Памятка «Космическая инфляция и Мультивселенная»
Подробнее см.: Основы Мироздания (обзоры современных научных концепций) / под редакцией А.П. Кулаичева —
М.: Научный мир, 2019. — 123 с., ил.

      История исследований. Создав свою теорию гравитации, Эйнштейн обнаружил, что Вселенная должна неминуемо сжиматься вплоть до сингулярного точечного предела. Поэтому для обеспечения стационарности Вселенной в 1917 он добавил в свои уравнения космологический ламбда-член, предполагающий наличие у вакуума особой энергии, создающей давление, противоположное силе гравитации. Для уравновешивания гравитации плотность этой энергии должна равняться половине плотности вещества. В 30-х годах, после открытия расширения Вселенной он сожалел об этом решении, назвав его величайшей своей ошибкой, и о ламбда-члене надолго забыли.

Алан Гут

Андрей Линде

Александр Виленкин

    В 1965 Э.Б. Глинер из ФТИ АН СССР дал физическую интерпретация космологической постоянной Эйнштейна, согласно которой вначале во Вселенной был первичный вакуум, который за счет своей огромной антигравитационной энергии экспоненциально расширился, положив начало Большому Взрыву. Впоследствии это направление развивалось рядом советских ученых, в частности, Алексеем Старобинским из ФИАНа, на рубеже 80-х предложившим вариант раздувания вселенной как средство избавления от начальной сингулярности. Но всемирную популярность эта идея приобрела благодаря энергичной деятельности физика из США Алана Гута, который работая над проблемой магнитных монополей, в 1981 предположил, что для решения этой и других проблем необходима начальная фаза сверхбыстрого экспоненциального расширения или инфляции ранней Вселенной длительностью от 10^-36–10^-34 секунды с увеличением объема в 10³⁰ раз и более, а не в сотню раз как в последующем Большом Взрыве. Эта инфляционная модель затем была усовершенствована Андреем Линде из Стенфордского ун-та (Linde, 1983, 1988), Полом Стейнхардом и Андреасем Альбрехтом из ун-та Пансильвании (Albrecht and Steinhardt, 1982).

Потенциал поля инфлатона в сценарии Алана Гута. Разные кривые соответствуют разным температурам. Инфляция начинается благодаря квантовому туннелированию.

Кривая потенциальной энергии поля Хиггса с двумя ямами. Известные свойства нашей вселенной обусловлены полем, расположенным в левой яме; однако в другой вселенной поле располагается в правой яме, что соответствует другим физическим свойствам.

      Физические основания. Подобные модели основываются на предположении, что вакуум обладает неким скалярным или однородным полем, имеющим постоянную напряженность во всех точках (большинство физических полей векторные, поскольку меняются от точки к точке и наряду с напряженностью обладают и направлением - градиентом). Любое скалярные поле обладает натяжением с отрицательным давлением, которое создает отталкивающий гравитационный эффект (таково и скалярное поле Хиггса, ответственное за инертную массу частиц, его носитель, скалярный бозон с нулевым спином предложил в 1964 британец Питер Хиггс как следствие спонтанного нарушения электрослабой симметрии, считается что этот бозон был экспериментально открыт в 2012  на андронном коллайдере).
      Действительно, в современной теории вакуум — это физический объект; он может быть заряжен энергией и может находиться в разнообразных состояниях. Типы элементарных частиц, их массы и взаимодействия определяются лежащим в основе вакуумом. Вакуум, в котором мы живем, находится в наинизшем энергетическом состоянии, его называют "истинным вакуумом". Но могут существовать и «ложные вакуумы». Так электрослабый вакуум, в котором сливаются электромагнитное и слабое взаимодействия и электроны имеют нулевую массу, неотличимы от нейтрино, движутся со скоростью света и не могут удерживаться внутри атомов. Второй вакуум Великого объединения, в котором сливаются все три типа взаимодействий между частицами. В этом высокосимметричном состоянии нейтрино, электроны и кварки (из которых состоят протоны и нейтроны) становятся взаимозаменимыми. Плотность энергии или эквивалентной ей массы электрослабого вакуума составляет 10¹⁹ тонн на кубический сантиметр, а плотность массы вакуума Великого объединения оказывается чудовищно больше — в 10⁴⁸ раз. Исходное поле ложного вакуума получило название инфлатон.

      Динамика и свойства. Ложный вакуум неустойчив, распадается и превращается в истинный, а его избыточная энергия высвобождается в виде огненного шара из элементарных частиц с эволюцией по сценарию Большого Взрыва. В случае электрослабого вакуума вселенная расширится в гугол (10¹⁰⁰) раз за одну тридцатую микросекунды, а в присутствии вакуума Великого объединения это случится в 10²⁶ раз быстрее. За столь короткую долю секунды область размером с атом раздуется до размеров, намного превосходящих всю наблюдаемую сегодня Вселенную в 41 миллиарда световых лет.
      Проблема горизонта исчезает, поскольку области, причинно не связанные в настоящем, были причинно связаны в доинфляционном состоянии, что обеспечило их термодинамическое выравнивание. И поскольку инфляция увеличивает Вселенную в колоссальное число раз, нам видна лишь крошечная ее часть. Эта наблюдаемая область выглядит плоской подобно нашей Земле, которая тоже кажется плоской, если смотреть на нее, находясь вблизи поверхности.
      Свойства образовавшейся вселенной всецело зависят от вида энергетической функции перехода от ложного к истинному вакууму (ландшафта). Для нашей обитаемой вселенной эта функция должна иметь широкую вершину с малым наклоном, по которой скалярное поле катилось бы достаточно медленно для сильного раздувания вселенной, чтобы первичные квантовые флуктуации плотности достаточно укрупнились, став материалом для формирования галактик. Андрей Линде в 1982 выдвинул идею хаотической инфляции, при которой скалярное поле, достигнув энергетического минимума осциллирует в нем туда-сюда и расходует свою энергию на порождение горячей смеси частиц. В этом случае вселенная становится также однородной и плоской без требования первичного термодинамического выравнивания. Полученная формула для распределения амплитуд возмущений плотности показала, что эти возмущения с точностью до 30% равны для структур различных масштабов, от скоплений галактик до звездообразующих уплотнений газа в галактиках. Линде также показал, при больших энергетических значениях квантовые флуктуации становятся столь сильны, что могут достаточное время подталкивать поле вверх по энергетическому склону, удерживая его в некотором диапазоне значений, поэтому наличие у ландшафта пологой вершины не обязательно.

      МультиВселенная или Мультиверс. Идея инфляции закономерно приводит к существованию бесконечного множества вселенных, на что в 1983 первым обратил внимание Александр Виленкин. Благодаря квантовым флуктуациям в некоторых областях ложного вакуума может начаться скатывание скалярного поля к минимуму с образованием островных вселенных или О-регионов, подобных нашей вселенной. В других областях поле находится на энергетической высоте и продолжается экспоненциальное расширение, удаляющее О-регионы друг от друга и создающее место для образование новых О-вселенных. И так до бесконечности.
 

В клетках указаны значения поля инфлатона. Для внешнего наблюдателя строки — временная шкала, столбцы — пространство. Всё более и более светлые клетки соответствуют величине инфлатона внутри пузырька. Пузырёк увеличивается со временем, но конечен в пространстве. Для наблюдателя внутри пузырька совпадающие значения инфлатона (белые стрелки) соответствуют пространственным срезам в одинаковые моменты времени. Меньшие значения инфлатона соответствуют более поздним моментам. Линии можно продолжить бесконечно далеко, поэтому пространство бесконечное и плоское.

    И здесь имеют место две точки зрения. С точки зрения расширяющегося ложного вакуума, то есть извне О-регионов) образовавшиеся в нем О-регионы пространственно конечны, а Большой Взрыв в них (или скатывание энергетического поля) продолжается бесконечное время. С точки же зрения изнутри О-региона он представляется пространственно бесконечным, а Большой Взрыв в нем произошел одномоментно.
      Далее, также из-за квантовых флуктуаций разные области расширяющегося ложного вакуума могут иметь разные энергетической функции. Подавляющее большинство таких функций приводит к «плохой» инфляции, когда галактики и звезды не образуются, следовательно в таких О-регионов нет наблюдателей. Чтобы инфляция была «хорошей», вариабельность значений параметров инфляционной модели должна быть не больше 10^-15 (примерно 1 вариант из 10¹²⁰ возможных) ! В 2000 Буссо и Полчински объединили картину струнного ландшафта с идеями инфляционной космологии и показали множество ладшафтов многообразий Коляби-Яу способно породить не менее 10⁵⁰⁰ разных вакуумов, из которых лишь мизерная часть соответствует антропному принципу  Это еще один пример «космического заговора» или тонкой настройки нашей Вселенной.
 

Поскольку поля Хиггса могут обладать разными значениями в разных дочерних вселенных, вселенные в сценарии инфляционной мультивселенной могут иметь разные физические свойства, хотя все они и подчиняются одним и тем же физическим законам.

      Еще один парадокс состоит в том, что поскольку в Мультивселенной существуют бесконечное число О-регионов, то в ней должно существовать и бесконечное число совершенно одинаковых О-регионов, в том числе и клонов нашей Вселенной с планетой Земля и всеми ее обитателями. Точно такая же ситуация должна иметь место и в каждом О-регионе, бесконечном в пространстве с внутренней точки зрения. Это называется лоскутная Мультивселенная. Возьмем колоду игральных карт. В ней 52 карты могут быть расположены 10⁶⁸ способами. Это очень большое, но конечное число. Обозримый участок нашей Вселенной, радиусом 41 миллиард световых лет или лоскуток содержит огромное, но конечное число элементарных частиц. Расчеты показывают, что эти частицы могут комбинироваться фантастически большим, но все же конечным числом вариантом – 10 в степени 10¹²², то есть 10 с более гуглом нулей (Якоб Бекенштейн (Jacob Bekenstein) в 1980-х, а затем в работах по суперструнам Герард'та Хофта (Gerard't Hooft), Леонарда Сасскинда (Leonard Susskind) и других). И поскольку наша Вселенная бесконечна, то в ней существуют и бесконечное число лоскутков в 41 миллиард световых лет, а в этой бесконечности должно существовать бесконечное одинаковых лоскутков с планетой Земля и всеми ее обитателями.
      Есть еще один не отраженный в литературе, но важный момент. Нетрудно подсчитать, что за время существования нашей Вселенной 13.7 миллиарда лет прошло около 10⁵³ интервалов длительностью 10^-34 секунды. Тем самым любая соседняя начальная область, равная по размеру нашей, но ложный вакуум которой продолжает находиться на высоком энергетическом уровне увеличила за это время свой объем в 10 с 10⁵³ нулями раз больше, чем вся наша Вселенная. Тем самым в океане продолжающего расширяться ложного вакуума все бесконечное множество О-регионов имеет исчезающе малые сравнительные размеры.
      Многими исследователями изложенная и сводящая с ума картина представляется существенным недостатком инфляционных теорий. Однако, не только «плохая инфляция» более вероятна, чем «хорошая инфляция», но мир вообще без инфляции более вероятен, чем мир с какой бы то ни было инфляцией. Впервые такая идея была разработана Роджером Пенроузом (Roger Penrose) в 80-х годах. Пенроуз применил термодинамические принципы, сходные с предназначенным для описания конфигураций атомов и молекул газа, для подсчета всех возможных начальных конфигураций поля инфлатона и гравитационных полей. Некоторые из таких начальных данных ведут к наличию инфляционного расширения с образованием практически однородного распределения вещества в плоском пространстве-времени. Другие начальные условия приводят к тому же результату, но без инфляционного расширения. Причем оба множества таких начальных условий невелики - другими словами, шансы получить плоскую однородную вселенную малы в любом случае. Кроме того, получение плоской вселенной без инфляции гораздо более вероятно, чем получение плоской вселенной путем инфляционного  расширения.

      Другие сценарии. Габриеле Венециано и Маурицио Гасперини из Туринского ун-та представили свой вариант струнной космогонии. Исходно Вселенная была бесконечной и холодной, затем в нее вторглась точечная нестабильность, и это пятнышко стало инфляционно расширяться. Из*за этого пространство становилось все более искривленным, и в результате гравитационных эффектов произошел резкий скачок температуры и плотности энергии. Далее все пошло по сценарию Большого Взрыва. Андрей Линде предположил, что такой процесс может быть не единственным, подобные условия могли возникать неоднократно в удаленных точках пространства с образованием разных по физике вселенных, а затем эти процессы возобновлялись в каждой из них. Это аналогично иерархическому бесконечному дереву вложенных вселенных, также получившему название Мультивселенная (multiverse). Примечание: Вы можете спросить, а почему такое не наблюдается повсеместно и рядом? Можно предположить, что в начальной прединфляционной стадии плотность энергии столь велика, что гравитационное замедление времени не позволяет такое событие наблюдать внешнему наблюдателю в течение бесконечного интервала времени.
      Исходя из схожести условий Большого взрыва и черных дыр, Ли Смолин из ун-та Пансильвании предложил другой вариант образования Мультивселенной: черная дыра есть семя новой вселенной, рождающейся в муках Большого взрыва, но навеки спрятанной от нас за горизонтом событий. В этом случае начальные параметры следующих поколений вселенных будут все ближе к значениям, оптимальным для образования черных дыр, что являет собой направленный эволюционный отбор вселенных, который и объясняет уникальный характер нашей Вселенной, как промежуточного результата такого бесконечного отбора.

      С чего все началось?  В любом постначальном состоянии притягивающая гравитация вещества намного сильнее гравитационного отталкивания вакуума, поэтому Вселенная просто сколлапсировала бы, и инфляция никогда бы не началась.  Чтобы исходная Вселенная начала расширяться, она должна некоторым образом увеличить свой размер, чтобы начала превалировать антигравитация вакуума. В 1983 Александр Виленкин высказал идею, что такой первоначальный скачок размера может произойти посредством квантового туннелирования. Далее он обнаружил, что даже при начальных размерах, стремящихся к нулю, шансы на туннелирование не исчезают. Более того, он обнаружил, что вычисления значительно упрощаются, если позволить начальному радиусу вселенной обратиться в нуль.  Тем самым ничто не препятствует возникновению Вселенной из Ничего.
      Процесс туннелирования управляется теми же фундаментальными законами, которые описывают последующую эволюцию Вселенной. Следовательно, законы должны быть "на месте" еще до того, как возникнет сама Вселенная. Означает ли это, что законы — не просто описания реальности, а сами по себе имеют независимое существование? В отсутствие пространства, времени и материи на каких скрижалях могут быть они записаны? Законы выражаются в форме математических уравнений. Если носитель математики — это сознание, означает ли это, что Сознание как Творец должно предшествовать Вселенной? Творцу надо только сформулировать в своем Сознании квантовые законы, а далее согласно этим законам Мультивселенная спонтанно возникает и развивается во всем бесконечном разнообразии вариантов и редчайшими событиями, выражаемыми антропным принципом, при этом уже без всякого участия Творца.

     Косвенные подтверждения.  1). В 1998 было открыто ускоренное расширение нашей Вселенной, которое сменило гравитационное замедление 6 миллиардов лет тому назад. Это указывает на существование у вакуума предсказанной антигравитации. Энергия вакуума соответствует 70% плотности Вселенной, из которой только 5% приходится на светящуюся, барионную материю.
2). Нобелевская премия 2006 присуждена Джорджу Смуту и Джону Мазеру за открытие температурных колебаний микроволнового фона, амплитуда и распределение которых предсказана моделями инфляции, удовлетворяющими антропному принципу.
3). В 2014 специализированный телескоп BICEP2, работающий на Южном полюсе и измеряющий поляризацию космического микроволнового излучения, обнаружил реликтовые B-моды поляризации. Их наличие указывает на то, что в ранней Вселенной генерировались сильные гравитационные волны, которые могли возникнуть на стадии инфляции.

Наблюдаемые температурные колебаниям реликтового излучения. В результате инфляции квантовые флуктуации растягиваются до макроскопических размеров.

Температурные колебания реликтового излучения согласно инфляционной модели, кружки — данные наблюдений.

     Но есть, однако же, еще предположение, что Кука съели из большого уважения... Все рассуждения о множественности вселенных являются чисто умозрительными и принципиально не поддающимися экспериментальной проверке, никогда и ни в каком будущем. С другой стороны, сама концепция инфляционной вселенной, из которой следуют подобные рассуждения, не свободна от дополнительной критики. Одна из таких возможностей состоит в учете эффекта изменения пространственно-временных интервалов в гравитационных полях.
      Действительно, согласно общей теории относительности временные интервалы в сильном гравитационном поле увеличиваются с точки зрения системы отсчета, находящейся в слабом гравитационном поле. Поэтому с нашей точки зрения (координатная система отсчета) движение тела при падении в черную дыру замедляется вплоть до нуля, тогда как с точки зрения самого падающего тела (сопутствующая система отсчета) оно ускоряется вплоть до скорости света. Проекция нашей микросекунды на черную дыру (на гравитационный радиус или горизонт событий) равна бесконечности по нашему времени.
      Рассматривая фазу инфляции мы проецируем свои временные интервалы как неизменные из состояния слабой в среднем гравитации вселенной в начальные состояния с запредельной плотностью энергии и определенной этим запредельной гравитацией. С учетом же упомянутого изменения временных интервалов проекции этих наших долей секунды в запредельное гравитационное поле должно соответствовать многим миллиардам лет в нашем нынешнем слабогравитационном состоянии. Тем самым кажущаяся сейчас нам (из-за такой проекции) сверхбыстрая инфляционная фаза должна бы измеряться не в мизерных долях секунды, а во многих миллиардах лет по нашему нынешнему ритму течения времени.

     Еще одна ассоциация.  Вернемся к вышеприведенной схеме различия взглядов извне и изнутри пузырька-вселенной. Представим себе бесконечный бушующий океан ложного вакуума. Его огромные волны насыщают всю толщу мириадами маленьких пузырьков, каждый из которых является отдельной вселенной со своими свойствами и законами. Каждый пузырек конечен по своему размеру и во времени, постепенно растворяясь в океане, а его энергия исчезающе мизерна по сравнению с энергией океана. Но изнутри каждого пузырька он кажется бесконечным в пространстве и во времени, наполнен миллиардами галактик и бесконечно расширяется. Однако извне, из океана ложного вакуума это псевдорасширение видится как быстротечное уменьшение размеров всех составляющих пузырька от галактик до атомов, что у обитателей пузырьков создает иллюзию бесконечного расширения их вселенных. Вспомним, как земляне сросили у Ответчика "Рсширяется ли Вселенная?", на что последовало: "Термин "расширение" не применим к данной ситуации, вы оперируете ложной концепцией Вселенной".

Так что решайте сами: кто виноват? и что делать?