§4. Теории причин возникновения Вселенной

Таких теорий несколько, но мы рассмотрим только инфляционную теорию, новую инфляционную теорию, теорию хаотической инфляции и теорию с экпиротическим сценарием.

1. Инфляционная теория. Инфляционная теория была основана на так называемой теории фазовых переходов в ранней Вселенной. В 1980 г. сотрудник Массачусетского технологического института Алан Гус (Alan Guth) в статье «Раздувающаяся Вселенная: возможное решение проблемы горизонта и плоскостности» изложил интересный сценарий раздувающейся Вселенной ^[48)]. Основным его отличием от традиционной теории Большого взрыва стало описание рождения мироздания в период с 10^-35 до 10^-32 секунды. Гус предположил, что скорость расширения Вселенной была высока в течение более длительного времени, чем предполагалось ранее. Примерно через 10^-35 с Вселенная перешла в состояние псевдовакуума, при котором ее энергия исключительно велика. Поэтому расширение (раздувание) происходило быстрее, чем по теории Большого взрыва.

Через 10^-35 с после рождения мира не было ничего, кроме черных мини-дыр и «обрывков» пространства. При резком раздувании участки «пены» превратились в отдельные вселенные. Некоторые из них, возможно, оказались вложенными друг в друга. Следовательно, может существовать множество вселенных, недоступных для нашего наблюдения.

Недостатки инфляционной теории. Гус придумал некий механизм и постарался с помощью одного простого принципа объяснить, почему Вселенная большая, плоская, однородная, изотропная, а также почему нет магнитных монополей. Модель такого решения не давала. Так же трудно объяснить, почему, начавшись, раздувание в конце концов прекращается. Кроме того, в данной теории допускается наличие пространства вне Вселенной, чего не может быть по определению, потому что если есть пространство вне Вселенной, это пространство является продолжением Вселенной.

Есть еще одно весьма существенное замечание. Выше было отмечено, что, возможно, есть Мир и в нем есть вселенные, одной из которых является наша Вселенная. Согласно идее Гуса Мир имеет общее начало с всеми вселенными, хотя Мир должен быть вечным, потому что вне вселенных время может не существовать.

2. Новая инфляционная теория. В середине 1981 г. Андрей Линде предложил первый вариант нового сценария раздувающейся Вселенной, основывающийся на более детальном анализе фазовых переходов в модели Великого объединения ^[24]. Он пришел к выводу, что экспоненциальное расширение не заканчивается образованием пузырьков, а инфляция может идти не только до фазового перехода с образованием пузырьков, но и после, уже внутри них. (В рамках этого сценария наблюдаемая часть Вселенной считается содержащейся внутри одного пузырька.)

В новом сценарии Линде показал, что разогрев после раздувания происходит за счет рождения частиц. Таким образом, соударения стенок пузырьков, порождающих неоднородности, стали не нужны, и тем самым была решена проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной.

Новый сценарий содержал два ключевых момента: во-первых, процесс нарушения симметрии должен идти сначала медленно, чтобы обеспечивалось раздувание внутри пузырька; во-вторых, на более поздних стадиях должны происходить процессы, обеспечивающие разогрев Вселенной после фазового перехода.

Спустя год исследователь пересмотрел свой подход, предложенный в новой инфляционной теории, и пришел к выводу, что фазовые переходы не нужны, равно как переохлаждения и ложный вакуум, с которого начинал Алан Гус. Это был эмоциональный шок, т.к. предстояло отказаться от считавшихся истинными представлений о горячей Вселенной, фазовых переходах, переохлаждении, которым соответствовали наблюдательные данные. Необходимо было найти новый способ решения проблемы. Тогда была выдвинута теория хаотической инфляции.

3. Хаотическая инфляция. Прежде всего, чтобы не было недопониманий, внесем уточнение определений. Предполагается, что есть Мир (все возможное сущее) и вселенные, которые являются порождением этого Мира. Одной из таких вселенных является наша Вселенная. Андрей Линде, автор данной теории, Мир называет Вселенной, но чтобы не путаться, где вселенные, а где наша Вселенная, в которой мы проживаем, то назовем Миром то, что он называет Вселенной.

Идея, лежащая в основе этой теории, очень проста. Существуют направленные поля – электромагнитное, электрическое, магнитное, гравитационное, но может быть по крайней мере еще одно – скалярное, которое никуда не направлено, а представляет собой просто функцию координат.

Считается, что без полей такого типа очень трудно создать реалистичную теорию элементарных частиц. В последние годы были обнаружены практически все частицы, предсказанные теорией электрослабых взаимодействий, кроме скалярной. В рамках земной экспериментальной физики наблюдательное подтверждение инфляционной теории пока остается трудноразрешимой задачей.

Согласно теории хаотической инфляции Мир заполнен особым видом материи (так называемым скалярным полем). Этот вид вещества обладает предельно большой плотностью и релятивистским отрицательным давлением (или, что тоже самое, положительным натяжением).

В различных частях Мира происходят квантовые флуктуации этого скалярного поля, которые повышают или понижают его среднюю плотность. Рассмотрим эволюцию одного такого домена Вселенной с учетом растущих квантовых флуктуаций скалярного поля. За время порядка параметра Хаббла в раннего Мира объем рассматриваемого домена вырастет в «экспонента в степени 3» (приближенно 30) раз, он окажется разделенным на 30 отдельных субдоменов в которых эволюция будет протекать независимо.

Примерно в половине субдоменов знак флуктуаций скалярного поля окажется равным знаку среднего изменения величины скалярного поля, и в таких субдоменах инфляция начнет прекращаться. В другой половине знак этих флуктуаций окажется противоположным знаку среднего изменения. В таких субдоменах инфляция продолжится.

В следующий интервал времени порядка параметра Хаббла объем каждого субдомена, в котором инфляция продолжается, вырастет опять примерно в 30 раз, а скалярное поле в 15 из них уменьшится по абсолютной величине, что в нашем рассмотрении означает прекращение инфляции, а в 15 из них останется на прежнем уровне или даже увеличится. Этот процесс будет продолжаться вечно.

В модели с правильным подбором параметров объем Мира, в котором постоянно идет инфляция, окажется больше, чем объем, в котором инфляция уже закончилась. Андрей Линде назвал такой сценарий «вечной» или «хаотической» инфляцией.

В тех доменах, в которых инфляция все же кончилась, возникает горячая плазма, состоящая из элементарных частиц и начинается эволюция Вселенной по законам, открытым А.А. Фридманом.

Недостатки новой и хаотической инфляционных теорий. Во всех этих теориях предполагаются процессы, происходящие во внешнем по отношению к Вселенной пространстве. Но вне Вселенной пространства не должно быть, иначе это пространство было бы просто продолжением нашей Вселенной.

4. Экпиротический сценарий – модель «воспламеняющейся вселенной». Большой Взрыв описывается как результат столкновения двух бран в холодной многомерной Вселенной с последующим выделением энергии на одной из бран, которую мы и воспринимаем как известную нам вселенную ^[50].

Недостатком данной модели является предположение о наличии пространства вне нашей Вселенной и ассиметрия распространения импульса энергии Большого Взрыва по Вселенной (толчок сбоку).