Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности 51 страница

(обратно)

5. Когда я обращаюсь к массе объекта в этом контексте, я ссылаюсь на сумму полных масс его отдельных составляющих. Если, скажем, куб состоит из 1 000 атомов золота, я ссылаюсь на 1 000 масс одного такого атома. Это определение согласуется с точкой зрения Ньютона. Законы Ньютона говорят, что такой куб будет иметь массу в 1 000 раз больше массы отдельного атома золота, и что он будет весить в 1 000 раз больше, чем отдельный атом золота. В соответствии с Эйнштейном, однако, вес куба также зависит от кинетической энергии атомов (так же, как и всех других вкладов в энергию куба). Это следует из E = mc2: большая энергия (Е), безотносительно к источнику, транслируется в большую массу (m). Таким образом, эквивалентный способ выражения сути в том, что поскольку Ньютон не знал о E = mc2, его закон гравитации использует определение массы, которое не учитывает различные вклады в энергию, такие как энергия, связанная с движением.

(обратно)

6. Обсуждение здесь намекает на лежащую в основе физику, но не ухватывает ее полностью. Давление, оказываемое сжатой пружиной, влияет на полную энергию ящика и, как обсуждалось в предыдущем параграфе, в соответствии с ОТО, к делу имеет отношение полная энергия. Однако, момент, который я здесь объясняю, заключается в том, что само давление – не только через вклад, который оно вносит в полную энергию, – генерирует гравитацию, почти как это делают масса и энергия. В соответствии с ОТО давление гравитирует. Также заметим, что отталкивательная гравитация, на которую мы ссылаемся, является внутренним гравитационным полем, ощущаемым внутри области пространства, заполненного чем-то, что имеет отрицательное давление вместо положительного. В такой ситуации отрицательное давление будет давать вклад в отталкивательное гравитационное поле, действующее внутри области.

(обратно)

7. Математически космологическая константа представляется числом, обычно обозначаемым Λ (см. комментарий 4). Эйнштейн нашел, что его уравнения имеют полный смысл безотносительно к тому, выбрана ли Λ положительным или отрицательным числом. Обсуждение в тексте сосредоточено на особенно интересном для современной космологии (и современных наблюдений, как будет обсуждаться) случае, в котором Λ положительна, поскольку это приводит к появлению отрицательного давления и отталкивательной гравитации. Отрицательная величина Λ дает обычную притягивательную гравитацию. Отметим еще, что поскольку давление, оказываемое космологической постоянной, однородно, это давление не будет оказывать непосредственно какую-либо силу: только разности давлений, подобно тому, что чувствуют ваши уши, когда вы под водой, приводят к силе давления. Вместо этого сила, оказываемая космологической константой, есть чисто гравитационная сила.

(обратно)

8. Обычные магниты всегда имеют как северный, так и южный полюса. В отличие от этого, теории великого объединения предполагают, что могут иметься частицы, которые подобны чистому северному или чистому южному магнитным полюсам. Такие частицы называются монополями и они могли бы иметь большое влияние на стандартную космологию Большого взрыва. Они никогда не наблюдались.

(обратно)

9. Гут и Туе обнаружили, что переохлажденное Хиггсово поле будет действовать как космологическая константа, открытие, которое было сделано ранее Мартинусом Вельтманом и другими. Фактически, Туе говорил мне, что был ограниченный лимит страниц в Physical Review Letters, журнале, в который они с Гутом послали свою статью, и они не уместили в заключительные утверждения ничего о том, что их модель должна вызывать период экспоненциального расширения. Но Туе также заметил, что это было достижение Гута в осознании важности космологических последствий периода экспоненциального расширения (что будет обсуждаться позже в этой и следующей главе), и, следовательно, в помещении инфляции во фронт и в центр космологической карты.

Во временами извилистой истории открытия русский физик Алексей Старобинский нашел несколькими годами ранее другой способ генерирования того, что мы сейчас называем инфляционным расширением, работа была описана в статье, которая не была широко известна среди западных ученых. Однако, Старобинский не подчеркнул, что период такого быстрого расширения мог бы решить ключевые космологические проблемы (такие как проблемы горизонта и плоскостности, что будет коротко обсуждено), что объясняет частично, почему его работа не вызвала отклика энтузиазма, который получил Гут. В 1981 японский физик Катсушико Сато также разработала версию инфляционной космологии, а даже раньше (в 1978) русские физики Геннадий Чибисов и Андрей Линде случайно обнаружили идею инфляции, но они нашли, – когда исследовали детально, – что она допускает разновидность важной проблемы (обсуждающейся в комментарии 11), и потому не стали публиковать свой труд.

Склонный к математике читатель должен заметить, что нетрудно увидеть, как возникает ускоренное расширение. Одно из уравнений Эйнштейна есть (d2a/dt2)/a = –4πG/3(ρ+3p), где а, ρ и p есть масштабный фактор вселенной (ее "размер"), плотность энергии и плотность давления, соответственно. Заметим, что если правая сторона этого уравнения положительна, масштабный фактор будет расти с возрастающим темпом: темп роста вселенной будет ускоряться со временем. Для Хиггсова поля, восседающего на плато, его плотность давления оказывается равной отрицательной величине его плотности энергии (то же самое справедливо для космологической константы), так что правая сторона в самом деле положительна.

(обратно)

10. Физика, лежащая в основании этих квантовых скачков, есть принцип неопределенности, затронутый в Главе 4. Я буду явно обсуждать применение квантовой неопределенности к полям в Главах 11 и 12, но, чтобы предварить этот материал, коротко отмечу следующее. Величина поля в данной точке пространства и темп изменения величины поля в этой точке играют ту же роль для полей, как положение и скорость (импульс) играют роль для частицы. Таким образом, точно так же, как мы не можем когда-либо знать сразу определенное положение и определенную скорость частицы, поле не может иметь определенную величину и определенный темп изменения этой величины в любой данной точке пространства. Чем более определена величина поля в данный момент, тем более неопределен темп изменения этой величины – это означает, тем более вероятно, что величина поля изменится моментом позже. А такое изменение, индуцированное квантовой неопределенностью, это то, что я имел в виду, когда ссылался на квантовые скачки величины поля.

(обратно)

11. Вклад Линде и Альбрехта со Стейнхардом абсолютно решающий, поскольку оригинальная модель Гута – сейчас называемая старой инфляцией – страдала фатальным пороком. Вспомним, что переохлажденное Хиггсово поле (или в терминологии, которую мы вводим, поле инфлатона) имеет величину, которая восседает на выпуклости его энергетической чаши однородно во всем пространстве. Так что, когда я описывал, как быстро переохлажденное поле инфлатона могло бы спрыгнуть к низшей величине энергии, вы могли бы спросить, будет ли этот квантово-индуцированный прыжок происходить везде в пространстве в одно и то же время. А ответ такой, что не будет. Вместо этого, как утверждал Гут, релаксация поля инфлатона к нулевой величине энергии имеет место через процесс, названный пузырьковым зародышеобразованием: инфлатон падает к своей нулевой величине энергии в одной точке пространства, и тут пробуждается распространяющийся вовне пузырек,чьи стенки двигаются со скоростью света, в котором инфлатон падает к нулевой величине энергии с прохождением через стенку пузырька. Гут вообразил, что много таких пузырьков с хаотически расположенными центрами в конце концов соберутся воедино, чтобы дать вселенную с нулевой энергией поля инфлатона везде. Проблема, однако, как Гут сам осознал, в том, что окружающее пузырьки пространство все еще заполнено полем инфлатона с ненулевой энергией, так что такие области будут продолжать подвергаться быстрому инфляционному расширению, растаскивая пузырьки друг от друга. Поэтому тут нет гарантии, что растущие пузырьки найдут друг друга и соединятся в большой, однородный пространственный простор. Более того, Гут утверждал, что энергия поля инфлатона не теряется, когда оно релаксирует к нулевой энергии, а конвертируется в обычные частицы материи и радиации, населяющие вселенную. Чтобы довести модель до соответствия с наблюдениями, однако, эта конверсия должна была бы давать однородное распределение материи и энергии по всему пространству. В механизме, который предложил Гут, эта конверсия должна была бы происходить через столкновения стенок пузырьков, но расчеты – проведенные Гутом и Эриком Вайнбергом из Колумбийского университета, а также Стивеном Хокингом, Ианом Моссом и Джоном Стюардом из Кембриджского Университета – обнаружили, что итоговое распределение материи и энергии было бы не однородным. Таким образом, оригинальная инфляционная модель Гута привела к существенным проблемам в деталях.

Прозрение Линде и Альбрехта со Стейнхардом – теперь называемое новой инфляцией – урегулировало эти досадные проблемы. Через замену формы чаши потенциальной энергии на ту, что на Рис. 10.2, эти исследователи обнаружили, что инфлатон мог бы релаксировать к своей нулевой величине энергии "скатываясь" с энергетического холма во впадину, постепенный и изящный процесс, который не требует квантовых прыжков, как предлагалось первоначально. И, как показали их расчеты, это слегка более постепенное скатывание с холма успешно пролонгирует инфляционное раздувание пространства, так что один отдельный пузырек легко вырастает достаточно большим, чтобы заключить в себе целую наблюдаемую вселенную. Таким образом, в этом подходе не требуется беспокоиться об объединении пузырьков. Что имеет равную важность, вместо конверсии энергии поля инфлатона в обычные частицы и радиацию при столкновениях пузырьков в новом подходе инфлатон постепенно завершает эту конверсию энергии однородно через все пространство через процесс подобный трению: когда поле скатывается с энергетического холма – однородно по пространству – оно передает свою энергию зацепляясь (взаимодействуя с) за более привычные поля частиц и излучения. Новая инфляция, таким образом, сохраняет все успехи подхода Гута, но оказывается способной уладить существенные проблемы, с которыми тот столкнулся.

Примерно через год после важного прогресса, предложенного новой инфляцией, Андрей Линде совершил другой прорыв. Чтобы новая инфляция успешно возникла, должно одновременно встать на свои места большое количество ключевых элементов: чаша потенциальной энергии должна иметь правильную форму, величина поля инфлатона должна начинаться с высокого положения в чаше (и, слегка более формально, сама величина поля инфлатона должна быть однородна в достаточно большой пространственной области). Наряду с тем, что для вселенной возможно достижение таких условий, Линде нашел способ генерации инфляционного взрыва при более простом, намного менее изощренном наборе условий. Линде осознал, что даже при простой чаше потенциальной энергии, такой как на Рис. 9.1а, и даже без точного расположения начальной величины поля инфлатона инфляция все еще может легко иметь место. Идея такова. Представьте, что в очень ранней вселенной вещи были "хаотическими" – например, представьте, что имелось поле инфлатона, чья величина хаотически скакала от одной величины к другой. В некоторых местах в пространстве его величина могла быть малой, в других местах его величина была средней, а еще в других местах в пространстве его величина могла быть высокой. Теперь, в местах, где величина поля была малой или средней ничего особенно достойного внимания не происходило. Но Линде осознал, что нечто фантастически интересное могло бы иметь место в областях, где полю инфлатона случилось достичь высокой величины (даже если область была мельчайшей, не более 10–33 сантиметра в поперечнике). Когда величина поля инфлатона высока, – когда она находится в вышине энергетической чаши на Рис. 9.1а, – устанавливается разновидность космического трения: величина поля пытается скатиться с холма к более низкой потенциальной энергии, но ее высокая величина дает вклад в тормозящую силу сопротивления, так что она скатывается очень медленно. Таким образом, величина поля инфлатона должна была быть возле постоянной величины и (почти как инфлатон на вершине холма потенциальной энергии в новой инфляции) должна была давать вклад в почти постоянную энергию и почти постоянное отрицательное давление. А нам теперь очень привычно, что это условия, требуемые чтобы двигать взрыв инфляционного расширения. Таким образом, не привлекая особо специальной энергетической чаши и не устанавливая поле инфлатона в специальную конфигурацию, хаотическое окружение ранней вселенной могло бы легко вызвать инфляционное расширение. Не удивительно, Линде назвал этот подход хаотической инфляцией. Многие физики рассматривают его как наиболее убедительное осуществление инфляционной парадигмы.

(обратно)

12. Те, кто близко знаком с историей предмета, осознают, что возбуждение по поводу открытия Гута было сгенерировано его решениями ключевых космологических проблем, таких как проблемы горизонта и плоскостности, как мы коротко описываем.

(обратно)

13. Вы можете поинтересоваться, может ли электрослабое Хиггсово поле или Хиггсово поле великого объединения выполнять двойную службу – играть роль, которую мы описали в Главе 9, а также одновременно двигать инфляционное расширение в более ранние времена, до формирования Хиггсова океана. Модели этого сорта предлагались, но они обычно подвержены техническим проблемам. Более убедительные реализации инфляционного расширения привлекают новое Хиггсово поле, чтобы играть роль инфлатона.

(обратно)

14. См. комментарий 11 к этой главе.

(обратно)

15. Например, вы можете подумать о нашем горизонте как о гигантской воображаемой сфере с нами в центре, которая отделяет те вещи, с которыми мы могли бы связаться (вещи внутри сферы) от вещей, с которыми мы не смогли бы связаться (вещи вне сферы) за время, прошедшее с Большого взрыва. Сегодня радиус нашей "сферы горизонта" грубо составляет 14 миллиардов световых лет; очень рано в истории вселенной ее (сферы) радиус был намного меньше, поскольку имелось меньше времени для света, чтобы перелететь. См. также комментарий 10 к Главе 8.

(обратно)

16. Поскольку в этом сущность того, как инфляционная космология решает проблему горизонта, чтобы избежать путаницы, позвольте мне выделить ключевой элемент решения. Если однажды ночью вы с вашим другом стоите на большом поле и с удовольствием обмениваетесь световыми сигналами, включая и выключая электрические фонарики, заметим, что не имеет значения, как быстро вы при этом двигаетесь и бегаете друг от друга, вы всегда будете в состоянии потом обменяться световыми сигналами. Почему? Ну, чтобы избежать получения света, которым ваш друг освещает ваш путь, или чтобы ваш друг мог избежать получения света, который вы посылаете на его путь, вам надо убегать друг от друга быстрее скорости света, а это невозможно. Так как это возможно для областей пространства, которые были в состоянии обмениваться световыми сигналами в ранней истории вселенной (а потому, например, могли выровнять свои температуры), сейчас оказаться вне области возможного коммуникационного обмена друг с другом? Как проясняет пример с фонариками, должно быть, чтобы они уносились прочь быстрее, чем скорость света. И в самом деле, колоссальное расталкивание отрицательной гравитации во время инфляционной фазы двигало каждый регион пространства прочь от любого другого намного быстрее скорости света. Еще раз, это не предполагает противоречия с СТО, поскольку предел скорости, установленный светом, относится к движению через пространство, а не к движению от разбухания самого пространства. Так что новое и важное свойство инфляционной космологии в том, что она содержит короткий период, в котором имеется сверхсветовое расширение пространства.

(обратно)

17. Заметим, что численная величина критической плотности уменьшается, когда вселенная расширяется. Но суть в том, что если реальная плотность массы/энергии вселенной равна критической плотности в один момент времени, она будет уменьшаться в точности тем же образом и сохранит равенство критичекой плотности во все времена.

(обратно)

18. Склонный к математике читатель должен заметить, что во время инфляционной фазы размер нашего космического горизонта оставался фиксированным, в то время как пространство чудовищно раздувалось (как можно легко увидеть, выбрав экспоненциальную форму масштабного фактора в комментарии 10 к Главе 8). Именно в этом смысле наша наблюдаемая вселенная в инфляционной схеме является мельчайшим кусочком гигантского космоса.

(обратно)

19. R. Preston, First Light (New York: Random House Trade Paperbacks, 1996), p. 118.

(обратно)

20. Превосходный отчет на общем уровне о темной материи см. L. Krauss, Quintessence: The Mystery of Missing Mass in the Universe (New York: Basic Books, 2000).

(обратно)

21. Подготовленный читатель распознает, что я не провожу отличия между разными проблемами темной материи, которые появляются на разных масштабах наблюдения (галактики, космос), поскольку мой интерес здесь связан только с вкладом темной материи в плотность космической массы.

(обратно)

22. На самом деле имеются некоторые разногласия в отношении того, в этом ли механизм, стоящий за всеми типами сверхновых (я благодарю Д. Спергеля, обратившего мое внимание на это), но однородность этих событий – которая и нужна нам для обсуждения – находится на прочном наблюдательном основании.

(обратно)

23. Интересно заметить, что годами ранее результатов по сверхновым провидческие работы Джима Пиблза из Принстона, а также Лоуренса Краусса из Университета Case Western, Кливленд, Майкла Тернера из Университета Чикаго и Гэри Стейгмана из Огайо предположили, что вселенная может иметь малую ненулевую космологическую константу. В то время большинство физиков не приняли это предположение слишком серьезно, но теперь с данными по сверхновым отношение существенно поменялось. Также заметим, что ранее в главе мы говорили, что расталкивание от космологической константы может быть выражено Хиггсовым полем, которое подобно лягушке на плато, возвышается над своей конфигурацией с минимальной энергией. Так что, поскольку космологическая константа хорошо подходит к данным, более точно исследователи сверхновых заключили, что пространство должно быть заполнено чем-то подобным космологической константе, которое генерирует направленное вовне расталкивание. (Имеются пути, в которых Хиггсово поле могло бы сгенерировать долгодействующее расталкивание, в противоположность короткому взрыву в ранние моменты инфляционной космологии. Мы обсудим это в Главе 14, когда будем рассматривать вопрос о том, на самом ли деле данные требуют космологической константы, или всем требованиям могут отвечать некоторые другие сущности со сходными гравитационными последствиями). Исследователи часто используют термин "темная энергия" как обобщающую фразу для ингредиента вселенной, который невидим для глаз, но заставляет любой регион пространства отталкиваться от любого другого, вместо того, чтобы притягиваться.

(обратно)

24. Темная энергия является наиболее широко принятым объяснением наблюдаемого ускоренного расширения, но выдвигались и другие теории. Например, некоторые предположили, что данные могут быть объяснены, если сила гравитации отличается от обычной силы, предсказанной ньютоновской и эйнштейновской физиками, когда рассматриваемый масштаб расстояний становится экстремально большим – космологического размера. Другие еще не убедились, что данные показывают космическое ускорение, и ожидают проведения более точных измерений. Важно держать в уме эти альтернативные идеи, особенно когда будущие наблюдения должны дать результат, который профильтрует текущие объяснения. Но в настоящее время имеется широкий консенсус, что теоретические объяснения, описанные в главном тексте, самые убедительные.

(обратно)

Глава 11

1. Среди лидеров в ранние 1980е в определении того, как квантовые флуктуации должны давать неоднородности, были Стивен Хокинг, Алексей Старобинский, Алан Гут, Со-Юнг Пи, Джеймс Бардин, Пол Стейнхардт, Майкл Тернер, Вячеслав Михайлов и Геннадий Чибисов.

(обратно)

2. Даже после обсуждения в основном тексте вы все еще можете быть озадачены в отношении того, как мельчайшее количество массы/энергии в кусочке инфлатона могло дать гигантское количество массы/энергии, составляющее наблюдаемую вселенную. Как вы можете взвинтить массу/энергию до величины больше, чем та, с чего вы начали? Ну, как объяснялось в основном тексте, поле инфлатона в силу своего отрицательного давления "извлекало" энергию из гравитации. Это означает, что когда энергия в поле инфлатона возрастает, энергия в гравитационном поле уменьшается. Специальное свойство гравитационного поля, известное с дней Ньютона, что его энергия может становиться произвольно отрицательной. Таким образом, гравитация подобна банку, который готов дать взаймы неограниченное количество денег, – гравитация заключает в себе, по существу, безлимитный ресурс энергии, которую извлекает поле инфлатона во время расширения пространства.

Особая масса и размер начального кусочка однородного поля инфлатона зависит от деталей изучаемой модели инфляционной космологии (больше всего от точных деталей чаши потенциальной энергии поля инфлатона). В тексте я представил, что начальная плотность энергии поля инфлатона была около 1082 грамм на кубический сантиметр, так что объем (10–26 сантиметра)3 = 10–78 кубических сантиметров должен был иметь полную массу около 10 килограммов, т.е. около 20 фунтов. Эти величины типичны для четко определенного класса инфляционных моделей, но означают только то, что они дают вам грубое представление о величинах, с которыми приходится иметь дело. Чтобы дать представление о диапазоне возможностей, позвольте мне заметить, что в хаотических моделях инфляции Андрея Линде (см. комментарий 11 к Главе 10) наша наблюдаемая вселенная должна была появится из начального кусочка даже меньшего размера, 10–33 сантиметра в поперечнике (так называемая длина Планка), чья плотность энергии была даже выше, около 1094 грамм на кубический сантиметр, что в совокупности дает более низкую полную массу около 10–5 грамма (так называемая масса Планка). В этой реализации инфляции начальный кусочек должен был весить примерно так же, как частичка пыли.

(обратно)

3. См. Paul Davies, "Inflation and Time Asymmetry in the Universe," in Nature, vol. 301, p. 398; Don Page, "Inflation Does Not Explain Time.Asymmetry," in Nature, vol. 304, p. 39; and Paul Davies, "Inflation in the Universe and Time Asymmetry," in Nature, vol. 312, p. 524

(обратно)

4. Чтобы объяснить этот существенный момент, принято разделять энтропию на часть, связанную с пространством-временем и гравитацией, и остающуюся часть, связанную со всем остальным, поскольку это интуитивно ухватывает ключевые идеи. Однако, я должен заметить, что оказывается трудным дать математически строгую разработку, в которой гравитационный вклад в энтропию аккуратно идентифицирован, выделен и оценен. Тем не менее, это не нарушает качественные заключения, которых мы достигли. В случае, если вы найдете это проблематичным, заметим, что вся дискуссия может быть перефразирована почти совершенно без ссылки на гравитационную энтропию. Как мы подчеркивали в Главе 6, когда существенна обычная притягивательная гравитация, материя слипается в комки. В процессе этого материя конвертирует гравитационную потенциальную энергию в кинетическую энергию, которая затем частично конвертируется в радиацию и излучается из самого комка. Это означает последовательность событий с возрастанием энтропии (большие средние скорости частиц повышают относящийся к делу объем фазового пространства; производство радиации через взаимодействия повышает общее число частиц – то и другое повышает общую энтропию). Таким образом, то, на что мы ссылались в тексте как на гравитационную энтропию, может быть перефразировано как энтропия материи, генерируемая гравитационными силами. Когда мы говорим, что гравитационная энтропия мала, мы имеем в виду, что гравитационные силы имеют потенциал, чтобы сгенерировать значительные количества энтропии через слипание материи. Реализуя такой энтропийный потенциал, комки материи создают неоднородное, негомогенное гравитационное поле – деформации и рябь в пространстве-времени, – которое в тексте я описывал как имеющее более высокую энтропию. Но, как ясно из этого обсуждения, на самом деле оно может мыслиться как будто слипшаяся материя (и произведенная в процессе радиация) имеет более высокую энтропию (чем когда она однородно рассеяна). Это хорошо, поскольку подготовленный читатель заметит, что если мы рассматриваем классический гравитационный фон (классическое пространство-время) как когерентное состояние гравитонов, это, по существу, единственное состояние, а потому имеет низкую энтропию. Определение энтропии возможно только при подходящем грубом гранулировании. Однако, как подчеркивает этот комментарий, это не особенно необходимо. С другой стороны, если комок материи достаточен, чтобы создать черную дыру, тогда становится применимым неоспоримое определение энтропии: площадь горизонта событий черной дыры (как объясняется далее в Главе 16) является мерой энтропии черной дыры. И эта энтропия может быть однозначно названа гравитационной энтропией.

(обратно)

5. Точно так же, как возможно как разбивание яйца, так и собирание заново кусочков скорлупы разбитого яйца в первоначальное яйцо, для квантово-индуцированных флуктуаций возможно как вырастание в большие неоднородности (как мы описывали), так и для достаточно коррелированных неоднородностей возможна работа в тандеме, чтобы подавить такой рост. Таким образом, инфляционный вклад в разрешение стрелы времени также требует достаточно некоррелированных начальных квантовых флуктуаций. Еще раз, если мы думаем в манере Больцмана, среди всех флуктуаций, дающих подходящие условия для инфляции, раньше или позже будут встречены все эти условия, позволяющие начаться известной нам вселенной.

(обратно)

6. Имеются некоторые физики, которые утверждают, что ситуация лучше, чем описано. Например, Андрей Линде доказывает, что в хаотической инфляции (см. комментарий 11 к Главе 10) наблюдаемая вселенная появляется из кусочка планковского размера, содержащего однородное поле инфлатона с плотностью энергии планковского масштаба. При определенных предположениях Линде далее утверждает, что энтропия однородного поля инфлатона в таком мельчайшем кусочке грубо равна энтропии любой другой конфигурации поля инфлатона, а потому условия, необходимые для достижения инфляции, не были специальными. Энтропия кусочка планковского размера была мала, но наравне с возможной энтропией, которую кусочек планковского размера мог бы иметь. Последующий инфляционный взрыв затем создал в один миг гигантскую вселенную с намного более высокой энтропией, – но с такой, которая благодаря гладкости и однородности распределения материи была также чудовищно далека от энтропии, которую она могла бы иметь. Стрела времени указывает в направлении, в котором этот энтропийный недостаток будет уменьшаться.

Хотя я неравнодушен к этому оптимистичному взгляду, до тех пор, пока мы не получим лучшего постижения физики, из которой предположительно возникает инфляция, следует проявлять осторожность. Например, подготовленный читатель отметит, что этот подход одобряет, но не подтверждает предположения по поводу высокоэнергетических (транспланковских) мод поля инфлатона – мод, которые могут влиять на результат инфляции и играть ключевую роль в формировании структуры вселенной.

(обратно)

Глава 12

1. Подробное доказательство, которое я имею в виду здесь, основывается на факте, что силы всех трех негравитационных взаимодействий зависят от энергии и температуры окружающей среды, в которой эти силы действуют. При низких энергиях и температурах, таких как в нашем повседневном окружении, силы всех трех взаимодействий различаются. Но имеются непрямые теоретические и экспериментальные подтверждения, что при очень высоких температурах, которые возникали в самые ранние моменты вселенной, величины всех трех сил сходятся, указывая, хотя и косвенно, что сами все три силы могут быть объединены на фундаментальном уровне и выглядят различными только при низких энергиях и температурах. Для более детального обсуждения см., например, Элегантная вселенная, Глава 7.

(обратно)

2. Раз мы знаем, что поле, подобное любому из известных силовых полей, является ингредиентом в структуре космоса, тогда мы знаем, что оно существует везде – оно вплетено в ткань космоса. Невозможно удалить поле, почти как невозможно удалить само пространство. Ближе всего, следовательно, мы можем подойти к уничтожению присутствия поля, это иметь его на величине, которая минимизирует его энергию. Для силовых полей вроде электромагнитного эта величина равна нулю, как обсуждается в тексте. Для полей вроде инфлатона или Хиггсова поля стандартной модели (которое для простоты мы тут не рассматриваем), эта величина может быть некоторым ненулевым числом, что зависит от точной формы потенциальной энергии поля, как мы обсуждали в Главах 9 и 10. Как отмечено в тексте, чтобы сохранить целевую направленность обсуждения, мы обсуждаем явно только квантовые флуктуации полей, чье состояние минимальной энергии достигается, когда величина поля равна нулю, хотя флуктуации, связанные с полями Хиггса или инфлатона не требуют изменений в наших заключениях.

Дата добавления: 2015-11-16