Алекс Виленкин - Мир многих миров. Физики в поисках иных вселенных. Страница 17

Рис. 8.1. Мистер Филд случайным образом блуждает по плоской части холма и соскальзывает вниз, оказавшись на крутом склоне.

Скалярное поле во время инфляции ведет себя очень похоже. Оно бесцельно блуждает вблизи вершины энергетического холма, пока не достигает крутого склона; тогда оно "скатывается" вниз, чем и заканчивается инфляция. На плоском участке вблизи вершины холма вариации поля вызываются квантовыми флуктуациями и совершенно случайны, в то же время скатывание по склону происходит упорядоченно и предсказуемо и лишь слегка возмущается флуктуациями. Интервалы времени между последовательными флуктуациями примерно равны инфляционному времени удвоения. Это означает, что мистер Филд за такой период успевает сделать лишь один шаг. Поскольку, блуждая по плоской вершине холма, он делает много шагов, это означает, что ложный вакуум, прежде чем распасться, успевает многократно удвоиться.

Конкретная последовательность шагов, приводящая мистера Филда с вершины холма к его подножию, представляет одну из возможных историй скалярного поля. Однако квантовые флуктуации, испытываемые полем, различаются от одной точки к другой, и поэтому истории скалярного поля тоже будут различными. Каждая флуктуация воздействует на небольшой участок пространства. Его размер примерно равен расстоянию, проходимому светом за один интервал инфляционного удвоения; мы будем называть этот размер "кикспэном"[43]. Можно представить себе целую группу джентльменов в таком же состоянии, как мистер Филд, каждый из которых представляет скалярное поле в некоторой точке пространства. Когда две точки находятся в пределах кикспэна друг от друга, они испытывают одинаковые квантовые флуктуации, так что соответствующие два джентльмена делают все шаги синхронно, как пара чечеточников. Но точки быстро удаляются друг от друга из-за инфляционного расширения Вселенной, и, когда расстояние между ними превысит кикспэн, компания из пары джентльменов распадется и они станут шагать независимо. Как только это случится, значения скалярного поля в двух точках начнут постепенно расходиться, а расстояние между ними продолжит стремительно расти за счет инфляции.

Малость флуктуации плотности в наблюдаемой нами области пространства говорит о том, что эта область лежала в пределах кикспэна, когда скалярное поле уже вовсю катилось вниз с холма. Вот почему эффект квантовых флуктуации был очень мал, а поле почти всюду достигло нижней точки почти одновременно. Но если бы мы могли перемещаться на очень большие расстояния, много больше горизонта, то увидели бы области, которые были в общей компании, когда поле еще блуждало у вершины холма. Истории скалярного поля в таких областях могут очень сильно отличаться от нашей, и я хотел узнать, как выглядит Вселенная на таких сверхгигантских масштабах.

Представьте себе огромную толпу пьяных людей, которые начинают расходиться с вершины холма. Каждый выпивоха представляет отдаленный регион Вселенной, так что все они движутся независимо. Если плоская часть холма имеет протяженность N шагов, то средний джентльмен пересечет ее, сделав N2 шагов. Примерно половина сделает это быстрее, а другая половина — медленнее. Например, если дистанция составляет 10 шагов, то в среднем потребуется 100 случайных шагов, чтобы ее преодолеть. Так что после 100 шагов примерно половина толпы достигнет своей конечной точки у подножья холма, а половина все еще будет наслаждаться прогулкой. Еще через 100 шагов число гуляющих вновь уполовинится, и так далее, пока последний из друзей не сверзится наконец вниз.

Но теперь заметим, что между пьяницами и расширяющимися областями пространства, которые они символизируют, есть важнейшее различие. Пока наш джентльмен шатается у вершины холма, соответствующая область пространства подвергается экспоненциальному инфляционному расширению. Поэтому число независимо развивающихся областей быстро увеличивается, как если бы наши пьяные джентльмены быстро размножались. По мере того как я размышлял об этом, картина постепенно обретала форму.

Вечная инфляция

Инфляция в известном смысле похожа на размножение бактерий. Есть два конкурирующих процесса: воспроизведение бактерий в результате деления и их эпизодическое уничтожение антителами. Исход зависит от того, какой процесс окажется эффективнее. Если бактерии уничтожаются быстрее, чем размножаются, все они скоро умрут. Напротив, если размножение идет быстрее, бактерии быстро размножатся (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Число бактерий быстро растет, если они размножаются быстрей, чем уничтожаются.

В случае инфляции два конкурирующих процесса — это распад ложного вакуума и его "воспроизведение" в результате расширения инфлирующих областей. Эффективность распада можно охарактеризовать периодом полураспада[44] — временем, в течение которого распадается половина ложного вакуума, если бы он не расширялся. (В нашей аналогии со случайным блужданием это время, за которое число гуляющих сокращается вдвое.) С другой стороны, эффективность воспроизведения задается временем удвоения, за которое объем расширяющегося ложного вакуума увеличивается в два раза. Объем ложного вакуума будет сокращаться, если период полураспада короче времени удвоения, и расти — в противном случае.

Однако из обсуждения в предыдущих главах ясно, что период полураспада велик по сравнению с временем удвоения. Причина этого в том, что в моделях инфляции энергетический холм весьма пологий, и нужно много шагов, чтобы его пересечь. Поскольку каждый шаг случайного блуждания соответствует одному периоду удвоения в ходе инфляции, период полураспада должен быть много больше времени удвоения. Отсюда вытекает, что области ложного вакуума размножаются намного быстрее, чем распадаются. А значит, во Вселенной в целом инфляция никогда не заканчивается и рост объема инфлирующих областей продолжается беспредельно!

В этот самый момент какие-то отдаленные части Вселенной заполнены ложным вакуумом и испытывают экспоненциальное инфляционное расширение. Но вместе с тем постоянно возникают области, подобные нашей, где инфляция закончилась. Они образуют "островные вселенные" в море инфляции.[45]

Из-за инфляции пространство между этими островами быстро расширяется, создавая место для рождения все новых островных вселенных. Таким образом, инфляция — это процесс, идущий вразнос, который остановился в наших окрестностях, но продолжается в других частях Вселенной, заставляя ее расширяться в бешеном темпе, постоянно выметывая новые островные вселенные, подобные нашей.

Энергия распада ложного вакуума зажигает горячий огненный шар из элементарных частиц, запускает процесс образования гелия и все последующие события стандартной космологии Большого взрыва. Таким образом, момент окончания инфляции играет в этом сценарии роль Большого взрыва. Если их отождествить, то нам уже не надо считать Большой взрыв одномоментным событием в нашем прошлом. Множество таких взрывов отгремело до него в отдаленных частях Вселенной, и бессчетное число других еще произойдет повсюду в будущем.[46]

Едва в голове у меня сложилась эта новая картина мира, я уже изнемогал от желания поделиться ею с другими космологами. И кто бы мог лучше подойти на роль моего первого конфидента, чем сам мистер Инфляция — Алан Гут, чей офис в МТИ (Массачусетский технологический институт) был всего в двадцати минутах езды от Тафтса? Так что я просто сел в машину и поехал в знаменитый институт на встречу с Аланом.

МТИ занимает громадный комплекс сооружений, где я не раз безнадежно терялся. Можно идти по коридору третьего этажа корпуса шесть и вдруг обнаружить, что уже находишься на четвертом этаже корпуса шестнадцать. Я решил не рисковать и выбрал простейший, хотя и самый длинный путь к цели — через главный вход (выделяющийся рядом коринфских колонн и увенчанный сверху зеленым куполом). Пройдя весь Бесконечный Коридор и поднявшись на несколько лестничных пролетов, я в итоге достиг офиса Гута.

Я рассказал Алану о случайном блуждании скалярного поля и о том, как описать его математически. И тут, в самой середине описания моей новой поразительной картины мира, я заметил, что Алан стал засыпать. Много лет спустя, узнав его получше, я понял, что он вообще очень сонлив. Мы организовали совместный семинар для космологов Бостона и окрестностей, и на каждом заседании Алан мирно засыпал спустя несколько минут после начала доклада. Удивительным образом, когда выступление заканчивалось, он просыпался и задавал самые глубокие вопросы. Алан отрицал наличие у него каких бы то ни было сверхъестественных способностей, но не все в это верили.