фото показано с polit.ru

Мы публикуем стенограмму лекции, с которой выступил 24 апреля 2014 года Дмитрий Сергеевич Горбунов, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела теории физики Института ядерных исследований РАН.

Лекция прошла при поддержке Фонда «Династия».

Текст лекции

Я буду стараться говорить языком, понятным всем и каждому, но когда что-то вам покажется непонятным - сразу спрашивайте, я попытаюсь найти другие слова, чтобы объяснить то же самое. Какие-то фундаментальные вопросы: «Откуда взялась Вселенная» или еще что-то, что естественным образом с такой темой возникают - это на потом. Тема связана с заявленным открытием эксперимента BICEP2, которое случилось в марте 2014 года.

Было заявлено, что они наблюдают поляризацию реликтового излучения специального b-типа. И эту поляризацию долго ждали, потому что она могла бы указывать нам на то, что в очень ранней Вселенной была такая стадия, которая называется инфляционной. Это гипотетическая стадия, мы обсудим, зачем она нужна и т. д. И эта стадия - была очень давно. Времена, о которых здесь идет речь - это 10-30 сек «от начала времен», - поэтому залезть туда никак невозможно.

И если авторы эксперимента BICEP2 действительно увидели то, что увидели, и если их интерпретация правильная, то мы смогли получить знания о физике частиц на расстояниях примерно на 13 порядков меньших, чем мы достигли на БАК. Это указание на то, что такая стадия была, и людям, которые ее предложили, наверняка вручат несколько Нобелевских премий, и среди людей, которые выдвинули эту идею, есть российские ученые.

Кроме того, мы знаем, что физика - квантовая наука, за исключением гравитации, с гравитацией у пока нас не получилось. Так вот, предлагаемая BICEP2 интерпретация означает, что квантовая теория справедлива и для гравитации тоже. Просто мы пока не умеем ею пользоваться для этой новой силы, для гравитации, а так основные принципы такие же. Поэтому это, конечно, очень важное открытие.

И в то же время к этим данным есть много вопросов, и в этом году ожидается несколько экспериментов, которые должны сообщить информацию, которая позволит как-то определиться: либо это то, что нам объявили, либо это не совсем то, что нам объявили. Поэтому все самое интересное случится в этом году.

Теперь… План лекции такой - сначала мы обсудим, что мы уверенно знаем о Вселенной, потом - что Вселенная горячая, и мы обсудим проблемы теории «горячего» Большого Взрыва, такой Вселенной, собственно, ради решения проблем которой и была предложена «инфляционная стадия».

О ней простыми словами можно сказать, что это стадия, на которой происходит «опричинивание», опустошение и сглаживание того, что было до этой стадии. А потом мы обсудим те результаты наблюдений, которые появились, и будут некие заключения с перспективами, ожиданиями. Я также более подробно расскажу о том, о чем я коротко уже сказал.

Так, что мы знаем о Вселенной? Конечно, все знают, что Вселенная расширяется, знаем это по эффекту Доплера - покраснению света от далеких источников, и в данном случае, «покраснение света» так и выглядит, что измеряются те длины волн, которые вдруг стали большего размера.

Свет стал более красным. Для описания этого явления удобно представить все, как будто есть некий масштабный фактор, вот буковка «а» на этом слайде, и все физические расстояния ему пропорциональны - речь идет о расстояниях, которые очень большие, это не расстояния между нами и Луной, не расстояния между звездами в нашей Галактике, между нами и Андромедой, а это большие, космологические расстояния.

Удобно представить себе такую картинку, что все физические расстояния изменяются пропорционально этому масштабному фактору. Введем обозначение a(Т). Сам по себе масштабный фактор не физический, как не физическое утверждение, что вы в метрах измеряете, а потом в сантиметрах, стал фактор один или сто - это не важно, физический размер остался тем же самым. В каждый момент времени этот масштабный фактор можно воспринять единицей и измерять всё в этих физических единицах. Что же физическое? Физическое - его изменение.

Есть такой параметр Хаббла, введенный астрономом Эдвином Хабблом (Edwin Powell Hubble). Его именем назван телескоп, который принес много интересных результатов, в т. ч. для космологии. Так вот этот параметр Хаббла - это скорость изменения масштабного фактора поделить на масштабный фактор. Если Вселенная никуда не расширяется, масштабный фактор от времени не зависит, этот параметр равен нулю, у нас статическая Вселенная, о которой мечтал Эйнштейн.

Но, если у нас Вселенная каким-то образом расширяется, то этот масштабный фактор - нетривиальная величина, его интересно измерять, он нам говорит о нашей современной Вселенной. Собственно, имя Хаббла возникло потому, что он определил закон, закон расширения, который выглядел вот так: расстояние до объекта пропорционально скорости удаления этого объекта.

Скорость удаления объекта измеряется через эффект Доплера и, в данном случае, тот же самый эффект, который мы все знаем, когда мы стоим на перроне, проходит мимо электричка, и частота звука сирены меняется. Таким образом, по изменению частоты - а частоту лучше всего физики измеряют - можно определить скорость движения источника относительно движения приемника. И в данном случае, такое релятивистское обобщение этого эффекта на случай фотонов, на случай света, когда частота света или длина волны - цвет, как бы сказали, если говорить о видимом диапазоне - изменяется.

По этому эффекту можно определить скорости. Например, по этому эффекту можно определить скорость вращения Земли вокруг Солнца. Мы смотрим на свет далекой звезды зимой, и мы смотрим летом, есть относительная скорость вращения вокруг Солнца, которая зимой направлена в одну сторону, летом - в другую, соответственно, зимой она сдвигает частоту в одну сторону, летом - в другую. И, какая бы ни была скорость между звездой и Солнцем, относительную скорость вращения вокруг Солнца мы измерим, вычитая эти два результата.

Здесь аналогичная вещь - мы пытаемся, измеряя частоту излучения, вычислить, с какой же скоростью двигаются те или иные объекты, в данном случае - они разлетаются от нас радиально. Здесь не очень хорошо видно, а хотелось продемонстрировать, как это выглядит на самом деле, потому что как это выглядит по одной линии сказать нельзя. Измеряют спектры (или амплитудно-частотную характеристику). Здесь, по идее, должна быть отложена длина волны в ангстремах, а здесь, так скажем, такой спектр интенсивности далеких-далеких объектов.

Химический состав галактик люди примерно себе представляют, и поэтому есть некоторые линии, излучения, в данном случае, здесь, по-моему, стоял магний и еще какие-то элементы, которые очень характеры. И что замечательно - что для недалеких этих объектов закон очень простой, линейный. И все линии должны сдвинуться на одну и ту же величину. Поэтому вы фактически уже знаете некий такой шаблон в эксперименте, мы все эти линии, все эти переходы, атомы хорошо знаем, у нас здесь, на Земле, в лаборатории.

После этого весь этот шаблон немного сдвинут на одну и ту же величину, и дальше люди берут различные спектры, сдвигают их каждый на разные величины z, получают абсолютно одинаковые спектры, совершенно одинаковых галактик, морфологически одинаковых, просто расположенных на разных расстояниях и поэтому разлетающихся с разной скорость.

И поэтому явление красного смещения, покраснения у них разное. Вот таким образом люди пытаются определять расстояние до галактик. Но, чтобы проверить этот закон, нужно, как вы понимаете, независимо измерить еще расстояния. Что нетривиально, да? Потому что, чтобы убедиться в этом законе, а Хаббл именно то и сделал - убедился в существовании этого закона, надо сказать, неправильно.

Константа, которая стоит в этом законе - сейчас тут такое число стоит, грубо говоря, 0. 7, а по его наблюдениям она была где-то 50, поэтому число неправильное и, если бы он делал такую работу в современной лаборатории на первом курсе какого-нибудь факультета физики, то его отправили бы на пересдачу. Но, вот так случилось, что люди восприняли указание, что Вселенная не статическая, а все расширяется, и, в конце концов, этот параметр носит название «параметр Хаббла».

Итак, наша Вселенная расширяется, а кроме того, второе наблюдение - она у нас однородна, изотропна. Астрономы опять смотрят в телескопы и пытаются нарисовать, изобразить трехмерную карту-структуру вокруг нас, где какие галактики расположены. Если расположить так, что каждая точечка относится к галактике, расстояние здесь измеряется в традиционных для астрономии единицах красного смещения, то видно, что, если говорить о небольших размерах, то на них бывают такие скопления, и это, конечно, неоднородность. Но, если говорить о больших расстояниях, на них Вселенная однородна, изотропна, нет никаких выделенных направлений. Как мы об этом судим? Ну, конечно, только по распределению структур. Все, что мы наблюдаем - это свет, который приходит к нам от каких-то источников, больше ничего.

Судя по тому, что этот свет приходит к нам со всех сторон, мы говорим, что, наверное, Вселенная как таковая однородна, изотропна. Еще, конечно, известный всем факт, что Вселенная заполнена горячими фотонами. Реликтовое излучение, измеренное очень хорошо, с высокой точностью, на различных длинах волн. Здесь - интенсивность, здесь - длина волны.

Вот такой вот славный спектр, очень красивый. Здесь много экспериментальных точек, и весь этот славный спектр описывается одним-единственным параметром - температурой. Это чернотельное излучение, замечательно, что не только форма, но и нормировка, (величина максимальной амплитуды), тоже фитируется этим чернотельным спектром, т. е. это, действительно, равновесный спектр, примерно 400 фотонов в 1 см3.

Это еще один факт о нашей замечательной Вселенной. Из анализа этих трех фактов можно сделать вывод, что Вселенная изотропна, расширяется и горячая. Соответственно, можно попытаться немного модифицировать те термины, к которым мы привыкли, когда обсуждаем статический Евклидов мир, где всё у нас плоское. Но есть небольшое исключение, по сравнению с обычным школьным курсом, оно состоит в том, что у нас есть некий закон «Свет распространяется со скоростью света, которая никак не меняется. Есть ограничения - предельная скорость». Соответственно, есть такое понятие, которое с этим связано - интервалы между событиями. Оно тесно связано с темой дальнейшего, с идеей об инфляции.

Есть два события. Одно событие случилось в пункте А в момент времени tА, другое - в пункте В в момент времени tВ. Могут ли эти два события быть друг с другом связаны? С учетом того, что есть самый быстрый распространитель информации - свет, эти два события могут быть связаны, если свет успеет пролететь это расстояние за время tA - tB. Если одно событие случилось, свет полетел, и мы успели сообщить в другую точку B о том, что в точке А случилось событие.

Если он это делать не успевает, события причинно не связаны. Более научная модификация этого утверждения выглядит как формула: с - скорость света; t - интервал между событиями tA - tB,, где бы они ни произошли; а х - это разница координат, расстояние между двумя точками А и В. Если вся формула вместе больше или равна 0, то это причинно-связанные события. Как только фотон долетел от одной точки до другой, в тот же момент произошло это событие.

Теперь мы это соотношение модифицируем. Как? Мы говорим: смотрите, всё однородно, изотропно, всё хорошо, всё вроде бы статично, но - немного расширяется. Все физические расстояния изменяются. Вот тогда простая модификация состоит в том, что сюда мы вносим замечательный масштабный фактор, который описывает нам, как изменяются физические расстояния, и этот масштабный фактор зависит только от времени, поскольку всё однородно и изотропно.

Это тот самый масштабный фактор, который нам определял параметр Хаббла. Вот, собственно и всё, это - основная идея. Это единственное, что мы на самом деле измеряем, потому что всё, что мы измеряем - это излучение, которое к нам откуда-то пришло. И свет, который летел в расширяющейся Вселенной, летел по этому закону, и детали его распространения позволяют определить эту буковку «а». Она сама по себе не физическая, поэтому детали распространения позволяют определить не «а», а зависимость, как эта «а» изменяется со временем.

Зачем нам это нужно? Чтобы определить состав Вселенной. Здесь потребуется общая теория относительности, в которой есть уравнение Фридмана. Александр Фридман (1888-1925) - российский ученый, сделавший замечательное открытие в послереволюционную эпоху. Уравнение Фридмана такое: физическая величина - не масштабный фактор, а параметр Хаббла, изменение масштабного фактора со временем, этот параметр определяется плотностью энергии во Вселенной.

Очень простое уравнение: буква G, которая стоит здесь, это постоянная гравитационная Ньютона, которая стоит в законе Ньютона, а «ро» - это полная плотность энергии. Все, что только есть во Вселенной, все компоненты, которые мы знаем и какие мы не знаем, дают вклад в это уравнение. Такая идея. Выводится оно из общей теории относительности Эйнштейна.

Какие компоненты мы в нем знаем? Конечно, радиацию. Или вот это самое реликтовое излучение - мы его знаем, измерили, наблюдаем, оно тоже тут стоит. Мы знаем обычное вещество - собственно, свет от него мы наблюдаем. Это то, из чего мы с вами состоим, т. н. барионы.

Оказывается, там есть еще компонент - «темная материя», еще компонент - «темная энергия», еще есть нейтрино - мы знаем, что они есть, но напрямую их еще не зарегистрировали. Много, возможно, чего еще есть, и всё это вставляется в эту формулу. И понятно, что дальше нам надо как-то их разделить между собой. Поскольку это - сумма, то, если мы просто сегодня измерим параметр Хаббла, мы ее разделить не сможем. Если мы измерим этот закон Хаббла, который там стоял, который справедлив для не очень далеких от нас объектов, мы не сможем разделить эти компоненты, мы сможем измерить полную плотность энергии Вселенной.

Полная плотность энергии Вселенной примерно такая, как, если бы в одном кубическом метре было пять протонов. Это очень легко запомнить. И это - полная плотность энергии во Вселенной. Она совсем не в протонах, но так легче запомнить. В прошлом Вселенная была плотнее и горячее, мы этого ожидаем - раз она расширяется, значит, в прошлом она была более плотной и более горячей.

И именно по этому факту мы можем попытаться определить и разделить эти компоненты. Почему? Потому что эти компоненты по-разному ведут себя при расширении Вселенной. Вот обычное вещество: барионы, пыль, просто галактики, их количество не изменяется, а Вселенная расширяется.

Масштабный фактор изменился в два раза, всё растянулось, объем увеличился в 8 раз. Плотность их в 8 раз уменьшилась. Зависимость их от масштабного фактора - 1 на масштабный фактор3, такая вот степень стоит. Радиация - с ней было бы то же самое, но, поскольку тут квантовый дуализм - фотоны имеют длину волны, длина волны - физический параметр, тоже изменяется, тоже «краснеет», то для радиации закон другой: 1 на масштабный фактор4. Частота тоже падает, изменяется - не только полное число частиц из-за того, что Вселенная расширяется, но еще и частота.

Итак, у этих двух компонент разная зависимость от масштабного фактора. И теперь понятно, что, если мы умудримся измерить параметр Хаббла в прошлом и измерить, как он изменяется со временем, то мы сможем разделить эти компоненты. Потому что у них разная зависимость от масштабного фактора и разная зависимость от времени. В этом состоит идея, собственно. Теперь - что значит «увидеть, измерить в прошлом»? «Измерить в прошлом» - значит «посмотреть очень далекий объект».

В данном случае «далеко» означает и «давно». Потому что мы измеряем тот свет, который к нам прилетел, а испущен он был когда? Чем больше этот фотон пролетел. Поэтому идея состоит в том, что мы пытаемся пронаблюдать, как изменялся закон распространения фотонов для фотонов, испущенных вчера, позавчера, миллион лет назад, миллиард, пять миллиардов лет назад. Определим из результата функцию и отсюда поймем, как же распределяется полная плотность энергии по этим разным компонентам. Наверное, за исключением радиации - тут мы современную плотность энергии, связанную с реликтовыми фотонами знаем из предыдущих утверждений: мы точно знаем частоту, мы точно знаем число фотонов, точно знаем эту величину.

Что мы точно знаем из всего этого? Что Вселенная такой и была. В прошлом она, действительно, была горячей, действительно была заполнена релятивистскими частицами. Примерно до температур в энергетических единицах порядка МЭВа. Температура в энергетических единицах порядка МэВов - это когда энергия такая, что электрон становится релятивистским. Масса покоя электрона чуть меньше, пол-МэВа, и это означает, что они в плазме такие релятивистские, для них нужно полностью использовать формулы специальной теории относительности для описания движений их частиц. Это мы знаем потому, что у нас есть наблюдаемая, которая относится прямо к той эпохе. И наблюдаемая - это распространенность первичных химических элементов.

Астрономы могут наблюдать облака вдалеке от областей последующего звездообразования, соответственно, ожидаемый химический состав этих облаков остался первичным. Он не портился в процессе последующих пертурбаций. Как они измеряют - опять-таки, измеряют спектры излучения из этих облаков, и по тому, сколько там линий гелия, лития, бериллия - интенсивность - они понимают, какой относительный состав этого облака.

В данном случае, вот здесь отложены относительные составы, приведены соответствующие числа. Наблюдения - это такие вот линии. И есть предсказание. А предсказание из физики частиц. Физика частиц - мы считаем, что знаем ее в лаборатории. Считается, что это - та же самая физика частиц, абсолютно та же самая. Мы просто распространяем эту физику на ситуацию, когда у нас есть плазма с температурой порядка МэВ. Вселенная расширяется, температура падает, и у нас происходит образование первичных химических элементов.

В плазме есть протоны, нейтроны и фотоны, температура падает, плотность падает - и протоны с нейтронами начинают образовывать первичные химические элементы: дейтерий и дальше. Темпы этих процессов - еще раз мы верим, что знаем из лабораторных исследований здесь, на Земле. Что мы не знаем и что конкурирует с этими темпами - темп расширения Вселенной. А он дается нам параметром Хаббла. А параметр Хаббла определяется полной плотностью плазмы. Поэтому отсюда мы знаем плотность плазмы, так вот, отсюда мы можем измерить этот параметр.

Кроме того, еще один параметр, который отложен по этой оси - это т. н. барион-фотонные отношения. А одна из проблем, которую мы с вами здесь не будем обсуждать, но которую нужно упомянуть, состоит в том, что мы с вами состоим из вещества, из материи, из барионов. А анти-барионов, анти-вещества - нету. И в столкновениях на Большом адронном коллайдере рождаются и те и другие, в равном количестве, а у нас с вами та, вторая часть, куда-то делась. Когда делась - мыслится, что когда-то в ходе эволюции Вселенной.

Как это произошло - мы не знаем, но, судя по тому, что здесь представлено, мы точно знаем, что это барион-фотонное отношение должно быть на уровне 10-10- 10-9 - это отношение концентрации барионов к концентрации фотонов. На каждый один протон приходится миллиард фотонов такой плазмы. Это - наша Вселенная. Мы знаем, что такая непонятная ситуация была, по крайней мере, с эпохи первичного нуклеосинтеза, первичного создания химических элементов, потому что наблюдения и теория с этим единственным параметром барион-фотонного отношения славно сходятся одно с другим.

И вот тут есть результаты из нуклеосинтеза, а вот здесь результат из измерения анизотропии реликтового излучения. Вот тут есть перекрестия одного с другим - это измерения того же параметра в эпоху реликтового излучения, мы видим, что они отлично друг с другом совпадают. Поэтому здесь всё сходится и из всего этого вывод - что, по-видимому, наша Вселенная была горячая, по крайней мере, с эпохи 1 МэВ, с эпохи начала процесса образования химических элементов. Были ли более высокие температуры во Вселенной - мы не знаем, но такие температуры точно были.

Теперь - как мы измеряем параметр «а», как мы измеряем эту величину. Мы уже сказали, что единственное наблюдение у нас - это излучение. Отовсюду к нам летит разное излучение, и мы пытаемся понять, что же происходило с этими несчастными фотонами, пока они летели по расширяющейся Вселенной? Типичные примеры измерений, которые люди делают - они должны быть понятны любому обывателю, это те же самые способы, которые мы используем, когда пытаемся измерить расстояние до объекта, до которого мы не можем физически дойти с рулеткой.

Один способ: если мы знаем физический размер предмета, например, футбольный мяч. У него не ГОСТом, а ФИФА установлен радиус. Если он удален от нас на какое-то расстояние, мы можем измерить угловой размер, под которым мы видим этот мяч. Нам нужно знать, что мы видим мяч, и его физический размер такой-то, И дальше - по окраске, мы говорим, что видим футбольный мяч, у него такой-то размер и под таким-то углом он виден и находится на расстоянии, допустим, 45 километров.

Во Вселенной точно такая же история. Галактики имеют более-менее один и тот же размер. У разных галактик он разный. Чтобы его знать, надо измерить спектр, понять по нему, что это за галактика. В общем, сообразили. После этого мы измеряем угловой размер и по этой формуле определяем расстояние, которое к нам летел фотон. А фотон летел не абы как, а в расширяющейся Вселенной. Он летит к нам, а Вселенная расширяется, т. е. , ему приходится пролететь большее расстояние, чем нужно. Потому что точка испускания фотона и точка регистрации, где мы с вами сейчас находимся, за это время удалились друг от друга. Формула модифицируется, но идейно это именно такое наблюдение.

Другое наблюдение. Предположим, мы с вами знаем, как размер объекта изменяется со временем. Знаем из какой-то другой физики. Или это такой размер, что изменяется пропорционально масштабному фактору. Но этот закон изменения со временем мы знаем. Мы смотрим за объектами, которые находятся от нас на разных расстояниях, на разных красных смещениях, а значит, это объекты, которые мы как бы сфотографировали в разные времена. И опять - измеряя угловой размер такого объекта, зная время или по красному смещению, мы можем проверить этот закон. В буковку l входит вот эта функция.

И примером такого наблюдения за структурами, за тем, как распространены галактики и скопления галактик вокруг нас, здесь фигурируют т. н. «Сахаровские осцилляции», они вот здесь, и анизотропии реликтового излучения - тот факт, что фотоны реликтового излучения, которые к нам прилетают, имеют немного разные температуры - это тоже входит в такого вида наблюдения.

И еще один - тоже понятный - способ измерения. У нас есть лампочка 40 Вт, мы знаем, что она 40 Вт. Она висит у нас на каком-то расстоянии, мы измеряем поток света этой лампочки, и, поскольку свет в обычном мире распространяется по сфере, мы точно знаем о падении этого потока, точно знаем, на каком расстоянии находится лампочка. Т. н. «стандартные свечи». Закон этот немного модифицируется, изменяется время, энергия, но, тем не менее, это такой же закон. И вот таким способом люди измеряют a(t), как она изменяется, и определяют состав Вселенной.

За последние 10 лет две Нобелевские премии по физике непосредственно относятся к этому роду измерений. «Анизотропия реликтовых излучений» - 2006 год, и «Ускоренное расширение Вселенной или темная энергия» - 2011 год, это стандартныесвечи -- сверхновые. Результат такой: здесь на графике отложены величины, которые называются «относительный вклад той или иной компоненты в полную плотность энергии», вот здесь вклад материи полный, это наше с вами вещество, которое мы знаем, и еще некое гипотетическое вещество, которое точно так же ведет себя с точки зрения расширяющейся Вселенной. Ей, Вселенной, все равно.

Вот эта компонента, чья плотность энергии ведет себя при расширении как единица на масштабный фактор в кубе (1/масштабный фактор3), потому что, само по себе число таких частиц не меняется. Это стабильные элементарные частицы, это галактики, кирпичи - ей все равно, главное - этот закон. И из Вселенной такое вот число. При этом «темная материя» - это 25% и еще 5% - это наше вещество, которое мы с вами реально видим. Т. е, реально мы видим только 5%, а 25% - бог весть что, называется «темной материей», ее ищут, а еще 70% - это такая «темная энергия».

Это вообще очень странная компонента, которая не изменяется при расширении Вселенной. Вселенная расширяется, а плотность и энергия этой компоненты никак не изменяется. Очень странная компонента, нигде в физике частиц она не встречается. У нас с вами, когда мы обсуждаем механику, всегда тело падает с высоты h. С этой высоты относительно чего? Ну, относительно стола, допустим. Стол у нас - 0. Вот высота h. А можно было бы сказать «тело падает с h+50, пролетает расстояние h».

Не важно, где выбран уровень нормировки, уровень отчета, от которого вы отсчитываете. Когда у нас с вами в розетке напряжение, там есть «фаза» и 0. Где выбрал 0 - не важно, важно, какой перепад между одним контактом и вторым контактом. Именно этот перепад может убить. И так всегда. Лампочка излучает, светится, и какой-нибудь переход в квантовой механике из одного уровня на другой - не важно, чему равна величина уровня, важно, чему равен переход. Разность энергий, которые приобрел или отдал атом - вот это важно. Переход. А тут оказывается, что важно само число.

Сейчас эта компонента - это как будто полная плотность энергии, такой гипотетической, которая не изменяется. Самая такая настоящая. Она не чувствует даже фактор расширения Вселенной. В физике частиц такой компоненты нет. Что это такое - непонятно, поэтому опытов в физике частиц по поиску такой компоненты нет. Почему я так долго об этом говорю? Сейчас поймете. Коль скоро эта компонента - константа, то в будущем: Вселенная расширяется, радиация падает как масштабный фактор в четвертой степени. Ушла в ноль. Обычное вещество тоже падает как 1/масштабный фактор3, тоже нет его. Осталась только эта компонента. Константа. Постоянная плотность энергии - осталась.

Тогда, если мы посмотрим на это замечательное уравнение Фридмана, то что получается? Темп расширения Вселенной с этой стороны будет константой. Темп - постоянный, это изменение масштабного фактора со временем, решение этого уравнения - экспоненциальное расширение. И в принципе, это - инфляция.

Такое «дежа вю» случилось, потому что исторически эту константу ввел Эйнштейн, пытаясь сделать Вселенную наоборот, не экспоненциально расширяющейся, а статической, найти статическое решение. Потом от нее отказывались, потом она считалась равной 0, потом такого типа решение - а на самом деле, это инфляция, в ранней Вселенной, вроде сейчас это подтверждает эксперимент BICEP2, по поводу которого, собственно, мы с вами собрались. Но та стадия, на которую мы сейчас выходим, очень похоже, что выглядит таким же образом. Экспоненциальное расширение с характерным временем порядка 15 млрд лет.

Тут, конечно, должно наблюдаться много всяких интересных явлений. Расстояние между нами и Луной, расстояние между нами и Андромедой (это галактики, гравитационно связанные друг с другом), конечно, не будут изменяться. Но расстояние до всех остальных объектов, конечно, будет экспоненциально увеличиваться, и, в конце концов, мы их перестанем видеть. Такая вот судьба, если, действительно, такая компонента в нашей Вселенной сегодня доминирует. 70%. Пока все сходится.

Хотелось бы еще отметить один факт: тут все разные наблюдаемые, эта сверх-новая - одна Нобелевская премия, вторая Нобелевская - это реликтовое излучение - вот такая плоская линия идет, что это такое. Это наш мир, как трехмерное многообразие можно воспринимать себе… Вообще-то, точка зрения, что Вселенная однородна и изотропна, может быть реализована, если мир - сфера, гиперболоид или плоскость. Но вот плоская линия - это ситуация, когда мир - абсолютная плоскость. Наблюдения по анизотропии реликтовых излучений показывают, что мы, по-видимому, очень-очень плоские. В точности это утверждение проверить будет нельзя.

Представим себе, что мы - муравьишки на воздушном шарике, который очень хорошо надули, так что радиус кривизны по сравнению с размером муравьишки очень-очень большой. Муравьишки ползают, и, конечно, для них поверхность выглядит плоской. Они никогда не смогут убедиться, что это - сфера, а не плоскость. Мы пока в такой ситуации находимся и, возможно, будем находиться в такой ситуации бесконечно долго. Но, если это инфляция, то, даже если мир был кривой, этот радиус кривизны или размер шарика экспоненциально большой. Это такое общее предсказание этой теории.

А теперь - вот такой у нас современный состав, такое у нас будущее, если это темная энергия с такими свойствами, как сейчас кажется, это такой «набросок» истории Вселенной. Теперь мы обращаемся в прошлое. А здесь вот температура - 2. 7 К - известная температура реликтового излучения. А сюда - это более плотная Вселенная, более ранние времена. С этой стороны отложено гипотетическое время. От момента гипотетического Большого взрыва.

Что это такое? А вот что. Если я возьму уравнение Фридмана, которое мы с вами там нарисовали, и попытаюсь его решить, задам себе вопрос: если сегодня такой темп расширения Вселенной, сколько жила такая Вселенная? Выяснится, что такая Вселенная имеет конечный возраст, отсчитываемый от момента, когда плотность энергии в этой Вселенной обращается в бесконечность. Вот это решение допускается такое начальное условие, и от этого момента отсчитывается время.

Но время устроено так, что, если говорить о 14 млрд лет, то эпоха, про которую мы совершенно точно знаем, что она была -- первичный нуклеосинтез, создание первых химических элементов -- отвечает по времени эпохе 1 сек. Поэтому этот возраст набирается на эпохе с понятной нам физикой, а все, что раньше - это такая одна секунда, за всю эту секунду прошло очень много физических процессов. Область энергии, которая сейчас стала доступной на БАК, за предсказание бозона Хиггса была вручена Нобелевская премия 2013 года, у вас была года полтора назад лекция В. А. Рубакова на эту тему.

Масса этой частицы примерно такая - 100 ГэВ, примерно в 100 раз тяжелее протона, и эпоха, к которой относится динамика этой частицы - это такой электрослабый фазовый переход, время 0. 1 нсек. А то, что мы сейчас обсуждаем, это вот в эту сторону. Еще раз скажу, что такая интерпретация экспериментальных данных, которые получил эксперимент BICEP2, это время в этих единицах, время примерно 10-35 сек, т. к. это вообще где-то вот здесь.

О чем идет речь? Речь идет о том, что такая вот «горячая» Вселенная с какого-то момента начиналась, и начинаться должна не с этого гипотетического момента, когда плотность энергии была бесконечна, а с какого-то другого. Вот эта предыдущая стадия получила название «инфляция», а между инфляцией должна еще быть стадия «разогрева» Вселенной, и вот к этому этапу обсуждения мы с вами сейчас переходим.

Переходим через проблемы Большого Взрыва, что нам не нравилось в «горячей Вселенной».

Ну, подумаешь, что-то обращается в бесконечность, а мы понимаем, что бесконечности не бывает, и отойдем от этого момента немного. Да, еще раз скажу такой общий момент: спрашивают, когда говорят про Большой Взрыв: «А где был центр?» Если Вселенная такая, какой мы ее сейчас видим - плоская, то никакого центра не было. Даже, если посмотреть на этот мир откуда-то сверху - центра не было.

Вот мы смотрим на поверхность стола и понимаем, что этот стол можно представить себе как плоскость, продолжающуюся во все направления бесконечно, теперь эта плоскость начинает «собираться», становится более плотной. Но она по-прежнему бесконечна. В тот момент, когда плотность становится бесконечно большой, случается Большой Взрыв. От этого центра взрыва нет по-прежнему. Или - вот есть у нас воздушный шар, а мы - муравьишки. Воздушный шар расширяется, а центра у воздушного шара нет. Муравьишка не знает, что у шара внутри - пустота, муравьишка ползает только по сфере. Центра нет. И вот здесь тоже - взрыв был, а центра нет.

Теперь какие проблемы? Их больше, чем достаточно. Мы знаем только 5% из того, что нас окружает, а остальные 95% - это неизвестно, что. Да и как 5% образовались - мы не знаем, потому что 5% - это частицы, а античастицы куда-то пропали. Поэтому это очень большая загадка, но вопросы, которые мы будем обсуждать здесь - они основные. Откуда взялись и что такое - начальные флуктуации или неоднородности в распределении вещества, и проблемы горизонта энтропии и плоскостности.

Мы с вами обсудим только проблему горизонта, но сначала про неоднородности. Мы сказали, что Вселенная однородна, изотропна, на больших масштабах, если посмотреть на картинку, то в среднем одно и то же количество галактик в объемах характерного размера 100 млн световых лет, например. Но в то же время мы видим, что есть галактики, а есть пустоты, там нет ничего. Т. е. , на малых масштабах вещество распределено неоднородно. Это как-то должно было случиться, причина этого - пока загадка.

Кроме того, мы смотрим на анизотропию реликтового излучения - что это такое? Это небесная сфера, в которой, условно называя, «в каждой точке» эксперимент измерил вот этот самый «чернотельный спектр». И спектр оказался действительно «чернотельным», все, как положено, но температура немного другая. Немного - на уровне 10-4 - 10-5. В относительных единицах. Немного разная температура. Вот здесь цветом обозначены эти пятна. Синие и желтые. Есть такие флуктуации в температуре.

Какие объяснения - откуда взялись эти пятна? Реликтовые фотоны у нас пришли от эпохи т. н. рекомбинации, когда образовывался водород. В более плотной Вселенной, в более ранней Вселенной в плазме есть фотоны, электроны и протоны. Летают, рассеиваются друг на друге. Вселенная расширяется, полная плотность падает. И в какой-то момент электроны с протонами образуют водород, который уже не разбивается фотонами. Они охладились настолько, что уже нет энергичного фотона, чтобы ударить по этому водороду и его разбить. Водород остался, а фотонам теперь уже не на ком рассеиваться.

Электронов и протонов поровну, никаких заряженных частиц в такой плазме нет, и фотоны полетели. И они долетели до нас, это и есть замечательное реликтовое излучение. И теперь простое объяснение тому факту, что с разных направлений мы видим разные температуры. Немного, но разные. Мы говорим, что там было немножечко побольше, а тут - немного поменьше электронов, поэтому рекомбинация здесь или там произошла немного попозже, немного пораньше. Поэтому температура фотонов, которые отщепились, немного разная. Вот такое объяснение.

Немного разное количество электронов в этом месте по сравнению с тем местом. Есть такие неоднородности в распределении электронов и, соответственно, фотонов и протонов. Что с ними стало? А вот что: когда у нас с вами образовался водород, Вселенная разделилась на компоненты. Фотоны сами по себе летают, водород - сам по себе. Водород вообще нейтральная частица.

Вот теперь представим себе ситуацию, что у нас с вами где-то лежат шарики, и где-то шариков немного побольше. Шарики друг друга никак не чувствуют за исключением гравитационных взаимодействий. Гравитационное взаимодействие дальнодействующее. Сила падает как единица на расстояние между двумя шариками - это одно свойство. У электромагнитных взаимодействий такое же свойство. А второе интересное свойство, отличающее его от электромагнитного в том, что там нет зарядов отрицательного знака. В случае с электричеством у нас есть электроны и позитроны, положительные заряды и отрицательные заряды. А в гравитации такого нет, все друг друга притягивают. Это - источник нестабильности.

Представим себе картинку: в зале шарики разложены, все на одинаковом расстоянии друг от друга, аккуратно выверены. И вдруг в одно место положили еще один шарик. Там гравитационный потенциал больше, там сила гравитационная больше, туда все шарики и начинают двигаться. Там шариков становится еще больше, сила еще больше, они еще туда слетаются. В конце концов, там образуется, если говорить о расширяющейся Вселенной, будущая галактика. Эта область настолько притягивает эти шарики друг к другу, так что они «забывают» о том, что Вселенная расширяется, что их сила гравитационного притяжения больше, чем сила, которая их расталкивает, и так образуются галактики и скопления галактик. И эти галактики и скопления галактик мы можем пересчитать.

Сколько больших, сколько маленьких. И они все пришли из этих первичных флуктуаций. Это те же самые флуктуации, которые мы видим здесь на картине анизотропии реликтового излучения. И, если учесть еще, что, помимо водорода в ранней Вселенной были частицы «темной материи», которые, считается, с фотонами не взаимодействуют и поэтому для них еще раньше наступил процесс «скучивания», образования группировок будущих прото-галактик, то картинки одна с другой замечательным образом сходятся. Т. е. , величина этих неоднородностей, измеренная по анизотропии реликтовых излучений и по распространенности структур - ну, вот здесь какой-то такой график представлен, пытающийся это дело проиллюстрировать, - сходятся замечательно, совершенно отлично.

Амплитуда одинаковая, величина этих неоднородностей несколько больше - 10-4, сходятся отличным образом. Причем, у этих неоднородностей еще есть такое интересное свойство: эти неоднородности так устроены, в них нет выделенного масштаба. Если пользоваться какими-то спектральными характеристиками, представить себе эти неоднородности в виде вклада неоднородностей различных длин волн, как какую-то звуковую волну или звук мы можем разложить по гармоникам, если этот звук пришел, например, от гитары. Вот такая гармоника, вот такая, вот такая.

Так вот здесь нет выделенных гармоник. Все дают одинаковый вклад, т. н. «плоский спектр». Выделенного масштаба никакого нет. Такое свойство этих неоднородностей. Почему они такие, откуда взялись - ответа нет. Нет генератора таких неоднородностей в стандартной физике частиц и стандартной космологии такой «горячей» Вселенной. Но, если их заложить, сказать, что в самом начале в эту эпоху Большого взрыва они были с такими чудными свойствами, тогда все отлично сработает. Все замечательным образом сойдется, предскажется и будет самосогласовано. Но откуда они взялись - непонятно. Это - одна из проблем.

Вторая проблема - фундаментальная проблема «причинности». Вот мы говорим, что Вселенная на больших пространствах и масштабах изотропна, а почему это так? На самом деле - это загадка, сейчас объясню, почему. Тут мы этот момент уже обсуждали, что значит «причинно-связанные»: если произошедшее в момент tА в пункте А, может повлиять на события в пункте В в момент tВ. Не может, если свет не успеет пролететь расстояние. Если выполняется такое условие: если расстояние между двумя объектами больше, чем скорость света, умноженная на разность времен. Это причинность, к которой мы привыкли и, несмотря на все попытки теоретиков, а физика - наука экспериментальная, пока, вроде, причинность в физике у нас не нарушается. Это - в обычном мире. Но это понятие в общем случае расширяющейся Вселенной, как мы говорили, обобщается, в формулы должен войти масштабный фактор.

Тут представлены некие строгие формулы, но суть очень простая: вводится понятие космологического горизонта, это расстояние, которое прошли фотоны, испущенные в гипотетический момент Большого взрыва. Была эта маленькая точечка, которая потом расширилась до размеров нашей Вселенной, и вот в этот момент мы испустили фотоны. Весь возраст Вселенной фотоны летели куда-то. Это расстояние, которое они пролетели, это размер причинно-связанной области. Расстояние, куда они не могли долететь - там может быть все, что угодно. Причинно не связанные области.

Если Вселенная не расширяется, то фотон, который пролетел время t, покрыл расстояние S=vсвета х t. Это - размер причинно-связанной области. Теперь представим себе, что у нас фотон - в расширяющейся Вселенной. Вселенная расширяется и немного «оттаскивает» фотон от той точки, из которой он вылетел. Она ему помогает лететь. Поэтому за то же время в расширяющейся Вселенной расстояние, которое фотон пролетел, немного больше. Фактор 2-3х t. Здесь я еще букву c пропустил, скорость света должна стоять. Но, тем не менее, этот размер (его еще называют размером горизонта), линейно зависит от времени. Понятное дело, потому что это просто летит фотон. И это размер видимой части Вселенной. Давайте теперь представим себе, что мы с вами регистрируем фотон.

Откуда он мог прилететь? Самый-самый ранний момент времени - это вот этот. Это - самое большое расстояние, которое мы в состоянии ВИДЕТЬ, это называется «размер видимой части Вселенной». Вселенная, может быть, и больше. Если она плоская, то она бесконечная. Но то, что мы видим, это (именно) вот такое расстояние, не больше, не меньше. В чем же проблема? А вот в чем: дело в том, что тот размер, который мы видим, он растет линейно со временем. А физический размер - мы говорили, расстояние между двумя точками - изменяется пропорционально масштабному фактору. Мы так его ввели с вами. А этот масштабный фактор изменяется со временем медленнее.

Если говорить о Вселенной, заполненной радиацией, «ультра-релятивистским веществом», это на самом деле, Вселенная всего-то с температурой выше, чем 1эВ, 0. 1 ридберг. Это совсем ерунда - 10-6 массы электрона, если говорить в энергетических единицах. С тех пор Вселенная расширилась в 3000 раз. В более ранней Вселенной доминируют релятивистские частицы, радиация, и там масштабный фактор вот так себя ведет. В более поздней Вселенной, например, когда у нас рекомбинация произошла, там доминирует обычное вещество: барионы, темная материя, и там масштабный фактор ведет себя как время t2/3.

Как бы то ни было, физические размеры растут медленнее, чем растет горизонт, чем растет причинно-связанная область, чем растет область, которую мы физически можем наблюдать, которую мы видим. И с этим связана важная проблема, давайте ее обсудим. Смотрите: например, реликтовое излучение. У нас случилась рекомбинация - образование водорода в какой-то момент времени. Вот у нас размер причинно-связанной области в ту эпоху, или видимой Вселенной в ту эпоху.

И мы считаем, что в этой области Вселенной одновременно случилась рекомбинация. Образовался водород, фотоны полетели во все стороны. Температура там более-менее одинаковая, забыли про эти маленькие флуктуации, они здесь не по делу. Это - размер причинно-связанной области, здесь мы можем говорить, что какое-то явление произошло одновременно.

Теперь что происходит с этим размером? Этот размер, размер причинно-связанной области эпохи рекомбинации, как всякий физический размер эволюционирует дальше, увеличивается, Вселенная расширяется с масштабным фактором. Да, линейно с масштабным фактором, а, значит, со временем как t2/3. А видимая область - или размер горизонта, размер причинно-связанной области - растет линейно со временем.

Это значит, что гипотетический наблюдатель, которого мы туда поставим, в следующий момент времени увидит области, которые в эпоху рекомбинации не были причинно-связанными. И нормальный наблюдатель ожидал бы, что температура там будет другой. Фотоны, которые оттуда прилетят, их температура будет другая, потому что в той области рекомбинация случилась в какой-то другой момент времени. Ведь области причинно не связаны между собой.

Сегодня мы таких областей видим на небе примерно тысячу. А температура везде одинакова. Вот эти маленькие флуктуации - здесь это не то, тут человек ожидал бы изменения температуры на фактор 10, 100. Эти области совсем причинно не связаны между собой. Это совершенно не понятно. Что с этим делать - люди не знали, но предложили следующую идею. Инфляция: опричинивание, опустошение, сглаживание.

Идея следующая: если у нас как-то не получается с причинностью, появляются области, которые имеют одинаковую температуру, а были причинно-несвязанные, в рамках этой теории гипотетического Большого Взрыва «горяей» Вселенной, значит, давайте, мы эту причинность «наведем» между этими областями, но только до того, как эта Вселенная была «горячая».

Представим себе, что перед «горячей» Вселенной была какая-то другая фаза, и в этой фазе расширение Вселенной было устроено так, что очень большие области стали причинно-связанными. Простейший вариант - вы предполагается стадию экспоненциального расширения, на какой мы вроде бы сейчас находимся. Представим себе, что до этой стадии Вселенную вдруг экспоненциально расширили, увеличили. А то, что мы сегодня видим - это маленькая область этой экспоненциально большой Вселенной. Сначала так расширили, а потом она вышла на «горячую» стадию и стала развиваться так, как мы обсуждали. Тогда нет ничего удивительного в том, что мы начинаем видеть области, которые не были наивно причинно-связаны в ту эпоху, потому что они причинно связались до «горячей» эпохи, раньше этого.

Такая идея - предложить не в этот момент, а раньше. И вот на этой «ранней» эпохе эта проблема была решена. Выглядит это так: Вот это - какое-то расстояние, вот это - ось времени, вот мы смотрим сегодня на небо, видим такую область, из которой температура везде одинакова, а вот эти маленькие области, которые были причинно-связаны в рамках этой теории «горячего» Большого взрыва, и мы удивляемся, почему это они дают нам здесь одну и ту же температуру.

Теперь мы говорим, что до этого момента у нас было такое: здесь конусы такие, это как свет распространяется. Вот он из точки вылетел, полетел сюда, полетел сюда, идет время, фотоны друг от друга удаляются. Вот это - размер причинно-связанной области, по которой фотон пролетел к этому времени. Идея состоит в том, что давайте мы до этой эпохи придумаем такую эпоху, которая «из мухи делала бы слона». Из маленькой области, вопрос о причинной связанности которой мы не задаем, предположим, это такая гипотетическая область планковского размера, такая совсем маленькая, самый такой квант расстояний.

В результате экспоненциального расширения он увеличился и стал таким большим, что то, что мы с вами сегодня видим - это, на самом деле, маленькая часть всего этого. Если такую идею себе позволить, тогда нет проблемы этого горизонта, нет проблем никакой сингулярности - кстати говоря, тоже потому, что экспоненциальное расширение (и) никакой бесконечной плотности не было. Еще предсказание состоит в том, что Вселенная совершенно плоская. Если и были какие-то «неоднородности», то в ходе большого, чудовищного расширения, все они сгладились. Все стало абсолютно плоским, без «особенностей». Такая абсолютно белая стена.

Тут можно сделать некие замечания: простейший вариант, который такую «штуку» реализует - это то, что мы сегодня обсуждали, возможно, то, на что мы вышли: Вселенная, в которой доминирует постоянная плотность энергии. Тогда, как мы говорили: берем уравнение Фридмана, определяем параметр Хаббла - это темп расширения, темп расширения постоянный, имеем экспоненциальное расширение. Идейно подходит. Но что не подходит - это то, что, если это константа, то она будет константой всегда. А мы с вами строим некую гипотетическую фазу, которая была до теории «горячего» Большого взрыва.

Была эта фаза или нет, мы не знаем, а то, что мы знаем - это то, что есть «горячая» Вселенная, начиная по крайней мере примерно с температуры 1 МэВ. Нам из этой фазы нужно как-то выйти, поэтому совсем константой это быть не может, инфляция должна когда-то закончиться, другими словами. Это мы точно знаем. Когда она должна закончиться? Самое минимальное требование, которое мы можем наложить - что после инфляции, когда Вселенная «разогреется», температура должна быть хотя бы несколько МэВ - мега-электрон вольт - потому что мы видим, что предсказания первичного нуклеосинтеза в предположении, что Вселенная была горячей, по крайней мере, с этой эпохи, отлично сходятся с наблюдениями.

К слову сказать, то, что сейчас пронаблюдали в эксперименте BICEP2, если это правильно, то это отвечает температуре примерно 1025 эВ. Вот настолько больше, если это всё правда. Теперь - раз инфляция должна когда-то закончиться, то сколько она длится? Вообще-то, конечно, мы не знаем - стадия гипотетическая. Но мы знаем минимальное требование на инфляцию, которое должно быть, оно заключается в том, что ту область Вселенной, которую мы называем «видимой Вселенной», в ней процесс опричинивания должен был случиться. Т. е. , в самом начале времени должна быть стадия, которая расширила то, что сегодня называется нашей Вселенной до такого расстояния, которое нам необходимо, чтобы сегодня нам говорить о расстоянии в 1028 см. Это минимальное требование говорит нам, что масштабный фактор в эту эпоху должен увеличиться не меньше, чем 1030 раз. Этот фактор соответствует инфляционному времени примерно 100 обратных Хаббловских темпов, и, если соотнести к той величине, которая сегодня согласуется с наблюдениями, (если это правильная интерпретация), то это примерно 10-36 сек. Это - минимальное требование на время. Достаточно 10-36 сек, чтобы всё объяснить.

В реальности, конечно, странно предполагать, что, если вы такую стадию себе сделали, такого экспоненциального безудержного роста, то этот рост продолжался ровно столько, чтобы объяснить то, что мы сегодня с вами наблюдаем. Наверняка это не так, если уж этот безудержный рост шел, так он и шел, и поэтому Вселенная, на самом деле, расширилась (увеличилась), раздулась в заметно большее количество раз, чем 1030. И так в моделях, которые люди предлагают, чтобы реализовать такую стадию, и происходит. Реализаций такой идеи сколько угодно!

Тут играет ключевую роль аналог такого же объекта, как поле Энглера- Браута-Хиггса, квант которого был найден, и за которое Энглер и Хиггс получили Нобелевскую премию (2013), некое скалярное поле, можно сказать, бозонный конденсат. Простейший объект -- одна степень свободы. Вот ее динамика - сначала медленная эволюция, а потом - быстрая - приводит к тому, что сначала у нас во Вселенной постоянная плотность энергии, поле никуда не девается, а потом оно медленно начинает эволюционировать, так сказать, и Вселенная с этой стадии сходит. Реализуется какая-то другая эпоха.

Конкретных реализаций очень много, и первые идеи были предложены Алексеем Старобинским и Андреем Линде. Старобинский живет в стране и работает, Линде уехал в США еще в советское время. Алан Гус (Alan Guth), Пол Стейнхард (Paul Steinhardt), Нейл Турок (Neil Geoffrey Turok) - это американские, британский и южно-африканский ученые. Время, когда всё это появилось - примерно 1980-е.

Сейчас такое было бы невозможно, потому что сейчас, когда люди что-то предлагают, публикуют - это появляется в виде статьи и тут же появляется в Интернете и ясно, что данный человек вот это придумал. Тогда Интернета не было, были журналы, но идея носилась в воздухе и поэтому сразу несколько людей внесли свой вклад в развитие того, что сегодня формулируется как инфляция. Если подтвердят, то Нобелевская премия за неё будет.

Теперь смотрите - общие утверждения. Если у вас такая стадия, когда шарик экспоненциально увеличился, раздулся - все, что на этом шарике было нарисовано, все растянулось. Всё, что было до того - оно разлетелось. Если были какие-то две частицы, две галактики, они разлетелись друг от друга на экспоненциально большие расстояния. Если мы с вами посмотрим на какую-то область - эта область абсолютно пустая, там нет ничего, это абсолютное уничтожение истории, полное. Просто сожгли все книжки, ничего не осталось.

Более того, по этой идеологии задавать вопрос «А что было до этой стадии?» в каком-то смысле бессмысленно. Все следы замыты, наблюдаемых никаких нет, а значит, физически вопрос поставить нельзя. Философски - пожалуйста, а физически - тяжело задать. Так вот, никаких следов нет. В этом смысле, проверять нечего, за исключением наблюдения, которое было сразу понято: нет вклада кривизны.

Если наш мир - это не плоскость, а шарик или гиперболоид, сфера, то после экспоненциального раздувания для муравьишки на такой сфере все равно, что на плоскости. Любой кусочек абсолютно плоский, с экспоненциальной точностью. И все наши наблюдения, которые мы сегодня тут пытаемся сделать, «нащупать» кривизну, ни к чему не приведут. Предсказание в этой идее, которое можно проверить, единственно фундаментальное, состоит в том, что кривизны нет. Мир - плоский.

Но хотелось бы, конечно, что-то еще, потому что так это просто идея. И «что-то еще» замечательным образом оказалось связано с этими неоднородностями. С одной стороны, я сказал, что это - такая стадия, она всё «заметает», ничего не остается, из предыдущей эпохи всё пропадает. С другой стороны, чудесным образом выяснилось, что в этом же процессе рождаются те самые неоднородности, которые нам нужны, для того, чтобы объяснить анизотропию реликтового излучения и структуры, которые мы с вами видим. И тут связь квантовой и классической теорий.

Смотрим за тем же самым скалярным полем типа хиггсовского, типа Энглера- Браута-Хиггса, которое, в данном случае, отвечает за эту инфляцию и называют его «полем инфлатона». И смотрим в нем квантовые флуктуации.

У Хиггса уже нашли квантовые флуктуации, и здесь тоже смотрим флуктуации. Вакуумные. Реальных частиц нет, есть только вакуумные флуктуации, квантовые. История этих флуктуаций такая: Вселенная экспоненциально расширяется, смотрим какую-то флуктуацию с длиной волны λ. Т. к. Вселенная расширяется, то длина волны тоже экспоненциально увеличивается. Величина этой флуктуации - амплитуда - экспоненциально падает. Всё нормально, всё понятно.

Так происходит до тех пор, пока, так скажем, частота этой флуктуации - обратная длина волны - не станет порядка темпа расширения Вселенной (Вселенная расширяется, что характеризуется параметром Хаббла). И в этот момент происходит чудо, а именно: длина волны по-прежнему продолжает расти, а амплитуда «замораживается». Т. е. , картинка такая: вот какая-то длина волны, вот такие у нас бегают волны. Длина волны пока меньше обратного параметра Хаббла, или на самом деле это тот самый горизонт, о котором мы говорили. Вселенная расширяется, этот размер экспоненциально уменьшается, этот экспоненциально увеличивается. Такой стала длина волны.

И так происходит до тех пор, пока длина волны физическая не соизмеряется с размером горизонта. С этого момента происходит чудо - физический размер по-прежнему увеличивается, длина волны увеличивается, а амплитуда зафиксирована, она не изменяется. Это чудо, потому что до этого момента были квантовые флуктуации, собственно, был единственный размер - длина волны, она определяла амплитуду и обратную амплитуду, и она определяла нам частоту. Вселенная расширяется, всё падает, всё уходит в «никуда», до тех пор, пока частота не сравняется с параметром Хаббла - здесь всё заканчивается.

Дальше происходит вот что: в какой-то момент инфляция закончилась. А у нас есть такая вот длина, такая флуктуация, с экспоненциально большой длиной волны. А, если бы это была квантовая флуктуация, то и амплитуда ее должна быть экспоненциально малой. А она не такая. Амплитуда-то заморозилась. И, поэтому с точки зрения квантовой теории, такая вот флуктуация содержит экспоненциально много таких квантовых флуктуаций. Можно позволить себе иметь в одном состоянии несколько частиц - это же бозонное поле - в данном случае, экспоненциально много.

Когда в одном состоянии экспоненциально много частиц, мы можем описывать такую ситуацию в приближении классическом. Здесь количество переходит в качество - большое количество квантов перешло в классическую флуктуацию поля. Здесь величина поля побольше, там величина поля поменьше. Вот такая история у этих неоднородностей. А дальше история такая: они стали больше, чем горизонт и тут некая иллюстрация, я не знаю, поможет она или нет, если хочется понять, что происходит.

Вот здесь - параметр Хаббла, темп расширения Вселенной. Зеленым цветом отложен. Вот инфляционная эпоха - примерно постоянный параметр Хаббла. Конечно, когда инфляция заканчивается, деваться некуда - темп расширения Вселенной должен перестать быть постоянным, должен начать падать, иначе мы не выйдем на «горячую» стадию. Но вот выходим на «горячую» стадию, параметр Хаббла падает, как положено, время растет. Параметр Хаббла падает обратно пропорционально времени. А вот эта красная линия - это флуктуация, за которой мы наблюдаем. Такая длина волны, неоднородность.

Что с ней происходило? До инфляционной эпохи (это вот здесь) длина флуктуации экспоненциально растет, соответственно, частота - величина, обратная длине волны - экспоненциально падает. Случилось у нее это условие, что частота равняется темпу расширения Вселенной. Ее амплитуда перестала падать, смотрим за ней. Длина волны, конечно, экспоненциально растет, амплитуда фиксирована, а частота, конечно, экспоненциально падает. В какой-то момент времени закончилась инфляция, и происходит обратный процесс. Дело в том, что физическая частота обратно пропорциональна масштабному фактору или длина волны обратно пропорциональна масштабному фактору.

Мы с вами говорили, что физический размер эволюционирует в степени ½ или 2/3, медленнее, чем эволюционирует горизонт, который определяется обратным параметром Хаббла, здесь стоит 1/t. И поэтому в какой-то момент времени эта частота опять сравнивается с темпом расширения Вселенной.

Говорят, что длина волны в этот момент вышла за горизонт, а в этот момент обратно зашла под горизонт. Пока длина волны была здесь, амплитуда была фиксирована, а здесь опять начинается какая-то эволюция, здесь вот в эту эпоху, когда длина волны стала меньше, амплитуда опять начинает зависеть от времени, здесь происходит процесс образования неоднородностей, роста структуры и т. д.

Из тех длин волн, которые сгенерились в эту эпоху, время 10-36 сек; здесь время 250 000 лет. Это те самые волны, которые отсюда к нам пришли. Такая здесь картинка реализуется, замечательным образом сходится с экспериментом. Прелесть в том, что величина амплитуды волны фиксируется темпом расширения Вселенной. И поэтому для всех длин волн амплитуда одна и та же. Мы получили с вами плоский спектр, который не зависит от масштабов.

Вот тут естественным образом предсказывается плоский спектр. И дальше, просто чтобы перейти к картинкам, которые рисует экспериментатор, нужно ввести пару понятий. Во-первых, то, что мы обсуждали, это неоднородности скалярного поля - это инфлатоны. Вдохновленные этой идеей мы можем все поля, которые там есть, так же расписать, сказать, что сначала были квантовые флуктуации, а потом что из них получилось.

Пишем такое уравнение для гравитационных волн, для флуктуаций метрики. Выясняем, что получается абсолютно такое же уравнение, и если у нас одинаковые уравнения, то и одинаковые решения. И, аналогично тому, как возникают моды, которые называются скалярные моды, возникают тензорные возмущения, эти самые гравитационные волны. Скалярные возмущения впоследствии приводят к возникновению неоднородностей в распределении материи.

Какой процесс? У нас Вселенная вышла из инфляционной стадии. Что она из себя представляет? В ней нет ничего, кроме этого самого скалярного поля типа Хиггсовского. Больше - ничего. В этом скалярном поле энергии много, но это - скалярное поле, а нам нужно Вселенную разогреть. Нам нужно ввести еще одну стадию - «разогрева», каким-то образом передать энергию из этого скалярного поля в частицы, создать плазму. И теперь смотрите: если у меня была где-то флуктуация этого скалярного поля, было его немного побольше, то когда его энергия перейдет в энергию частиц, там этих частиц будет немного побольше. Где их было поменьше, там будет поменьше. Поэтому в той плазме, которая возникнет, будет естественным образом сохраняться эта неоднородность.

Там будет больше или меньше электронов, больше или меньше фотонов. Замечательным образом эти неоднородности, которые в такой картинке возникают, они одинаковые, т. н. «адиабатические возмущения». Состав постоянный. Т. е. , если где-то побольше электронов, там же больше и фотонов и протонов. Относительная концентрация частиц неизменна. Другими словами, всё можно характеризовать одной-единственной величиной (где-то ее больше, где-то ее меньше), эта величина -- пллотность плазмы, температура плазмы. Все характеризуется температурой, в частности - той самой температурой, которая была у нас на картинке «анизотропия реликтового излучения». Так оказалось в нашем мире, а могло бы быть по-другому.

Мы же не знаем, например, механизм генерации частиц «темной материи», мы их вообще здесь не обсуждаем. Это какая-то новая физика. Может, они образуются каким-то другим способом, не таким, и тогда, возможно, есть ситуация, когда где-то больше этих частиц, а где-то меньше. Вот таких мод не видят, пока все согласует с тем, что или всех побольше или всех поменьше. Такая картинка.

Теперь - эти скалярные возмущения приводят к неоднородности в распределении материи. Что такое эти неоднородности? Вот у нас есть среднее значение, это «ро», и на ее фоне мы пытаемся смотреть какие-то возмущения, где-то чего-то побольше, где-то чего-то поменьше. р в среднем равно 0, где-то побольше, где-то поменьше. Поэтому вводят понятие дисперсии - это квадрат этой величины, вот здесь р/р - такой контраст, отношение - насколько у меня больше локальная плотность энергии по отношению к средней плотности энергии.

По сути, пока это отношение маленькое, я могу рассматривать это как небольшие неоднородности, и их обслуживать. Как только это отношение станет порядка 1, вся эта моя история, что я изучаю расширяющуюся Вселенную, как там в ней и что эволюционирует, я должен выкинуть на помойку, потому что это все в моем приближении не работает, но зато в той области, где эта величина р/р=1 - что значит «порядка единицы»? Это значит, что в среднем в это место дополнительно пришло столько же энергии, сколько там было.

Эта область стала гравитационно-связанной, она «забыла» о расширении Вселенной и стала эволюционировать внутри себя так, как ей и положено. Это уже другая история. Как бы то ни было, формально эту величину - эту неоднородность в пространстве -- раскладывают в ряд Фурье или раскладывают по частотам, как это принято. Здесь q - это частота. И вот опять такая история: это по определению называется спектр мощности вот этих возмущений, скалярных или тензорных, одинаковой формы. И смотрите - здесь q/q - это приращение частоты на частоту, если я частоту увеличу в два раза, эта величина не изменится. Сюда войдет фактор 2 и сюда войдет фактор 2, они увеличатся в два раза. Это о

Аналог Ноткоин - TapSwap Получай Бесплатные Монеты

Подробнее читайте на polit.ru