Тише едешь – дальше будешь

Молодой российский космолог Андрей Линде был первым, кто рассмотрел необщепринятые модели скалярного поля без барьера между истинным и ложным вакуумами.

Как и прежде, предположим, что все начинается с маленькой замкнутой вселенной и скалярного поля в состоянии ложного вакуума. Если барьера нет, шарик, представляющий поле, просто скатывается вниз в сторону истинного вакуума (рис. 6.3). Нет никаких пузырьков, а поле, катясь вниз, остается однородным во всем пространстве. Достигнув нижней точки, оно начинает колебаться вверх и вниз. Энергия этих колебаний быстро рассеивается, порождая огненный шар частиц, а поле успокаивается на минимальной энергии.

Трудность, однако, состоит в том, что в отсутствие барьера поле будет скатываться вниз очень быстро, и инфляция прекратится слишком рано. Понимая эту опасность, Линде сделал принципиальный шаг: он предположил, что график энергетической функции напоминает по форме холм с очень пологим склоном, как на рисунке 6.4. Плоский участок наверху холма играет роль ложного вакуума. Если поместить шарик где-то на этом участке, он начнет катиться крайне медленно. При этом он будет оставаться практически на одной и той же высоте, поскольку склон очень пологий. Теперь вспомните, что высота на рисунке соответствует плотности энергии скалярного поля, а ее постоянство – все, что требуется для поддержания неизменного темпа инфляции.

Рис. 6.3. Энергетический ландшафт без барьера. Скалярное поле быстро скатывается к истинному вакууму.

Ключевая идея Линде состояла в том, что вблизи вершины холма скалярное поле катится очень медленно, и потому пройдет много времени, прежде чем оно пересечет эту область. Между тем вселенная продолжает расширяться, колоссально вырастая в размерах. Попав на крутую часть энергетического склона, поле начинает катиться быстрее, а достигнув наконец минимума, осциллирует и расходует свою энергию на порождение горячей смеси частиц. В этот момент мы получаем горячую расширяющуюся вселенную, которая к тому же является однородной и почти плоской. Проблема изящного выхода решена!

Рис. 6.4. Энергетический ландшафт “сплющенного холма”. Пока скалярное поле медленно скатывается вниз, инфляция продолжается.

Рис. 6.5. Андрей Линде (слева) с Вячеславом Мухановым (из Максимилиановского университета в Мюнхене).

Все, что нужно, – это скалярное поле, энергетическая функция которого имеет функцию приплюснутого холма, как на рисунке 6.4. Вы может спросить: а как скалярное поле в самом начале оказалось на вершине холма? Хороший вопрос. Однако отложим его до главы 17.

Статья Линде появилась в феврале 1982 года, и ту же по сути идею независимо опубликовали американские физики Андреас Олбрехт (Andreas Albrecht) и Пол Стейнхардт (Paul Steinhardt). Теория инфляции была спасена.

Другой важный вопрос – действительно ли подобное скалярное поле существует в природе. К сожалению, этого мы не знаем. Нет никаких прямых свидетельств его существования. Скалярные поля, появляющиеся в простейших теориях электрослабого взаимодействия и Великого объединения, обладают энергетическими функциями, слишком крутыми для инфляционной теории. Однако существует класс так называемых суперсимметричных теорий, включающих множество скалярных полей с плоской энергетической функцией. Теория суперструн, которая сегодня является основным кандидатом на роль самой фундаментальной теории природы, принадлежит как раз к этому классу. (Мы еще поговорим о суперструнах в главе 15.)

Наффилдовский симпозиум

Следующий акт драмы развернулся в средневековом университетском Кембридже. Летом 1982 года сюда по приглашению Стивена Хокинга съехались около тридцати космологов со всего мира. Они собрались на трехнедельный симпозиум по очень ранней Вселенной, который проводился на средства Фонда Наффилда. Я был очень рад оказаться в числе его участников: Хокинг попросил меня сделать доклад о моих последних работах по космическим струнам.

Я сразу влюбился в Кембридж. Поднимаясь рано утром, я прогуливался по территории колледжа. Готические часовни, колокольни, аскетичные обнесенные стенами дворики с идеально прямоугольными газонами и яркими пятнами цветов – все это остатки другого, более расположенного к созерцанию века. К девяти часам я возвращался в наше время, ожидая в конференц-зале начала выступлений. К счастью, в день было только по два доклада – один утром, другой после обеда, – так что оставалась масса времени для неформальных дискуссий. Британская кухня едва ли могла послужить гвоздем программы, но вот местное пиво – это другое дело, так что я провел немало вечеров, разговаривая о физике и других предметах за пинтой лагера.

Программа встречи была сориентирована на последние достижения космологии, и теория инфляции закономерно оказалась в центре всеобщего внимания. Проблема изящного выхода была уже снята с повестки дня, но оставались и другие серьезные вопросы.

Инфляция и вправду делает вселенную плоской и однородной, но, возможно, она слишком хорошо справляется со своей работой. В идеально однородной вселенной никогда не возникло бы ни галактик, ни звезд. Как уже обсуждалось в главе 4, галактики развиваются из небольших вариаций плотности. Происхождение этих первичных неоднородностей, или возмущений плотности, стало центральным вопросом симпозиума.

Незадолго до его начала Хокинг написал статью, в которой высказал очень интересную идею. Согласно квантовой теории эволюция всех физических систем не полностью детерминирована, а подвержена непредсказуемым квантовым подергиваниям. Так что, скатываясь вниз, скалярное поле испытывает случайные толчки то вперед, то назад. Направления этих толчков неодинаковы в разных областях Вселенной, и в результате в разных местах скалярное поле не в точности одновременно достигает подножия холма. В областях, где инфляция длилась чуть дольше, плотность вещества оказывалась немного выше. Идея Хокинга состояла в том, что возникающие в результате этого небольшие неоднородности приведут к образованию галактик и их скоплений. Его правота в этом вопросе означала бы, что квантовые эффекты, обычно имеющие значение только на крошечных субатомных масштабах, оказались бы причиной существования самых крупных образований во Вселенной!

Естественно, Гут был очень взволнован такой возможностью. Ведь она не только разрешала трудности теории, но и открывала заманчивую перспективу проверить инфляцию наблюдениями. Возмущения плотности можно наблюдать посредством космических микроволн, а затем сравнивать с предсказаниями теории. Это было чрезвычайно важно!

Расчет плотности образующихся в ходе инфляции неоднородностей – технически очень сложная задача. Статья Хокинга содержала очень мало подробностей, и в ней трудно было разобраться. Так что Гут объединил усилия с физиком корейского происхождения Со-Янг Пи (So-Young Pi) чтобы рассчитать возмущения, используя метод, понятный им обоим. К моменту, когда Гут отправился на симпозиум, работа была еще не вполне закончена, и он завершил вычисления в первые дни пребывания в Кембридже. К его удивлению, полученный результат сильно отличался от хокинговского. Оба они нашли, что возмущения зависят от формы энергетического ландшафта скалярного поля, но эта зависимость получалась разной, и результат Гута давал значительно большую величину возмущений.

Хокинг настаивал на своем результате. Когда Гут рассказывал мне об их беседе за ланчем, он выглядел озадаченным. Он не был уверен в правильности своего ответа и сказал, что собирается проверить несколько моментов в расчетах.

Дополнительную неразбериху вносило то, что была еще третья группа, работавшая над той же проблемой. Пол Стейнхардт занимался расчетом неоднородностей в сотрудничестве с двумя другими американскими космологами – Джимом Бардиным (Jim Bardeen) и Майклом Тернером (Michael Turner). Они тоже были не согласны с Хокингом, но полученное ими значение было значительно меньше! Наконец, на симпозиуме присутствовал еще и российский физик Алексей Старобинский, также приглашенный выступить по вопросу о возмущениях плотности, однако он пока отмалчивался, и никто не знал, какие он представит результаты.

Старобинский не был новичком в космологии. Среди прочего он был известен тем, что придумал вариант инфляции примерно на год раньше Гута. Правда, сделано это было по ошибке. Он полагал, что его модель позволит избавиться от начальной сингулярности, что на самом деле было в ней невозможно. Однако он не распознал, что она может решить проблемы горизонта и плоской геометрии. Без этой ключевой идеи на модель в то время не обратили большого внимания, но теперь она рассматривалась как реальная альтернатива моделям со скалярным полем Линде, Олбрехта и Стейнхардта.

По расписанию Старобинский выступал первым. Стиль его доклада был типичен для русской физической школы и восходил к одному из ее создателей, нобелевскому лауреату Льву Ландау. На знаменитых еженедельных семинарах Ландау предполагалось, что докладчик – идиот, и ему давался лишь небольшой шанс объяснить другим свою идею в самом начале выступления. Поэтому семинары проводились главным образом “для Ландау” – именно его необходимо было убедить в том, что докладчик знает, о чем говорит. При этом никого особо не беспокоило то обстоятельство, что сказанное оставалось непонятным большинству других собравшихся. Добавьте к этому русский акцент и сильное заикание, и вас уже не удивит, что понять доклад Старобинского было непросто. И все же к моменту его завершения одна вещь была ясна: он пришел к выводу, что неоднородности окажутся крупными, как и в расчетах Гута.

На следующий день пришла очередь выступать Хокингу. Легендарный физик страдает болезнью Лу Герига и с начала 1970-х годов прикован к инвалидному креслу. Сегодня он общается при помощи голосового синтезатора, выбирая слова одно за другим в меню на компьютерном экране. Когда проводился симпозиум, он еще мог говорить, хотя и с трудом. Лекция Хокинга воспроизводила аргументацию в его статье, но в конце был припасен сюрприз. Последний шаг вычислений теперь был изменен, и результат согласовывался с тем, что получили Гут и Старобинский! После разговора с Гутом и доклада Старобинского Хокинг, должно быть, нашел ошибку в своих выкладках, хотя никогда не упоминал, что исправил ошибку в своей статье или что его новый результат был получен с учетом работ Старобинского и Гута.

Большинство дискуссий Наффилдовского симпозиума вертелось вокруг вопроса об инфляции, и хотя новая теория будоражила умы, ее было заведомо многовато. Доклады по другим темам, касающимся ранней Вселенной, дарили долгожданное облегчение – это ощущение я постарался выразить на первом слайде своего доклада, посвященного космическим струнам (рис. 6.6). Струны – это линейно протяженные остатки горячей высокоэнергичной эпохи ранней Вселенной. Они представляют собой тонкие трубки ложного вакуума, существование которых предсказывается некоторыми моделями в физике элементарных частиц. В моем докладе обсуждались образование струн и их возможные астрофизические проявления. Доклад был хорошо принят, и теперь я мог сесть, расслабиться и спокойно наблюдать последние рывки в гонке за определением формы возмущений плотности.

Стейнхардт с друзьями все еще продолжали стоять на своем. Беспокоясь о некоторых слабых местах в своих вычислениях, они продолжали интенсивно работать, чтобы их прояснить. Однако ответ, который они получали, по-прежнему оставался меньше исходного хокинговского результата.

Выступление Гута было запланировано на третью неделю симпозиума. Он волновался, как бы Стейнхардт с компанией не поймали его врасплох, и потому при любой возможности скрывался у себя в номере, чтобы перепроверить различные моменты своих выкладок. Позже даже оказалось, что, готовясь к своему выступлению, он пропустил состоявшийся на симпозиуме банкет.

Рис. 6.6. Передозировка инфляции – открывающий слайд моего доклада о космических струнах.

Но, несмотря на растущее напряжение, битва так и не состоялась. За несколько дней до своего доклада Стейнхардт и его сотрудники признали поражение. Они нашли ошибки в использованных аппроксимациях, и после исправления их результаты стали согласовываться с тем, к чему пришли другие участники соревнования. Доклад Гута прошел очень гладко: он повторил свои ранее полученные результаты. Таким образом, к концу симпозиума все четыре команды-участницы пришли к полному консенсусу.

Однако последний сюрприз этой удивительной гонки стал известен уже после завершения симпозиума. К своему полному смятению, бывшие участники состязаний обнаружили, что проблема возмущений плотности, вызванных квантовыми флуктуациями, над распутыванием которой они так тяжело трудились, уже была решена за целый год до того, как они скрестили свои мечи в Кембридже. Решение опубликовали двое российских ученых – Слава Муханов и Геннадий Чибисов – из Физического института им. Лебедева в Москве. Они рассчитали возмущения для инфляции по версии Старобинского, но выкладки были, по сути, такие же, как и в модели скалярного поля. Читая русские физические журналы, частенько можно откопать что-то интересное!

∞

Конечным итогом вычислений стала формула для амплитуды возмущений плотности, порожденных квантовой дрожью скалярного поля в процессе скатывания вниз в ходе инфляции. Эта амплитуда зависит от формы энергетического ландшафта, а также от размеров области, в которой случается возмущение. Космические структуры охватывают большой диапазон линейных масштабов. Характерные размеры звезд много меньше, чем галактик, которые, в свою очередь, меньше скоплений галактик. Амплитуда возмущений на этих колоссально различающихся масштабах могла бы оказаться совсем разной. Однако полученная формула говорит, что все возмущения почти в точности одинаковы. Между наименьшими и наибольшими космическими структурами различия в амплитуде составляют не более 30 %.

Это свойство масштабной независимости инфляционных возмущений нетрудно понять. Квантовые флуктуации первоначально воздействуют на скалярное поле в крошечной области пространства, но затем возникшее возмущение растягивается до значительно больших размеров экспоненциальным расширением Вселенной. Возмущения, появившиеся раньше, подвергаются растяжению дольше и охватывают большего размера области. Но их амплитуда задается исходными квантовыми флуктуациями, которые почти одинаковы на всех представляющих интерес масштабах.

Масштабную независимость возмущений плотности можно использовать для предсказания вариаций по небу интенсивности космического микроволнового фона и в конечном счете – для проверки идеи инфляции. Тем самым спекулятивная гипотеза о ранних моментах Вселенной превращается в проверяемую физическую теорию. Однако потребовалось еще десятилетие, прежде чем космологическая инфляция была подвергнута этой проверке.