Космология БЫ · Космология [04] апрель 2017 | В мире науkи 37 COURTESY OF ESA AND PLANCK COLLABORATION точность наблюдений

Космология

34 Вмиренауkи|[04]апрель2017

КОСМОЛОГИЯ

БЫ А ли инфляция?

РЕЗУЛЬТАТЫ НЕДАВНИХ НАБЛЮДЕНИЙ АСТРОФИЗИКОВ В СОЧЕТАНИИ С ТЕОРЕТИЧЕСКИМИ ИССЛЕДОВАНИЯМИ

СТАВЯТ ПОД СОМНЕНИЕ СТАВШИЕ ПРИВЫЧНЫМИ КОНЦЕПЦИИ ИНФЛЯЦИОННОЙ ТЕОРИИ РАННЕЙ ВСЕЛЕННОЙ.

ВОЗМОЖНО, НУЖНЫ НОВЫЕ ИДЕИ

Анна Ийас, Абрахам Лоеб и Пол Стейнхард

Phot

ogra

phs

by T

he V

oorh

es


w w w.sci-ru.org [04]апрель2017|Вмиренауkи 35



Это расширение сглаживает Вселенную дотакойстепени, что миллиарды лет спустя она остает-ся почти однородной вовсех направлениях инавсем протяжении. Кроме того, она остается пло-ской, впротивоположность искривленной сфере,заисключениемобластейнезначительныхколеба-нийплотностивещества,характеризующихдета-лираспределениязвезд,галактикископленийга-лактиквокругнас.

Основное сообщение конференции: данные«Планка» превосходно вписываются впредска-зание простой инфляционной модели, усиливая

впечатлениеееосновательности.Казалось,коман-да«Планка»закрылакнигукосмологии.Триавто-ра этой статьи вГарвард-Смитсоновском центреастрофизикирешилиобсудитьпоследствиятако-гозаявления.Аннабылатогдаприглашеннойсту-денткой изГермании. Пол— один изоснователейинфляционнойтеории30летназад,ноегопоздниеработы указывали насерьезные противоречия еетеоретическогообоснования;втовремяонпрово-дилотпусквГарварде.Абрахамбылглавойастро-номическогодепартаментаигостеприимнымхозя-ином. Все авторы статьи отметили скрупулезную

2013г. 23марта Европейское космическое агентство провело меж-дународную пресс-конференцию, накоторой были оглашены но-выеданные,полученныеспомощьюаппарата«Планк».Врезульта-теработыэтойкосмическоймиссиибылапостроеналучшаяизвсехпредыдущихкартакосмическогомикроволновогофона(реликтово-гоизлучения),которыйобразовалсябольше13млрдлетназад,поч-

ти сразу после Большого взрыва. Новая карта, пословам ученых, адресованнымжурналистскойаудитории,подтверждаеттеорию,предложеннуюкосмологамиеще35летназад,—отом,чтоВселеннаяимеланачалокакБольшойвзрывспоследую-щимкраткимпериодомсверхбыстрогорасширения,называемогоинфляцией.

ОБ АВТОРАХАнна Ийас (Anna Ijjas) — постдокторант в Принстонском центре теоретической науки. Сфера ее научных интересов — происхождение, эволюция и будущее Вселенной, а также природа темной материи и темной энергии.

Пол Стейнхард (Paul J. Steinhardt) — почетный профессор им. Эйнштейна в Принстонском университете и директор Принстонского центра теоретической науки. Его исследования охватывают проблемы физики частиц, астрофизики, космологии и физики конденсированных сред.

Абрахам Лоеб (Abraham Loeb) — председатель Департамента астрономии Гарвардского университета, директор Гарвардского центра по изучению черных дыр, директор Института теории и вычислений при ГарвардСмитсоновском астрофизическом центре.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Последние измерения космического микроволнового фона (реликтового излучения), старейшего света во Вселенной, вызывают озабоченность в отношении инфляционной теории ранней Вселенной, согласно которой в первые моменты своей жизни пространство экспоненциально расширялось.

Типичное проявление инфляционной стадии — возникновение температурных вариаций (анизотропии) реликтово-го излучения (хотя картина таких вариаций может быть практически любой). Должны генерироваться также первич-ные (космологические) гравитационные волны, которые до сих пор не были обнаружены.

Согласно наблюдательным данным, есть указания на то, что космологи должны пересмотреть парадигму инфляции и рассмотреть новые идеи рождения Вселенной.



COU

RTES

Y O

F ES

A A

ND

PLA

NCK

CO

LLA

BORA

TIO

N

точность наблюдений команды «Планка». Однакоихнеустроилаинтерпретацияполученныхрезуль-татов. Данные «Планка» несогласовывались сса-мымипростымиинфляционнымимоделямииобо-стряли давние фундаментальные проблемы тео-рии,предоставляяновыеповодыдлярассмотренияконкурирующих идей опроисхождении иэволю-цииВселенной.Впоследующиегодыданныеоре-ликтовом излучении, собранные разными назем-ными икосмическими инструментами, закан-чивая «Планком», только увеличивали проблемы.Нодаже сейчас сообщество космологов неудоста-ивает значительным вниманием критику теорииинфляции ине всостоянии достаточно непред-взято оценить инфляционную теорию Большоговзрыва. Общепринятая точка зрения— вера вте-орию инфляции, поскольку она предлагает един-ственное простое объяснение наблюдаемых осо-бенностей Вселенной. Но, сточки зрения авторовнастоящей статьи, данные «Планка» всочетаниистеоретическими результатами потрясают осно-вынезыблемостивсейинфляционнойпарадигмы.

Следуя откровениюС целью продемонстрировать проблемы инфля-цииавторы,следуяуказаниямсторонниковэтойтеории, предлагают начать рассуждения следу-ющим образом: предположим, что инфляция ис-тинна, без всяких вопросов. Теперь представим,что некий всевидящий предсказатель сообщилнам: инфляция действительно произошла вско-ре после Большого взрыва. Если мы принимаемслова такого оракула наверу, точто же конкрет-нонамскажетэтавераобэволюцииВселенной?Если инфляция действительно предлагает про-стоеобъяснениеэволюцииВселенной,томыожи-дали бы, что оракул скажет нам многое изтого,чего нам ждать отданных «Планка». Например,оракул сказал бы, что через какой-то неболь-шой промежуток времени после Большого взры-ва должны были остаться крохотные следы про-странства, заполненного экзотической формойэнергии,котораяивызвалаускоренноерасшире-ние (инфляцию). Большинство известных формэнергии, например такие, которые содержатся

КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Младенческая фотография ВселеннойНа рисунке показана карта, полученная в результате рабо-ты космической миссии «Планк», запущенной Европейским космическим агентством. Карта представляет собой косми-ческий микроволновой фон, старейший свет во Вселенной, дающий мгновенный отпечаток состояния очень ранней Вселенной. Синие участки неба представляют собой обла-сти, где температура реликтового излучения (а значит, и тем-пература ранней Вселенной) понижена, а красные участки неба отражают наличие областей с повышенной температу-рой. Сторонники инфляционной парадигмы — теории, соглас-но которой Вселенная стремительно расширялась в первые

моменты своей жизни, — утверждают, что горячие и холод-ные пятна вполне соответствуют такой модели. Однако ин-фляция способна произвести фактически любой подобный «узор» и, согласно теории, как правило, дает больший раз-брос по температурам, чем это наблюдается на представ-ленной карте. Кроме того, если инфляционная стадия имела место, то реликтовое излучение должно было бы содержать признаки космологических гравитационных волн — рябь про-странствавремени, вызванную растяжением. Однако этого не наблюдается. Данные «Планка» показывают, что космоло-гические вопросы еще далеки от окончательных ответов.

Горячие пятна (красный)

Холодные пятна (синий)



ввеществе иизлучении, сопротивляются рас-ширениюВселеннойизамедляютегозасчетсоб-ственныхсилгравитационногопритяжения.Ин-фляция требует заполнения Вселенной энергиейсвысокой плотностью, нотакой, которая проти-востояла бы гравитации, тем самым вызываяускоренное расширение. Однако заметим, чтоэтот важнейший ингредиент, называемый ин-фляционнойэнергией,гипотетический,посколь-кунетпрямыхдоказательствегосуществования.Кроме того, смомента возникновения инфля-ционной концепции появились буквально сот-нипредложенийотом,длячегоможетоказатьсянужной инфляционная энергия. Каждое предло-жениеотличаетсвойтемпрасширения.Такимоб-разом,инфляциянеможетбытьточнойтеорией,потомучтообладаетчрезвычайногибкойструк-турой,допускающеймноговозможностей.

Что же может поведать нам оракул такого, чтодолжнобытьистиннодлявсехбезисключенийин-фляционных моделей? Есть одна вещь, относи-тельно которой мы должны быть уверены соглас-но нашим знаниям квантовой физики: темпера-тура иплотность вещества воВселенной послеокончанииинфляцииобязательнодолжнынезна-чительно различаться отместа кместу. Случай-ные квантовые флуктуации насубатомных мас-штабахмоглибытьрастянутывовремяинфляци-онного расширения дообластей космологическихмасштабов,обладающихразнымколичествомин-фляционнойэнергии.Согласнотеории,ускоренноерасширениезаканчивается,когдаинфляционнаяэнергия (инфляционное поле. — Примеч. пер.) рас-падаетсянаобычноевеществоиизлучение.Втехобластях, где плотность инфляционной энергии(тоестьколичествоинфляционнойэнергиинаку-бическийметрпространства)оказаласьнесколькобольшей,чемвсоседних,ускоренноерасширениешлодольше,атемператураиплотностьВселеннойдолжныбылибытьнемноговышеприокончанииэтой инфляционной стадии. Следствием кванто-выхфлуктуацийинфляционногополястановятсяфлуктуации плотности вреликтовом излучении.Такимобразом,анизотропияреликтовогоизлуче-ния представляет собой холодные игорячие пят-насоответственнопониженнойиповышеннойяр-кости— это как бы слепок самых ранних стадийжизнинашейВселенной.Втечениепоследующих13,7млрдлетэтинебольшиефлуктуацииплотно-стиитемпературыподвоздействиемгравитацион-ныхсилсформироваликрупномасштабнуюструк-турукосмоса.

Такие рассуждения дают хорошее, хотя ине-сколькорасплывчатоеначало.Можемлимыпред-сказать количество ивид распределения галак-тик попространству? Накаком уровне Вселен-ная становится искривленной изакрученной?Что вбольшой степени составляет современную

Вселенную— обычное вещество или другие фор-мыэнергии?Навсеэтивопросытеорияинфляциинедаетответа,потомучтодопускаеточеньширо-кий диапазон начальных условий развития Все-ленной.Даетлиинфляцияответнавопрос,почемупроизошел Большой взрыв или как были заданыначальныеусловия,приведшиемирктому,чтомынаблюдаемсейчас?Нет,онаснованедаетответа.

Если мы априори знаем, что инфляция истин-на, томы неможем сказать большего огорячихихолодных пятнах, которые наблюдались мисси-ей«Планк».Данные,полученныевходеегоработы,иболееранниеисследованияреликтовогоизлуче-ния показали, что вид горячих ихолодных пятеностается принципиально тем же самым при из-менении масштаба— свойство, называемое мас-штабной инвариантностью. Последние данные«Планка» показывают, что отклонение отидеаль-ноймасштабнойинвариантностиоченьмалоисо-ставляетвсегонесколькопроцентов.Среднеезна-чениетемпературныхколебанийвдольвсехпятенестьпримернооднасотаядоляпроцента.Защит-ники теории инфляции часто утверждают, чтовозможно изготовить шаблон стакими свойства-ми. Однако подобные высказывания оставляютзаскобкамиодинключевоймомент:инфляциядо-пускает имногие другие шаблоны холодных иго-рячихпятен,иэтишаблоныпрактическинебыва-ют масштабно инвариантными иобычно облада-ют вариацией температур значительно большей,чем наблюдаемая. Другими словами, масштаб-ная инвариантность возможна, номогут присут-ствовать иб льшие отклонения отмасштабнойинвариантности— взависимости оттого, какойименнозадаетсяплотностьинфляционногополя.Таким образом, данные «Планка» немогут бытьпринятымикакдоказательствотеорииинфляции.

Вчастности,еслиаприориизвестно,чтоинфля-цияпроизошла,товданных«Планка»обязанапри-сутствоватьнекотораяособенность,посколькуонаобщая для всех инфляционных моделей. Кванто-выефлуктуациипорождаютслучайныеизмененияинфляционногополя,крометого,этифлуктуациипроизводятслучайныеискривленияпространства,которые распространяются как волны простран-ственного искажения через всю Вселенную послеокончанияинфляции.Этивозмущения,известныекак гравитационные волны, служат дополнитель-ным источником горячих ихолодных пятен вре-ликтовомизлучении.Гравитационныеволныдаютхарактерный поляризационный эффект— други-ми словами, наличие этих волн приводит ктому,чтосветприобретаетпредпочтительнуюориента-циюсвоегоэлектромагнитногополявзависимостиоттого,исходитлиотгорячегоилихолодногопят-наилиседлообразныхобластеймеждуними.Ксо-жалению,поискгравитационныхволн,рожденныхвпостинфляционный период, пока неувенчался



Illus

trat

ion

by B

row

n Bi

rd D

esig

n

успехом. Впервые горячие ихо-лодные пятна— анизотропияреликтового излучения— былиобнаружены врезультате рабо-тысоветскогоэксперимента«Ре-ликт»в1992г.,апозжевэтомжегодуихналичиебылоподтверж-дено американским спутникомCOBE(Cosmic Background Explorer,«Исследователь космическо-го фона»). Стех пор анизотро-пия наблюдалась многократно,включая последние наблюдения«Планка», результаты которыхбылиопубликованыв2015г.Од-накониводномизэтихэкспери-ментоввплотьдомоментанапи-сания данной статьи никакихпризнаковгравитационныхволнобнаружено небыло, несмотрянато что они предсказывают-ся теорией инфляции. В2014г.,17марта, порезультатам про-ведения эксперимента BICEP2 наЮжномполюсебылообъявле-нообобнаружениикосмологиче-ских гравитационных волн, од-накоболеетщательнаяобработ-каданныхубедилабольшинствоученыхвтом,чтовдействитель-ности наблюдались негравита-ционные волны, аполяризация,вызываемая частицами пыливМлечном пути. Важно подчер-кнуть, что ожидаемые космоло-гическиегравитационныеволнынеимеют ничего общего стемигравитационными волнами, ко-торые генерируются впроцессеслияниячерныхдырвсовремен-нойВселенной,обнаруженнымилазернойинтерферометрическойобсерваториейLIGOв2015г.

Удивительны результаты экс-перимента «Планк»: содной сто-роны, реликтовое излучениеоказалось неожиданно мало (на несколько про-центов) отклоняющимся отидеальной масштаб-ной инвариантности враспределении горячихихолодных пятен, ас другой— гравитационныеволны полностью отсутствовали. Впервые болеечем за30лет простейшие инфляционные модели,включая общепринятые ивошедшие вучебникипокосмологии,оказалисьнастольконесостоятель-нымиотносительнонаблюдательныхданных.Ко-нечно, теоретики стремительно бросились лататьинфляционноеполотно,порождая,однако,тольконовыетрудности.

Лыжник на вершине холмаДля того чтобы вполной мере оценить вклад ре-зультатов эксперимента «Планк», следует бо-лее детально взглянуть наинфляционные моде-ли, выдвигаемые защитниками инфляционнойконцепции. Инфляционная энергия мыслитсявозникающей изгипотетического поля, называе-мого инфлатоном, аналогично электромагнитно-муполю,котороепронизываетпространствоиоб-ладает натяжением (или некоторым значением)вкаждой точке пространства. Поскольку инфла-тон— гипотетическое поле, тотеоретики могут

ДВЕ ВЕРСИИ ТЕОРИИ

Инфляция и горнолыжный спускЕсли инфляция произошла, то она должна была быть запущена гипотетической инфляционной энергией, вызываемой так называемым полем инфлатона, прони-зывающим пространство. Различные варианты теории инфляции предлагают раз-ные соотношения между натяжением поля инфлатона и плотность инфляционной энергии. Два из таких соотношений приводятся на рисунке. Первая кривая (синий) описывает традиционную модель инфляции из общепринятого учебника по космо-логии. Вторая кривая (розовый) показывает ситуацию, требующую специальных на-чальных условий и представляется очень маловероятной по сравнению с первой. Рядом с кривыми приводятся аналогии со спуском по горнолыжным склонам, из ко-торой видно, почему второй класс моделей — а это как раз то, что не противоре-чит имеющимся наблюдательным данным, — довольно сложен для реализации.

Устойчивый равномерный склон, отражающий резкий рост плотности энергии, соответствует традиционной модели инфляции, напоминая хорошо предназначенный для катания на лыжах холм. Такие модели дают правдоподобную картину инфляции, потому что они начинаются с разумных значений инфляционной энергии (аналогично удобной точке старта на горнолыж-ном спуске, которая показана на рисунке), а по-том стабильно и предсказуемо развиваются (как плавный спуск лыжника). Однако такая картина противоречит наблюдательным данным.

Такие варианты инфляционной теории носят название «модели с плато». Для возможности своей реализации они требуют крайне маловероятных начальных условий: поле инфлатона должно принять единственно нужное начальное значение в единственно возможный момент времени для за-пуска инфляционного «скатывания». Такие модели схожи с горнолыжным склоном, который мало того что грозит опасностью внезапного схода лавины, но чтобы просто попасть на него, лыжник должен спрыгнуть с вертолета и очень точно приземлиться в отправ-ную точку спуска.

Высоко

Высоко

Высоко

Натяжение поля инфлатона

Пло

тнос

ть э

нерг

ии

Низко

Низко



свободнодопуститьеготаким,чтобыонооблада-ло гравитационными силами отталкивания, чтоивызывает ускоренное расширение Вселенной.Плотность инфляционной энергии вданной точ-кепространствазадаетсянатяжениемполявэтойточке.Связьнатяженияполяиплотностиэнергииможет быть представлена ввиде кривой награ-фике, которая напоминает холм. Каждая изсот-ни имеющихся инфляционных моделей обладаетособым видом склона этого холма. Склон опреде-ляетсвойстваВселеннойпослеокончанияинфля-ционнойстадии—например,будетлиВселеннаяплоскойигладкойилинет,будетлиобладатьмас-штабноинвариантнымиразновидностямитемпе-ратурыиплотностиилинет.

Смоментапубликацииданных«Планка»космоло-гикакбудтоощутилисебявнижеследующейситу-ации.Представьте,чтовыживетевизолированномгороде, расположенном вдолине, окруженной хол-мами.Единственныелюди,которыхвыкогда-либовидели вгороде,— это его жители. Ивот однаждывгородепоявляетсянезнакомка.Каждый,разуме-ется, хочет узнать, как гостья добралась догоро-да. Вы задаете этот вопрос городскому сплетнику(другимисловами,местномуоракулу),которыйут-верждает,чтоонаприехаланалыжах.Верясплет-нику, вы рассуждаете, что есть только два холма,которые ведут кдолине. Любой, прочитав путево-дитель,обнаружилбывнемпервыйхолм,докото-рогоможнолегкодобратьсяспомощьюподъемни-ка.Всетрассысэтогохолмаотличаютсяплавнымспуском,видимостьисостояниеснегавцеломхоро-шие.Авотвторойсовершенноиной,онневключенниводнуизстандартныхтрасскатанияналыжах.Иэтонеудивительно,потомучтоонгрешитопасно-стьюсходалавин.Одинпутьвнизввашгородтруд-нопроходим, потому что он берет начало напло-скойгряде,апотомвнезапнообрываетсянакрутомутесе.Крометого,нетподъемника.Единственныйвозможный способ прокатится налыжах сэто-го холма— это спрыгнуть ссамолета напарашю-те иприземлиться вопределенном месте нахреб-те (сточностьювнесколькосантиметров),апотомскатиться сопределенной скоростью. Малейшаяошибкауведетлыжникастрассыдалековсторонуотдолины,илилыжникивовсеокажетсявловуш-ке навершине холма. Вхудшем случае сход лави-ныможетначатьсядотого,каклыжникдостигнетгребня, так что все закончится трагически. Еслигородскойсплетниквсе-такиправ,говоря,чтоне-знакомкаприбыланалыжах,торазумнеепредпо-ложить,чтоонаспустиласьспервогохолма.

Безумие— вообразить, что кто-то мог бы вы-братьвторойпуть,потомучтошансыуспешнодо-стичьгороданичтожномалыпосравнениюсбез-опаснымспускомвпервомварианте.

Однаковскоревызамечаетекое-чтоввашейго-стье.Унеенетбилетанаподъемник.Основываясь

наэтом факте ипродолжая свято верить город-скомусплетнику,выбудетевынужденыпризнать,что путь незнакомки проходил как раз повторо-мухолму.Или,бытьможет,онавообщенекаталасьналыжах, итогда нужно впервую очередь усом-нитьсявправдивости«оракула».

Продолжим аналогичные рассуждения приме-нительноккосмологии.Так,еслимнимыйоракулсообщил нам, что Вселенная эволюционироваладосвоегосовременногосостояния,пройдястадиюинфляции,томыожидаем,чтокриваяплотностиинфляционной энергии будет подобна профилюхолма, описанного впутеводителе. Действитель-но, утакого холма наиболее простой спуск отвер-

шиныкподножию,аформаэтогоспусказадаетсянаименьших количеством регулируемых параме-тровисамымипростымиусловиями,позволяющи-ми начаться инфляции. Всамом деле, досих порпочтивсеучебникипоинфляционнойкосмологиипредставлялиименнотакойпростейшийвидкри-вой для потенциала инфляционного поля. Вчаст-ности, плотность энергии вдоль этих простыхкривых монотонно растет сизменением напря-женности поля. Таким образом, можно получитьначальноесостояниеполяинфлатона,длякоторо-гоплотностьэнергииестьчисло,называемоеплан-ковской плотностью (в10120раз больше, чем плот-ность поля инфлатона всовременной Вселенной),тоестьобозначаетполнуюплотностьэнергии,до-ступнойвоВселеннойсразупослерождения.Сэто-гоудобногоначальногосостояния,вкоторомедин-ственнаяформаэнергииестьинфляционнаяэнер-гия, ускоренное расширение могло бы начаться



сразу.Вовремяинфляциинатяжениеполяинфла-тонадолжнобылобыестественноэволюциониро-ватьтакимобразом,чтобыплотностьэнергиимед-ленноиплавноуменьшаласьпокривойвниз,вдо-лину,гдеминимумкривойибудетсоответствоватьсовременнойВселенной.Этаэволюцияполяможетрассматриватьсяаналогичноскатываниюлыжни-касхолма.Всевышеописанноеестьтеориякласси-ческойинфляции,описаннойвучебниках.

Однако наблюдения «Планка» говорят отом,что такая история неможет быть истиной. Про-стые инфляционные кривые описывают горячиеихолодныепятнасб льшимотклонениемотмас-штабноинвариантнойкартины,чемнаблюдается,исгравитационными волнами достаточно силь-ными,чтобыихможнобылообнаружить.Еслимыбудемпродолжатьнастаивать,чтоинфляциявсе-такипроизошла,результаты«Планка»обязываютинфляционное поле спадать поболее замыслова-той траектории, подобно профилю второго холмаизнашегопримераслыжницей—свысокойопас-ностью схода лавины ис плоским гребнем, кото-рыйзаканчиваетсякрутымобрывомвниз,вдоли-ну. Вместо простого, плавно спадающего профи-ляэтакриваябудетрезко«дергаться»(образовываяобрывы) отсвоего минимума дотех пор, поканевыйдет наплато (образуя хребет) при плотно-стях энергии, которые вмиллиарды раз меньшепланковской плотности, характеризующей ран-нюю Вселенную сразу после Большого взрыва.Вэтом случае плотность инфляционной энергиибудет составлять ничтожно малую часть отоб-щейплотностиэнергииВселеннойпослеБольшоговзрыва,слишкоммалуючасть,чтобысразуприве-стикускоренномурасширениюВселенной.

ПосколькуВселеннаяненаходитсявстадииин-фляционногорасширения,полеинфлатонаможетобладатьлюбымначальнымзначениемименятьсясголовокружительной скоростью— как лыжник,прыгающийсвертолета.Однакоинфляцияможетначаться,толькоеслиполеинфлатонавконечномитогедостигаетзначения,соответствующеготочкевдольплато,иеслиполеинфлатонабудетменять-сяоченьмедленно.Точнотакже,какдлялыжникаоченьопаснопадатьсбольшойвысотынаплоскуюгрядусточноопределеннойскоростьюиспоследу-ющим плавным спуском вниз, так идля поля ин-флатонаподобноепочтиневозможно.Другимисло-вами,оченьтрудноподобратьскоростьтак,чтобыначаласьинфляционнаястадия.Чтобысделатьвсеещехуже:посколькуВселеннаяненаходитсявста-дииинфляциивовремярассматриваемогопериодапослеБольшоговзрыва,когдаскоростьинфляциизамедляется, любые начальные возмущения илинеоднородности распределения поля инфлатонабудутувеличиваться;когдаонивырастутдоболь-ших размеров, они будут препятствовать началуинфляционной стадии независимо отэволюции

поляинфлатона—поаналогиистем,каксходла-виныможетблокироватьлыжницунагладкомспу-скевнезависимостиоттого,насколькоудачнобылначат спуск после прыжка свертолета. Другимисловами,принимаясловаоракуланаверуинаста-ивая натом, что инфляция все-таки произошла,мы получили бы очень странный вывод издан-ных«Планка»,аименно—чтоинфляцияначаласьспостояннойплотностьюэнергии,несмотрянавсевытекающие отсюда проблемы. Или, быть может,втот момент стоит поставить под сомнение авто-ритеторакула.

МультихаосВ реальности, конечно, никакого оракула вна-шемраспоряжениинет.Мынеможемпростопри-нять предположение отом, что инфляция прои-зошла, тем более что инфляция недает простогообъяснения наблюдательным особенностям Все-ленной. Космологи должны оценивать теории пу-тем применения стандартной научной процеду-ры. Насколько велика вероятность того, что ин-фляцияпроизошла,сучетомтого,чтомыреальнонаблюдаем воВселенной? Вэтом отношении неу-тешительно тообстоятельство, что текущие дан-ные исключают простейшую инфляционную мо-дель исклоняются кее усложненным вариантам.Но,поправдеговоря,последниенаблюдения—этонепервая проблема, скоторой сталкивается тео-рия инфляции. Скорее, эти результаты придалиновый поворот давно назревшим вопросам. На-пример, мы должны рассмотреть, насколько ра-зумно для Вселенной иметь начальные условия,необходимыедлялюбоготипаполяинфлатонаво-обще.Дваневероятныхусловиядолжныбытьудов-летворены для того, чтобы инфляция началась.Во-первых, вскоре после Большого взрыва суще-ствует область пространства, вкоторой кванто-выефлуктуациипространства-времениуменьша-ются иисчезают ипространство-время начинаетподчинятьсяклассическимуравнениямобщейте-орииотносительностиЭйнштейна.Во-вторых,об-ластьпространствадолжнабытьдостаточнопло-ской иобладать достаточно гладким распределе-ниемэнергии,чтобыинфляционнаяэнергиямогларастиидоминироватьнаддругимиформамиэнер-гии. Некоторые теоретические оценки показыва-ют, что вероятность существования такой обла-стиснужнымихарактеристикамисразужепослеБольшого взрыва меньше, чем вероятность най-ти снежную гору, оборудованную подъемником,иухоженныелыжныетрассыпосредипустыни.

Болееважното,чтоеслиоказалосьбылегконай-ти область пространства, возникшую после Боль-шого взрыва, плоскую идостаточно гладкую,чтобы инфляция могла начаться, тоинфляциястала бы вовсе ненужной. Напомним, что моти-вациядлявнедренияинфляционнойстадии—это



объяснение,какимобразомсовременнаявидимаяВселенная стала такой, какой мы ее наблюдаем.Еслидляначалаинфляциитребуютсятежесамыесвойствастойлишьразницей,чтоонинеобходимывменьшейобластипространства,товрядлитакиерассужденияможноназватьпрогрессом.

Однако такие вопросы— лишь начало пробле-мы.Инфляциянетолькотребуеттрудныхдляре-ализацииначальныхусловий—инфляциюневоз-можноостановить,еслионаначалась.Этопослед-нее восходит кприроде квантовых флуктуацийпространства-времени. Такие флуктуации вызы-ваютнапряжениеполяинфлатона,полеменяетсяпопространству. Врезультате внекоторых обла-стяхпространстваинфляцияужезаканчивается,ав других еще нет. Квантовые флуктуации былопринято считать крошечными, однако в1983г.теоретики,включаяСтейнхарда,пришликвыво-ду, что большие квантовые скачки винфляцион-ном поле хоть иредки, новозможны имогут пол-ностью изменить инфляционную историю. Боль-шие прыжки могут увеличить натяжение поляинфлатонадозначений,существеннопревышаю-щихсреднее,приводяктому,чтовтакихобластяхинфляция будет происходить значительно доль-ше.Хотябольшиескачкиредки,нообласти,кото-рыеблагодаряимподвергаютсярасширению,до-стигаютразмеров,значительнобольшихсоседнихобластей, и, следовательно, быстро начинают до-минировать впространстве. Замгновения обла-сти,гдеинфляционноерасширениепрекратилось,окажутся окруженными по-прежнему раздуваю-щимися областями. Затем процесс повторится.Всамойбольшойобластинатяжениеинфляцион-ногополябудетменятьсятакимобразом,чтоплот-ность энергии начнет уменьшаться иинфляциябудет заканчиваться, норедкие большие кванто-выескачкибудутпродолжатьудерживатьинфля-ционноерасширениевнекоторыхобластях,созда-ваяещебольшиеобъемы.Этотпроцессбудетпро-должатьсядобесконечности.

Такимобразом,инфляциядлитсявечно,генери-руя бесконечное количество областей, вкоторыхоназакончиласьиобразоваласьотдельнаявселен-ная.Тольковтакихобластях,гдеинфляциязакон-чилась, темп расширения пространства падаетнастолько, что могут образовываться галактики,звезды, планеты ижизнь. Наиболее тревожащимследствиемтакоймоделивечнойинфляциипред-ставляется то, что космологические свойствавкаждой области различны из-за случайностейначальныхквантовыхфлуктуаций.Вцеломболь-шинство вселенных нестановятся ни плоскими,ни свободными отдеформаций. Распределениевещества небудет гладким. Икартина распреде-ления горячих ихолодных пятен ванизотропииреликтового излучения небудет масштабно ин-вариантной. Области будут характеризоваться

бесконечным числом возможных значений пара-метров,включаявтомчислеинашусобственнуюВселенную,иникакойизвариантовнебудетпред-почтительнее другого. Врезультате получаетсяконструкция,которуюкосмологиназываютмуль-тивселенной(мультимиром).Посколькукаждаяоб-ластьможетобладатьлюбымифизическимысли-мымизаконами,концепциямультимиранеобъяс-няет, почему наша Вселенная обладает особымисвойствами,которыемынаблюдаем.Всеособенно-стинашейВселеннойоказываютсячистослучай-ными. Возможно даже, что такая картина слиш-ком оптимистична. Некоторые ученые спорят,может ли какая-либо область пространства эво-люционироватьввидимуюнамиВселенную.Вме-стовечнойинфляцииможетреализоватьсячистоквантовый мир снеопределенными ислучайны-ми флуктуациями повсюду, даже втех областях,где инфляция заканчивается. Авторы хотели быпредложить новый термин— «мультихаос»— какболее удачный для описания нерешенного исхо-давечнойинфляции,заключаетсялионавнали-чиибесконечногомножестваобластейсослучайнораспределенными свойствами или же вналичииквантового беспорядка. Сточки зрения авторов,нетникакойразницывтом,какоеизописанийбо-лее корректно. Влюбом случае мультихаос неде-лает таких предсказаний относительно свойствнашей наблюдаемой Вселенной, чтобы она сталабы более вероятной. Хорошая же научная теориядолжнаобъяснять,почемумынаблюдаемименноодно,анедругое.Мультихаоснепроходитэтотос-новнойтест.

Смена парадигмыЕсли принимать вовнимание все обсужденныепроблемы, предположение того, что инфляциянепроизошла, заслуживает серьезного рассмо-трения.Еслимысделаемшагназад,тосуществу-ют две логические возможности. Либо уВселен-ной было начало, называемое Большим взрывом,либоунеенебылоначалаивместоБольшоговзры-ва был так называемый Большой отскок— пере-ход откакой-то предыдущей фазы космологиче-ского развития ксовременной расширяющейсяфазе. Хотя большинство космологов предпочита-ют концепцию Большого взрыва, наданный мо-ментнетникакогорезонаотдаватьпредпочтениетомуилииномуназваниюсобытия,произошедше-го13,7млрдлетназад.ВслучаеБольшогоотскока,впротивоположностьБольшомувзрыву,нетребу-етсяпоследующегопериодаинфляциидлясозда-ния Вселенной современного вида. Другими сло-вами,Большойотскоквоспринимаетсякакрезкийотход отпарадигмы инфляции. Модель Большогоотскока дает такой же эффект, как модель Боль-шого взрыва совместно синфляцией, потому чтодоБольшогоотскокапроцессмедленногосжатия,



растянутого намиллиарды лет, вполне мог сгла-дить исделать плоской Вселенную. Может пока-заться нелогичным, что медленное сжатие обла-даеттемжесвойством,чтоибыстроерасширение,ноестьпростойаргумент,показывающий,чтотакидолжнобыть.

Напомним, что без инфляции медленно рас-ширяющаяся Вселенная может стать более ис-кривленной, деформированной инеравномер-ной вовремени засчет гравитационных эффек-товпространстваивещества.Представьте,чтовысмотрите кинофильм, вкотором этот процесс за-пущенвспять:большая,сильноискривленная,де-формированнаяинеоднороднаяВселеннаяпосте-пенносжимаетсяистановитсяплоскойиоднород-ной.Такимобразом,гравитацияработаеткакбыреверсивно, разглаживая пространство ивеще-ствовмедленносжимающейсяВселенной.

Какивслучаеинфляции,квантоваяфизикаиз-меняеткартинуобычногосглаживанияивмоделиБольшого отскока. Квантовые флуктуации меня-ют скорость сжатия отточки кточке, поэтому не-которые области испытывают отскок иначинаютрасширяться иохлаждаться раньше других. Уче-ныесмоглипостроитьмодели,вкоторыхтемпера-турные флуктуации после Большого отскока за-висят отскорости сжатия таким образом, чтобысоответствовать наблюдаемой «Планком» анизо-тропииреликтовогоизлучения.Другимисловами,сжатие доБольшого отскока может делать тожесамое, для чего была всвое время изобретена ин-фляция. Вместе стем теории отскока имеют важ-ноепреимуществопосравнениюсинфляционны-ми моделями— они непорождают мультихаоса.Когданачинаетсяфазасжатия,Вселеннаяужеоб-ладаетбольшимиразмерамииописываетсяклас-сическойтеориейЭйнштейна.Отскокпроисходитдотого, как Вселенная сожмется дотаких микро-скопических размеров, когда квантовые эффектыстанутзначимыми.Врезультатеникогданенасту-пает стадия, описываемая квантовой физикой, и,вотличиеотмоделиБольшоговзрыва,нетнуждыпридумывать,какперейтиотквантовогоописаниякклассическому.Посколькувовремясглаживаниянетинфляции,котораявызвалабыпоявлениеред-кихбольшихквантовыхфлуктуацийирезкогоуве-личения объема, сглаживание впроцессе сжатиянеприводит кпоявлению многих вселенных. По-следние теоретические работы дают представле-ниеомеханизмахтого,какможнобылобыпрове-сти Вселенную отсжатия красширению, постро-ив,такимобразом,космологиюБольшогоотскока.

Наука без эмпирической проверки?Учитываяпроблемысинфляционнымимоделямиивозможности космологических моделей сотско-ком,можнобылобыожидатьоживленныхдискус-сий среди ученых, акцентированных натом, как

различитьэтидветеориинаосновенаблюдатель-ных данных. Однако существует одна тонкость:инфляционная космология, насколько мы сегод-няеепонимаем,неможетбытьоцененанаистин-ность спомощью научных методов. Как обсуж-далось выше, ожидаемые выводы инфляционноймоделимогутбытьлегкоизмененыприварьирова-нииначальныхусловий,приизменениипрофилякривой инфляционной энергии или просто заме-чаниемотом,чтоинфляционнаякартинаприво-дит квечной инфляции ик мультихаосу. Каждаяпоотдельности ивсе вместе, эти особенности де-лаютинфляциюнастолькогибкой,чтониоднона-блюдениенесможетнидоказать,ниопровергнутьее.Некоторыеученыепризнают,чтоинфляцияне-проверяема,новсеженемогутотнееотказаться.Исследователипредлагаютизменениявсамомна-учномпознаниипутемотбрасыванияодногоизегоосновополагающих свойств— проверки наблюде-ниямиилиэкспериментами.Такоезаявлениевы-звалобурныедискуссииоприроденаукииеевоз-можномпересмотре,продвигаяидеюновой,неэм-пирическойнауки.

Распространенное заблуждение заключаетсявтом,чтоэкспериментымогутбытьиспользованыдляфальсификациитеории.Напрактикеопровер-гнутаятеориядаетменьшешансов,чтобыкак-тоеезалатать.Теориястановитсявсеболееархаич-нойиискусственноусложненнойдлясоответствияновым наблюдениям и, наконец, доводится дота-кого состояния, когда ее предсказательная силапрактическисводитсякнулю.Этапредсказатель-наясилахарактеризуетсятем,скольковозможно-стей исключает теория. Чем меньше шансов под-править такую теорию, тем меньшей мощностьюонаобладает.Теория,подобнаямоделимультиха-оса, неисключает ничего ипоэтому обладает ну-левоймощностью.Декларированиепустойтеориикак бесспорного стандарта требует каких-то ар-гументов запределами науки. Несчитая мненияоракула, единственная альтернатива— это при-влечение авторитетов. История учит нас, что этоневерныйпуть.

Сегодня нам повезло вскрыть спомощью на-блюденийострыепроблемытеории.Тотфакт,чтонашилидирующиеконцепциинеразработаны,—это историческая возможность для прорыва тео-рий.Вместотогочтобызакончитьисториюоран-ней Вселенной, мы должны признать, что книгакосмологииширокооткрыта.

Перевод: О.С. Сажина

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ

InflationaryParadigminTroubleafterPlanck2013.AnnaIjjaset

al.inPhysicsLettersB,Vol.723,Nos.4–5,pages261–266;June25,

2013.

Documents

Космология БЫ · Космология [04] апрель 2017 | В мире науkи 37 COURTESY OF ESA AND PLANCK COLLABORATION точность наблюдений