Космическая инфляция - это то, что произошло до Большого Взрыва и вызвало его. Вот каково это жить в расширяющейся Вселенной.
Наша Вселенная сегодня полна материи и излучения, и мы можем наблюдать ее с помощью различных средств. Атомы слиплись и сгруппировались вместе из-за миллиардов лет гравитации. Это сформировало огромную космическую паутину в самых больших масштабах, со скоплениями галактик, отдельными галактиками, газовыми облаками, звездами, планетами и многим другим в меньших масштабах. Все это время Вселенная расширялась и охлаждалась, что она и делала с самых первых моментов горячего Большого Взрыва.
Но Большой Взрыв не был началом Вселенной. До этого был период, известный как космическая инфляция, которая произошла раньше и привела к горячему Большому взрыву. Хотя жизнь в расширяющейся и остывающей Вселенной трудно интуитивно понять, инфляция рисует совершенно другую картину. Вот каково было бы жить в расширяющейся Вселенной.
Представьте, что вы частица, находящаяся где-то в ткани пространства-времени. На небольшом расстоянии также существует другая частица. Представьте, что единственное, что на них влияет, - это расширение Вселенной. Как же тогда эта частица будет двигаться относительно вас?
Если бы ваша Вселенная была наполнена излучением, она бы расширялась как квадратный корень из времени: расстояние между вами и этой частицей масштабируется как ~t^(1/2).
Если бы ваша Вселенная была заполнена материей, она бы расширялась, как время, в степени две трети: расстояние между вами и этой частицей масштабируется как ~t^(2/3).
Но когда ваша Вселенная раздувается, пространство расширяется экспоненциально: как ~e^(Ht), где H - скорость расширения Вселенной.
Это означает, что через определенное время эта частица удвоит свое расстояние от вас. Поскольку инфляция является не только экспоненциальной, но и быстрой - скорость расширения во время инфляции очень велика - для удвоения требуется всего около 10^-35 секунд. Но определяющей чертой инфляции является не ее быстрота, поскольку, в конце концов, ранние стадии горячего Большого взрыва могут быть такими же быстрыми. Вместо этого определяющей чертой инфляции является ее безжалостность.
- Через 10^-35 секунд эта близлежащая частица окажется в два раза дальше, чем изначально.
- Через 2 × 10^-35 секунд расстояние будет в 4 раза больше исходного.
- Через 3 × 10^-35 секунд расстояние будет в 8 раз больше исходного.
- Через 4 × 10^-35 секунд расстояние будет в 16 раз больше исходного.
И мы можем продолжать это сколько угодно. Через 10^-34 секунды надувания ближайшая частица окажется в 10²⁴ раз дальше, чем была первоначально. Через 10 ^ -33 секунды он будет в 10³⁰ раз больше, чем его начальное расстояние. И после 10^-30 секунд инфляции эта частица будет примерно в 10³⁰⁰⁰⁰ раз дальше, чем она была первоначально. Если бы ваша Вселенная с самого начала была полна частиц любого типа, они бы в необычайно короткие сроки разлетелись друг от друга так, что никакие две из них никогда больше не встретились бы друг с другом.
Само пространство могло начаться с интересной присущей ему кривизны. Он мог быть скрученным, завязанным узлами, скрученным и вывернутым или даже сферическим. Он мог быть полон топологических дефектов, с дырами по всему телу. Это могло быть связано в нескольких местах причудливым образом. Он мог бы даже содержать все пространство в таком крошечном объеме, как субатомная частица.
Но во время инфляции это быстрое и безжалостное расширение увеличит размер Вселенной во много-много раз: на ту же величину, на которую оно оттолкнет любую другую частицу. Он возьмет любую начальную геометрию и растянет ее до такого большого масштаба, что любая область, на которую вы посмотрите , даже такая большая, как вся наша наблюдаемая сегодня Вселенная , будет неотличима от пространственно плоской.
Причина, по которой инфляция работает таким образом, заключается в том, что существует большое количество энергии, присущей самому пространству. По мере того как ткань Вселенной расширяется, создается новое пространство, тоже с тем же количеством присущей ему энергии. Вот почему экспансия неумолима. Если вы посмотрите на расширяющуюся Вселенную, вы увидите, что она продолжает непрерывно расширяться, никогда не уменьшая свою скорость.
Но на самых маленьких масштабах в этих условиях также происходят квантовые флуктуации.
Эти флуктуации происходят в нашей Вселенной сегодня, только они происходят как в масштабах очень низких энергий, так и в масштабах времени, чрезвычайно коротких по сравнению с тем, что мы наблюдаем. Если вы визуализируете эти флуктуации как виртуальные пары частица-античастица, то появляющиеся, то исчезающие, они делают это в слишком короткие промежутки времени, чтобы в результате произошло что-то интересное; они просто добавляют небольшое количество дополнительной энергии в ткань самого пространства.
Но во время инфляции эти флуктуации намного, намного больше по энергии: примерно на 100 порядков больше, чем сегодня. В среднем значение энергии, присущей пространству, скачет вверх и вниз примерно на 0,003% случайным образом из-за этих квантовых флуктуаций.
Однако, в отличие от сегодняшнего дня, когда Вселенная раздувается, эти флуктуации растягиваются по всей Вселенной. В результате значение энергии, присущей пространству, меняется: более старые, более растянутые флуктуации проявляются в более крупных масштабах, а более молодые, менее растянутые - в меньших масштабах.
Каждые 10^-33 до 10^-32 секунд, наименьший субатомный масштаб, который мы можем описать с помощью наших физических законов, известных сегодня - планковский масштаб - растягивается до размеров нашей наблюдаемой Вселенной. В более длительных временных масштабах то, что было создано ранее, станет ненаблюдаемым. Помните, что инфляция безжалостна, и то, что произошло всего лишь крошечную долю секунды назад, теперь находится дальше, чем вся видимая Вселенная. Во всех масштабах, от очень малого до очень большого, должны быть эти квантовые флуктуации, не только отпечатанные, но постоянно вновь отпечатывающиеся во Вселенной.
И все же инфляция не длится вечно во Вселенной. Каждый раз, когда создается новое пространство, существует небольшая, но конечная вероятность того, что инфляция будет приближаться к своему неизбежному концу. Один из способов визуализировать, заканчивается ли инфляция или нет, - представить себе мяч, который очень-очень медленно катится по плато. Ниже плато находится долина, лежащая внизу; если шарик скатывается в долину, надувание прекращается.
Когда вы создаете новое пространство, снова происходит случайное распределение вероятностей: катится ли мяч ближе к центру плато или ближе к краю. Для мест, где шарик достигает края и скатывается в долину, инфляция прекращается и энергия превращается в энергию горячего Большого Взрыва.
Вполне вероятно, что первыми областями, подвергшимися этому переходу, были не те, которые стали нашей наблюдаемой Вселенной, а то, что мы выжили, в то время как эти другие Большие взрывы произошли где-то еще в нашей расширяющейся Вселенной. Большинство из них были невероятно далекими, но некоторые из них могли произойти очень близко к региону, который в конечном итоге стал нашей Вселенной. Пока продолжается инфляция, пространство продолжает наполняться этими колебаниями энергии во всех масштабах, создавая ткань пространства, которая выглядит как непрерывно вибрирующая сетка. Не только в одном масштабе, как, как мы представляем, будет вызывать проходящая гравитационная волна, а во всех масштабах.
Наконец, инфляция подходит к концу там, где мы находимся. Как будто вся эта энергия, присущая пространству, с немного разными значениями в разных местах, рушится. Он трансформируется в материю, антиматерию и излучение и создает Вселенную, которая теперь горячая, плотная и однородная по температуре, а не холодная и пустая. Этот переход известен как космический повторный нагрев, и он знаменует собой переход от инфляционного пространства-времени к началу нашего горячего Большого взрыва. Флуктуации энергии становятся флуктуациями плотности, что и порождает крупномасштабную структуру нашей Вселенной сегодня.
Когда инфляция подходит к концу, начинается наша Вселенная, какой мы ее знаем.
Теоретически то, что находится за пределами наблюдаемой Вселенной, навсегда останется для нас ненаблюдаемым, но вполне вероятно, что есть большие области космоса, которые продолжают раздуваться даже сегодня. Как только ваша Вселенная начинает раздуваться, очень трудно заставить ее везде остановиться. Для каждой локации, где она подходит к концу, создается новая локация такого же или большего размера, поскольку области раздувания продолжают расти. Несмотря на то, что в большинстве регионов инфляция прекратится всего за крошечную долю секунды, создается достаточно нового пространства, чтобы инфляция была вечной в будущем.
Инфляция сформировала и создала всю наблюдаемую Вселенную, а также дала горячему Большому Взрыву условия, которые нам нужны, чтобы соответствовать тому, что мы наблюдаем. Но инфляционная Вселенная резко отличалась от Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня. Чтобы понять и визуализировать его, мы должны отложить нашу интуицию в сторону и принять реальность, в которой единственная энергия, которая имеет значение, - это энергия, присущая самой ткани пространства.