Брайан Грин - Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности

{212}

Тёмная энергия является наиболее широко принятым объяснением наблюдаемого ускоренного расширения, но выдвигались и другие теории. Например, некоторые предположили, что результаты наблюдений могут быть объяснены, если сила гравитации отклоняется от обычной величины, предсказываемой ньютоновской или эйнштейновской физикой, когда расстояния становятся экстремально большими — космологических масштабов. Другие ещё не верят, что результаты наблюдений действительно показывают космологическое ускорение, и ожидают, что измерения будут проведены с помощью более точных инструментов. Важно держать в уме эти альтернативные идеи, особенно если будущие наблюдения дадут результаты, которые создадут проблемы для существующих объяснений. Но пока имеется широкий консенсус, что теоретические объяснения, описанные в основном тексте, — самые убедительные.

Скайрайтинг (от англ. skywriting) — хорошо известное на Западе средство распространения рекламы, представляющее собой короткое сообщение, написанное на небе самолётом при помощи дымовой струи, принимающей форму букв сообщения. (Прим. ред.)

Среди лидеров в описании того, как квантовые флуктуации могли бы приводить к неоднородностям, в ранние 1980-е гг. были Стивен Хокинг, Алексей Старобинский, Алан Гут, Co-Юнг Пи, Джеймс Бардин, Пол Стейнхардт, Майкл Тернер, Вячеслав Муханов и Геннадий Чибисов.

По современным представлениям, первые звёзды сформировались раньше, чем оформились первые галактики. Такие звёзды называются звёздным населением III типа (см., например: Coppi P. S., Bromm V., Larson R. B. Towards Population III: The Collapse and Fragmentation of Primordial Gas // arXiv:astro-ph/0103382). (Прим. ред.)

Раньше, чем по измерениям, выполненным на спутнике COBE, анизотропия реликтового излучения была обнаружена по измерениям на борту советского спутника серии «Прогноз» в эксперименте под названием «Реликт» по руководством И. А. Струкова. В отличие от эксперимента на COBE измерения в эксперименте «Реликт» проводились только на одной частоте, поэтому обработка данных оказалась очень сложной. Первые положительные результаты об обнаружении анизотропии были доложены А. А. Брюхановым в январе 1992 г. на семинаре в Государственном астрономическом институте им. Штернберга (ГАИШ) и в это же время посланы статьи в научные журналы. Первое сообщение о результатах COBE было сделано Дж. Смутом в конце апреля 1992 г. В 2006 г. Дж. Смут за открытие анизотропии реликтового излучения получил Нобелевскую премию. (Прим. ред.)

Аналогия с резиновыми лентами хотя и полезна, но неточна. Направленное внутрь отрицательное давление, создаваемое резиновыми лентами, затрудняет расширение комнаты, тогда как отрицательное давление инфлатона заставляет расширяться пространство. Это важное различие иллюстрирует уточнение, подчёркнутое в разделе «Эйнштейн и отталкивающая гравитация» (абзац 9): в космологии однородное отрицательное давление само по себе вовсе не вызывает расширение (к возникновению сил приводит только разность давлений, так что однородное давление, как положительное, так и отрицательное, сил не вызывает). Дело в том, что давление, подобно массе, вызывает гравитационную силу. А отрицательное давление вызывает отталкивающую гравитационную силу, которая ведёт к расширению пространства. Это не влияет на наши заключения.

Когда Вселенная расширяется, потеря энергии фотонами может непосредственно наблюдаться вследствие увеличения их длин волн (они подвергаются красному смещению), и чем больше длина волны фотона, тем меньшей энергией он обладает. Фотоны микроволнового фона подвергались такому красному смещению около 14 млрд лет, что объясняет их большие — микроволновые — длины волн и их низкую температуру. Аналогично, материя теряет свою кинетическую энергию (энергию движения частиц), но полная энергия, связанная в массе частиц (их энергия покоя — энергия, эквивалентная их массе, когда они покоятся), остаётся постоянной.

Даже после всего изложенного в основном тексте вы всё ещё можете быть озадачены, как крохотное количество материи/энергии в кусочке инфлатона могло дать гигантское количество материи/энергии, составляющее наблюдаемую Вселенную. Как вы можете получить больше материи/энергии, чем то, с чего вы начали? Как объяснялось в основном тексте, поле инфлатона в силу своего отрицательного давления «добывало» энергию из гравитации. Это означает, что по мере того как энергия в поле инфлатона возрастала, энергия в гравитационном поле уменьшалась. Специальное свойство гравитационного поля, известное со времён Ньютона, состоит в том, что его энергия может становиться сколь угодно отрицательной. Таким образом, гравитация подобна банку, который готов дать взаймы неограниченное количество денег, — гравитация заключает в себе, по существу, безлимитный ресурс энергии, которую извлекает поле инфлатона во время расширения пространства.

Точные значения массы и размера начального кусочка однородного поля инфлатона зависят от деталей изучаемой модели инфляционной космологии (больше всего от подробностей формы чаши потенциальной энергии поля инфлатона). В тексте я представлял, что начальная плотность энергии поля инфлатона была около 1082 г/см3, так что объём (10−26 см)3 = 10−78 см3 должен был иметь полную массу около 10 кг. Эти величины типичны для вполне обычного класса инфляционных моделей, но предназначены только чтобы дать вам грубое представление о величинах, с которыми приходится иметь дело. Чтобы дать представление о диапазоне возможностей, позвольте мне заметить, что в моделях хаотической инфляции Андрея Линде (см. примечание 197) наша наблюдаемая Вселенная могла бы появиться из начального кусочка даже меньшего размера, всего 10−33 см в поперечнике (так называемая планковская длина), с более высокой плотностью энергии, около 1094 г/см3, что даёт полную массу около 10−5 г (так называемая планковская масса). В этой реализации инфляции начальный кусочек должен был весить примерно как частичка пыли.

Некоторые исследователи, включая Алана Гута и Эдди Фархи, изучали, можно ли гипотетически создать новую Вселенную в лаборатории путём синтеза кусочка поля инфлатона. Абстрагируясь от факта, что мы всё ещё не имеем прямого экспериментального доказательства того, что существует такая вещь, как поле инфлатона, отметим, что десять килограммов поля инфлатона нужно было бы втиснуть в ничтожный объём пространства размером около 10−26 см, а потому плотность была бы гигантской — примерно в 1067 раз больше плотности атомных ядер, — а это находится за пределами того, что мы можем сделать сейчас или, вероятно, когда-либо.

См.: Davies P. Inflation and Time Asymmetry in the Universe, Nature. Vol. 301. P. 398; Page D. Inflation Does Not Explain Time Asymmetry, Nature. Vol. 304. P. 39; и Davies P. Inflation in the Universe and Time Asymmetry, Nature. Vol. 312. P. 524.

Не надо путать: инфляционное растягивание квантовых флуктуаций, обсуждавшееся в предыдущем разделе, по-прежнему производит мелкие неизбежные неоднородности с частотой порядка 1 к 100 000. Но эта мелкая неоднородность накладывается поверх гладкой Вселенной. Возникновение именно этой гладкой и однородной Вселенной мы сейчас и описываем.

Чтобы объяснить этот существенный момент, удобно разделить энтропию на часть, связанную с пространством-временем и гравитацией, и оставшуюся часть, связанную со всем остальным, поскольку это на интуитивном уровне отражает ключевые идеи. Однако я должен заметить, что попытка дать математически строгую трактовку, в которой гравитационный вклад в энтропию аккуратно идентифицирован, выделен и учтён, является иллюзорной. Тем не менее это не умаляет качественные заключения, которых мы достигли. На самом деле вся дискуссия может быть перефразирована почти совершенно без ссылки на гравитационную энтропию. Как мы подчёркивали в главе 6, когда существенна обычная притягивающая гравитация, материя собирается в сгущения. В этом процессе материя преобразует гравитационную потенциальную энергию в кинетическую энергию, которая затем частично преобразуется в излучение, уходящее из сгустка. Это представляет собой последовательность событий с возрастанием энтропии (большие средние скорости частиц увеличивают соответствующий объём фазового пространства; производство излучения во взаимодействиях увеличивает общее число частиц — то и другое повышает общую энтропию). Таким образом, то, на что в тексте мы ссылались как на гравитационную энтропию, может быть перефразировано как энтропия материи, генерируемая гравитационными силами. Когда мы говорим, что гравитационная энтропия мала, мы имеем в виду, что гравитационные силы имеют потенциал, чтобы сгенерировать значительные количества энтропии благодаря скучиванию материи. Реализуя такой энтропийный потенциал, сгустки материи создают неоднородное, негомогенное гравитационное поле — деформации и рябь в пространстве-времени, — которое в тексте я описывал как имеющее более высокую энтропию. Но, как ясно из этого обсуждения, на самом деле оно (это поле) может мыслиться как скученная материя плюс произведённое в процессе скучивания излучение, имеющие вместе более высокую энтропию, чем когда материя однородно рассеяна (и поле однородно). Это хорошо, поскольку эксперт заметит, что если мы рассматриваем классический гравитационный фон (классическое пространство-время) как когерентное состояние гравитонов, это существенно единственное (квантовое) состояние, а потому оно имеет низкую энтропию. Определение энтропии возможно только при подходящем усреднении — переходе к классическому пределу. Однако подчеркнём, что это не особенно необходимо. С другой стороны, если сгусток материи достаточен, чтобы создать чёрную дыру, тогда энтропия действительно становится атрибутом самой гравитации: площадь горизонта событий чёрной дыры (как объясняется далее в главе 16) является мерой энтропии чёрной дыры. И эта энтропия может быть однозначно названа гравитационной энтропией.