сантиметр, может быть в 10 раз больше или меньше. Множитель 10 не очень важен для того, о чем я буду говорить.
Дело в том, что средняя плотность массы видимой вселенной составляет около 10-30 грамм на кубический сантиметр. Просто невероятно, насколько вселенная пуста. Это гораздо более низкая плотность, чем та, которую мы можем достичь в лабораториях на Земле лучшим вакуумными установками.
В месте, где мы живем, плотность массы в 1030 раз больше, чем средняя плотность видимой вселенной. Так что мы не живем в типичном месте нашей видимой вселенной. Мы живем в крайне нетипичном месте. Можно задаться вопросом, как это объяснить? Это просто случайность, что мы живем в районе с такой высокой плотностью массы? Если это дело случая, то он кажется не очень вероятным. Это удача? Это божественное провидение, или что?
Я думаю, что большинство из вас согласится, что это, скорее всего, эффект отбора. Это место, где возникает жизнь. Жизнь не возникает в большей части видимой вселенной. Она появляется в редких местах, таких как поверхность нашей планеты, которая является особенной во многих отношениях, но уже просто плотности массы достаточно, чтобы сделать ее чрезвычайно особенной. Мы отличаемся в 1030 раз от среднего значения окружающей нас среды.
Если мы объясняем, почему мы живем в таком необычном месте нашей видимой вселенной, просто требованиями жизни, то не так уж сложно распространить эту идею дальше. Стив Вайнберг впервые обратил на это внимание в 1987 году. Конечно, он был не первый, кто высказал эту мысль, но был первый, кому остальные хотя бы немного поверили.
Он отметил, что низкая плотность энергии вакуума может быть объяснена похожим образом. Если мы живем в нетипичном месте в пределах нашей видимой вселенной, то, аналогично, нет причин ожидать, что мы должны жить в типичном месте мультивселенной. Возможно, только небольшая часть различных типов карманных вселенных может поддерживать жизнь. Возможно, единственный способ иметь жизнь — это иметь очень малое значение плотности энергии вакуума.
За этим стоит некоторая физика. Вспомним, что плотность энергии вакуума приводит к ускорению расширения. Поэтому, если бы плотность энергии вакуума была значительно больше, чем мы наблюдаем, вселенная бы расширилась невероятно быстро и разлетелась прежде, чем возникло время для чего-то интересного, например, для формирования галактик. Вайнберг основывал свои аргументы на предположении, что галактики являются необходимостью для возникновения жизни.
Если плотность энергии вакуума была бы значительно больше чем та, что мы наблюдаем, вселенная разлетелась бы так быстро, что галактики никогда не смогли бы образоваться. Следовательно, не было бы планет, ничего того, что связанно с известной нам жизнью.
Наоборот, если бы плотность энергии вакуума была отрицательной, но имела бы большую величину по сравнению с тем, что мы наблюдаем, то возникло бы большое отрицательное ускорение. Такие вселенные просто сожмутся, сколлапсируют за очень короткое время, слишком быстрое для того, чтобы сформировалась жизнь любого известного нам типа. Таким образом, есть физический аргумент, который утверждает, что жизнь формируется только тогда, когда плотность энергии вакуума очень мала.
Вайнберг и его сотрудники подсчитали, каковы должны быть требования для формирования галактик. У них получилось, что для того, чтобы образовались галактики, плотность энергии вакуума не должна превышать наблюдаемую плотность энергии примерно в 5 раз. Это может быть возможным объяснением. Хотя это, конечно, не общепринятое объяснение и оно очень дискуссионно.
Некоторые физики принимают эту идею отбора. Я склонен ее принять. Но многие физики считают ее абсолютно нелепой, говоря, что такими аргументами можно объяснить все, что угодно. И в этом есть доля правды. Можно, если захотеть, многое объяснить, просто утверждая, что это необходимо для возникновения жизни.
Поэтому, по моему мнению, аргументы эффекта отбора или антропного принципа всегда должны рассматриваться как аргументы последней надежды. То есть, до тех пор, пока мы не понимаем ландшафт теории струн, а мы не понимаем его в деталях, и, до тех пор пока мы на самом деле не понимаем, что требуется для создания жизни, мы действительно не можем сделать ничего большего, чем дать правдоподобные аргументы антропного принципа.
Но эти аргументы звучат разумно. Я думаю, что в них нет ничего нелогичного, они вполне могут быть объяснениями для некоторых вещей. Как я уже отмечал, это объясняет, почему мы живем в таком необычном месте в нашей собственной видимой вселенной. Аргументы эффекта отбора становятся очень привлекательными, когда поиск более прямых объяснений не удался. В случае попытки объяснить очень малую плотность энергии вакуума, другие объяснения не увенчались успехом. У нас нет никакого количественного, прямого понимания, почему энергия вакуума должна быть такой маленькой.
Пришло ли время принять это объяснение последней надежды, что плотность энергии вакуума так мала, просто потому, что это необходимо, чтобы развивалась жизнь? Я действительно не знаю. Но я скажу, что в случае с малой плотностью энергии вакуума, люди уже несколько лет очень, очень стараются найти объяснение этому в физике элементарных частиц, и никто не нашел ничего, что остальные нашли бы приемлемым. Так что это, безусловно, очень серьезная проблема. Я думаю, что пришло время серьезно отнестись к аргументу последней надежды. Что плотность энергии вакуума мала только потому, что в тех частях мультивселенной, где это не так, никто не живет. Мне кажется, что эффект отбора является наиболее правдоподобным из любого объяснения, которое известно в настоящее время.
Давайте подведем итог тому, что мы узнали. Я показал, что инфляционная парадигма сейчас в прекрасном состоянии. Она объясняет единообразие вселенной на больших масштабах. Она предсказывает плотность массы вселенной с точностью до 1% и объясняет колебания, которые мы видим в космическом фоновом излучении, трактуя их как результат квантовых флуктуаций, которые происходили в самой ранней вселенной.
Инфляционная картина приводит к трем идеям, которые указывают на возможность существования мультивселенной. Это, конечно, не доказательство, что мы живем в мультивселенной, но тем не менее. Во-первых, это утверждение о том, что почти все инфляционные модели приводят к идее вечной инфляции, что экспоненциальное расширение инфляционной материи опережает распад этой материи, так что ее объем растет вечно и экспоненциально.
Второй момент заключается в том, что в 1998 году астрономы обнаружили удивительный факт, что расширение вселенной не замедляется по мере ее расширения, а наоборот, ускоряется. Это указывает на то, что во вселенной должна быть какая-то особенная материя, отличная от того вещества, которое мы уже знаем, и эта особенная материя называется темной энергией. У нас нет простой интерпретации того, что это такое, но, скорее всего, это энергия вакуума. Если это так, то это сразу приводит к важному вопросу, почему эта энергия имеет значение, которое мы наблюдаем. По-видимому, оно намного меньше, чем можно было бы ожидать.
И в-третьих, теоретики, изучающие теорию струн, дают нам интересное объяснение. Они говорят, что, возможно, согласно законам физики, нет единого вакуума, а есть огромное количество разных вакуумов, которые предсказывает теория струн. Если это так и есть, то мы предполагаем, что среди многих различных вакуумов найдется большое количество таких, которые имеют очень маленькую плотность энергии. Они составляют ничтожную долю от общего количества различных вакуумов, но, тем не менее, их достаточно много. Тогда идея эффекта отбора может дать возможное объяснение, почему мы живем в одном из таких очень необычных вакуумов, которые имеет эту невероятно маленькую плотность энергии.
Я хочу закончить небольшой историей. Насколько физики действительно воспринимают все это всерьез? Я расскажу вам о разговоре, который состоялся на конференции несколько лет назад. Начну с Мартина Риза. Это астроном из Великобритании, бывший президент Королевского общества, бывший глава колледжа в Тринити, очень уважаемый и, кстати, хороший человек. Он сказал, что достаточно уверен в мультивселенной, чтобы поставить на нее жизнь своей собаки.
Андрей Линде из Стэнфорда, настоящий энтузиаст идеи мультивселенной, также один из основателей теории инфляции, сказал, что он достаточно уверен в мультивселенной, чтобы поставить на нее свою жизнь. Стива Вайнберга на этой конференции не было, но он написал статью, которая стала известна позже, комментируя эту дискуссию. Как вы думаете, что он был готов поставить? Он сказал, что он настолько уверен в мультивселенной, что готов поставить на нее и жизнь Андрея Линде, и жизнь собаки Мартина Риза.
На этом мы закончим краткий обзор. Есть ли какие-нибудь вопросы, прежде чем мы приступим к началу, к настоящему началу нашего курса?
СТУДЕНТ: Эффект отбора утверждает, что Ω равна 1, а энергия вакуума гораздо меньше, чем может быть, только потому, что жизнь существует в рамках этих ограничений, что жизнь может существовать только таким образом. Но мы рассматриваем жизнь на основе углерода. Что если существуют какие-то другие формы жизни, которые позволяют иметь другую энергию, плотность и так далее?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Да, то, на что вы указываете, конечно, большая слабость аргумента эффекта отбора. Мы действительно знаем жизнь на основе углерода, жизнь похожую на нашу, и мы можем говорить о том, какие условия необходимы для такой жизни. Но, возможно, существует жизнь, которая полностью отличается от нашей, о которой мы ничего не знаем, и которая может существовать в совершенно других условиях. Это действительно слабость.
Тем не менее, я хочу сказать, хотя с этим тоже можно поспорить, и не все согласятся со мной, но похожая ситуация возникает если мы хотим объяснить необычные особенности той части вселенной, в которой мы живем. Скажем, используя пример, который я использовал раньше, что мы живем в месте, где плотность массы в 1030 раз больше средней. Если мы готовы использовать аргументы антропного принципа чтобы объяснить это, то я думаю, что те же проблемы возникают и здесь.
Если во вселенной, в действительности, в изобилии имеется другая жизнь, процветающая в вакууме, то у нас было бы гораздо больше шансов оказаться одним из них, чем стать крайне необычным существом, живущим на поверхности планеты. Поэтому я думаю, что это возможная слабость, которую нужно иметь в виду, но я не думаю, что это должно полностью запретить нам использовать эти аргументы. Хотя это, безусловно, повод для скептицизма.
СТУДЕНТ: Вы упомянули в прошлый раз, что различные карманные вселеные, которые составляют мультивселенную, отделены друг от друга, хотя они возникают как маленькие регионы в первоначальном вакууме. За счет чего они отделяются друг от друга? Если все они образуются в одном и том же пространстве, разве они не остаются в этом пространстве?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Они действительно остаются, но пространство, в котором они образуются, очень быстро расширяется. Таким образом, в большинстве случаев, хотя на самом деле и не всегда, две карманные вселенные будут формироваться достаточно далеко друг от друга, чтобы никогда не соприкоснуться друг с другом по мере своего роста, потому что пространство между ними расширяется слишком быстро, чтобы позволить им встретиться.
Тем не менее, столкновение карманных вселенных произойдет, если две карманные вселенные образуются достаточно близко друг к другу. Расширения пространства между ними не будет достаточно, чтобы отделять их друг от друга, и они столкнутся. Насколько часто такое происходит — это крайне сложный вопрос, на который никто не знает ответа. Есть, по крайней мере, одна статья группы астрономов, которые искали возможные признаки столкновения вселенных в прошлом. Они не нашли ничего определенного. Но это то, о чем нужно думать, и это то, о чем люди думают. В публикациях на самом деле немало работ о столкновениях вселенных.
СТУДЕНТ: Когда вы говорили «долгоживущий» какое время вы под этим подразумевали?
ПРЕПОДОВАТЕЛЬ: Я использовал слово «долгоживущий» по крайней мере в двух контекстах. Я говорил о долгоживущем метастабильном вакууме. Здесь под долгоживущим я имел ввиду долгое по сравнению с возрастом нашей вселенной со времен Большого Взрыва. Здесь долгое означает долгое по сравнению с 1010 лет.
Я также сказал, что если бы энергия вакуума вселенной была большой и отрицательной, вселенная бы очень быстро схлопнулась. Это может произойти за время 10-20 секунд. Это может произойти очень быстро в зависимости от того, насколько велика космологическая постоянная.
СТУДЕНТ: Я читал, что есть такой эффект, когда разные наблюдатели могут видеть вакуум по-разному. Например, если наблюдатель в инерционной системе видит вакуум, другой наблюдатель, который ускоряется по отношению к этому наблюдателю, увидит частицы, теплый газ. Насколько сильно мы наблюдаем этот эффект из-за того, что вселенная ускоренно расширяется, и мы, возможно, ускоряемся по отношению к некоторому вакууму?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Вы на самом деле касаетесь очень дискуссионного вопроса. Вы сказали, что слышали, что если взять ускоряющегося наблюдателя, движущегося через вакуум, то этот ускоряющий наблюдатель увидел бы нечто не похожее на вакуум. Он увидел бы частицы, которые выглядели бы так, как будто у них есть температура, которую можно рассчитать и которая определяется ускорением.
Вопрос в том, что из того, что мы видим, действительно существует в реальности, а что вызвано нашим собственным движением. Я не знаю абсолютно точного ответа на этот вопрос. Но когда возникают подобные вопросы, мы, как правило, считаем, что наблюдатель, который свободно движется, на самом деле означает наблюдателя, свободно движущегося в гравитационном поле, или как иногда говорят геодезического наблюдателя. Такой наблюдатель по существу определяет то, что можно назвать реальностью. Затем можно вычислить, что ускоряющиеся наблюдатели видят по отношению к этой реальности.
Мы практически геодезические наблюдатели. Земля на нас давит, что немного нарушает нашу инерционность. Но в космическом масштабе, где все сравнивается со скоростью света, мы по существу инерционные или геодезические наблюдатели.
СТУДЕНТ: У меня философский вопрос. Мы не можем наблюдать другие вселенные. Допустим, у нас есть теория, такая как инфляция, которая делает много предсказаний. И она также делает предсказание о существовании мультивселенной. Но мы не можем эмпирически проверить, является ли это правдой или нет, скорее всего мы никогда не получим ответа. Если мы собираемся быть строгими эмпириками, стоит ли вообще нам заниматься этим вопросом?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Этот также обсуждается в научном обществе, и люди принимают обе точки зрения. Есть точка зрения, к которой я склоняюсь, что не обязательно каждый аспект наших теорий может быть проверен. Если взять какую-нибудь теорию, даже ньютоновскую гравитацию, можно представить себе следствия ньютоновской гравитации, которые никто никогда не проверял.
Поэтому я думаю, что на практике мы должны принимать теории, сделавшие достаточно много проверенных нами предсказаний, чтобы теория стала убедительной. В этом случае, мы в то же время должны серьезно относиться и к тем следствиям теории, которые не могут быть непосредственно проверены.
Что касается других карманных вселенных. Хотя маловероятно, очень маловероятно, крайне маловероятно, что мы когда-либо найдем прямые наблюдательные доказательства существования другой карманной вселенной, по идее, это не невозможно, из-за того, что карманные вселенные, в принципе, могут столкнуться. Таким образом, мы можем, в принципе, найти доказательства, что наша вселенная в прошлом имела контакт с другой карманной вселенной.
СТУДЕНТ: Что определяет устойчивость конкретного состояния вакуума? Просто вакуумы с более высокой энергией менее стабильны чем вакуумы с низкой энергией?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Насколько мне известно, действительно существует тенденция к тому, что высокоэнергетические вакуумы менее стабильны, а низкоэнергетические вакуумы более стабильны. Но все не так просто. Есть много параметров не зависящих от плотности энергии.
СТУДЕНТ: Если наша вселенная имеет такую небольшую плотность энергии по отношению к средней, означает ли это, что она также будет гораздо более долгоживущей, чем в среднем?
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Думаю, что да. Но это не меняет картину швейцарского сыра, которую я описывал для нашего окончательного будущего. Это просто меняет частоту распадов. Но поскольку будущее карманной вселенной, если эта картина верна, будет бесконечным, распады будут происходить независимо от того, насколько мала вероятность. На самом деле произойдет бесконечное количество распадов.
Мы должны двигаться дальше, даже если есть еще вопросы. У нас впереди еще целый семестр, чтобы все это обсудить.
Итак, мы начнем курс с обсуждения закона Хаббла, хотя закон Хаббла быстро приведет нас к вопросу о доплеровском смещении, о котором я в основном буду рассказывать до конца сегодняшнего дня и большую часть следующей лекции. Закон Хаббла является простым уравнением v = H ∙ r, где v — скорость удаления любой типичной галактики.
Закон Хаббла не является точным законом, отдельные галактики отклоняются от закона Хаббла. Но в принципе, закон Хаббла говорит, чему равна скорость удаления галактики, по крайней мере, с разумной точностью. H часто называют постоянной Хаббла. Иногда ее называют параметром Хаббла.
Проблема с названием «постоянная Хаббла» заключается в том, что она не является константой в течение времени существования вселенной. Она постоянна на протяжении жизни астронома, но не постоянна на протяжении всей жизни вселенной. Мы в основном будем говорить о вселенных, а не об астрономах. Даже на протяжении нашей истории это не константа, потому что оценка постоянной Хаббла изменилась примерно в 10 раз с момента первоначальной оценки Хабблом.
r в уравнении — это расстояние до галактики. Если вы посмотрите конспекты лекций двухлетней давности, они начинаются с того, что закон Хаббла был открыт Хабблом в 1929 году. Когда я начал пересматривать свои конспекты в этом году, я понял, что слышал, что это утверждение стало спорным. Почти все в космологии спорно, и даже это утверждение спорно.
Есть мнение, что на самом деле Леметр а не Хаббл заслуживает честь открытия закона Хаббла. Для этого утверждения есть некоторые основания. Некоторые историки – любители, мне кажется они часто упоминаются в прессе, утверждают, что мы знаем о работах Леметра в основном по переводу, сделанному в 1931 году его работы 1927 года, где он писал про основы космологии.
Оказалось, что, по-видимому, несколько значительных пунктов из французской статьи 1927 года, пунктов о постоянной Хаббла, почему-то не попали в английский перевод 1931 года. Какое-то время это казалось грязной игрой, были обвинения в том, что Хаббл или друзья Хаббла не включили эти пункты во время перевода статьи.
Правда, наконец, была найдена пару лет назад физиком по имени Марио Ливио, который изучал архивы ежемесячных астрономических писем. Оказалось, что Леметр сам убрал эти пункты.
Пункты в основном давали численную оценку постоянной Хаббла, но к 1931 году статья Хаббла уже была опубликована. Леметр понял, что в его статье была только менее точная оценка того же значения, которое указал Хаббл, поэтому он вырезал ее из своего перевода. Однако, безусловно, верно то, что Леметр знал о законе Хаббла из теоретических соображений, поскольку Леметр строил модель расширяющейся Вселенной.
Я не знаю, действительно ли он был первым человеком, который понял, что расширяющаяся модель вселенной порождает линейную связь между скоростью и расстоянием, но он, конечно, знал об этом, понимал закон Хаббла и дал оценку на основе наблюдательных данных. Однако он не попытался использовать наблюдательные данные, чтобы показать, что существует линейная связь. В тех абзацах, которые не были переведены, Леметр просто посмотрел на большую группу галактик, вычислил среднее значение для v, среднее значение для r и определил H, разделив эти два средних значения. Но он признал, что на самом деле не было достаточно хороших данных, чтобы сказать, является ли связь линейной.
Я думаю, справедливо сказать, что Хаббл — это человек, который действительно привел аргумент, сначала довольно слабый, но затем со временем становящийся все более веским, что имеются астрономические доказательства линейной связи между скоростью и расстоянием. Так что, скорее всего, закон будет продолжать называться законом Хаббла. Если вы посмотрите, как он называется в Википедии, то увидите, что в данный момент приемлемы оба варианта, но статьи Википедии быстро меняются, поэтому посмотрим, что она напишет в следующем году. Также мы, вероятно, должны гордиться Леметром. Часто пишут, что Леметр был бельгийским священником, но он также был студентом MIT, у него была степень доктора философии MIT, которую он получил в 1927 году.
Вы можете прочитать его диссертацию. Когда я писал свою книгу, я помню, как пошел в архив MIT, взял его диссертацию и прочитал ее. На самом деле она не очень легко написана, но интересна. Хотя он получил докторскую степень в MIT, оказалось, что большую часть своей работы он сделал в обсерватории Гарвардского колледжа. Но обсерватория Гарвардского колледжа в то время не давала степеней. Это была просто обсерватория. Он хотел получить степень, поэтому он записался в MIT, написал диссертацию и получил степень Ph. D.
Закон Хаббла является показателем того, что Вселенная расширяется. Изначально Эйнштейн предложил модель вселенной, которая была статичной. И именно Хаббл убедил Эйнштейна, что согласно наблюдениям, вселенная не статична, а подчиняется его закону расширения.
Это создало теорию расширяющейся Вселенной. Сегодня я хочу поговорить о том, как измерить v, скорость в законе Хаббла. Ведется также много обсуждений о том, как измерить r, расстояние. Я думаю, это достаточно хорошо описано в книге Стива Вайнберга. Я хочу предоставить вам самостоятельное изучение книги Стива Вайнберга, чтобы узнать, как оцениваются расстояния до далеких галактик. Грубо говоря, они оцениваются путем нахождения объектов в далеких галактиках, яркость которых, как вам кажется, вы знаете, тем или иным способом.
Сложность заключается в том, чтобы понять, для каких объектов мы уверены, что знаем их яркость. Для таких объектов есть общее название — стандартные свечи. Стандартная свеча является объектом, яркость которого мы знаем. Как только мы найдем объект, яркость которого, как нам кажется, мы знаем, мы можем сказать, насколько далеко расположен объект, измерив, насколько ярким он выглядит. Это становится очень простым способом оценки расстояний, и это единственный способ оценить расстояния до далеких галактик. На самом деле это гораздо более сложная тема, вы можете прочитать об этом в книге Вайнберга.
Скорость измеряется при помощи доплеровского сдвига, об этом я буду рассказывать оставшиеся несколько минут сегодняшней лекции. В ближайшие лекции мы планируем изучить, как вычисляется доплеровский сдвиг в нерелятивистском и в релятивистском случаях. Мы изучим простейшие случаи: когда наблюдатель неподвижен, а источник движется по прямой; источник неподвижен, а наблюдатель движется.
Я начну с варианта, когда наблюдатель неподвижен, а источник движется, что обычно мы считаем в случае далеких галактик. Мы находимся в собственной системе отсчета, поэтому мы неподвижны, а галактика движется. Нам нужно рассчитать красное смещение. Однако, я должен вам сказать, что космологическое красное смещение на самом деле немного отличается от того, что мы рассчитаем на этой и следующей лекциях.
На ближайших лекциях мы рассчитаем красное смещение в специальной теории относительности. Но космология не управляется специальной теорией относительности, потому что специальная теория относительности не описывает гравитацию, а гравитация играет важную роль в космологии. О космологическом красном сдвиге мы поговорим чуть позже. На данный момент мы, как и Хаббл, игнорируем гравитацию, что нормально для близлежащих звезд. Чем дальше они находятся, тем более важно гравитационное влияние. Игнорируя гравитацию, можно просто использовать специальную теорию относительности или даже ньютоновскую кинематику для вычисления отношения между v и красным смещением.
Итак, первая задача, которую мы будем решать, я думаю, что я просто сформулирую ее, это все, что мы успеем, это задача, где есть источник излучения, который на нашем рисунке движется вправо со скоростью V, и наблюдатель, который неподвижен.
Конечно, все эти утверждения зависят от системы отсчета. Мы работаем в системе отсчета, в которой наблюдатель неподвижен. Для нерелятивистского случая мы также предполагаем, что воздух, а мы будем говорить о звуковой волне, неподвижен в этой системе отсчета. Таким образом, наша система отсчета — это не только система отсчета наблюдателя, но и система отсчета в которой воздух неподвижен, и мы рассматриваем нерелятивистский случай звуковой волны.
Давайте определим наши обозначения. Пусть U равна скорости звуковой волны. Она обычно измеряется относительно воздуха, но воздух покоится на нашем рисунке, поэтому U будет скоростью звуковой волны относительно рисунка. V — скорость источника. Нас будут интересовать два временных периода. Δts, где s обозначает источник (от английского source — источник), является периодом звуковой волны у источника, то есть это то же самое, что период волны, который измеряется источником.
Δto — это период звуковой волны у наблюдателя (от английского observer – наблюдатель) или наблюдаемый период. Нижний индекс — это буква O, а не нуль. Важный момент, который, может быть качественно очевиден, заключается в том, что эти два периода, или временных интервала, не равны друг другу. Причина, в том, что источник движется. Я определил V положительной, как ее определили бы астрономы для удаляющихся объектов. Поскольку источник отдаляется от нас, каждая последующая волна, которая идет от источника к нам, должна пройти немного большее расстояние.
Это означает, что каждый гребень волны немного задерживается при приходе в приемник, по сравнению с ситуацией, когда источник неподвижен. Если каждый гребень волны задерживается, это означает, что время между приходами гребней больше. То есть Δto будет больше, чем Δts из-за дополнительного расстояния, которое должен пройти каждый гребень волны. Этими вычислениями мы займемся на следующей лекции.
Затем мы проделаем вычисления для случая, когда наблюдатель движется, а источник неподвижен. Затем немного поговорим о специальной теории относительности и повторим оба вычисления с учетом специальной теории относительности, поговорим о световых лучах и скоростях, которые могут быть сопоставимы со скоростью света.
Источник
