загрузка...
 
Суть інфляції
Повернутись до змісту

Суть інфляції

При спробі дати уявлення про сутність початкового періоду життя Всесвіту доводиться оперувати такими надмалими і надвеликими числами, що наша уява насилу їх сприймає. Спробуємо скористатися якоюсь аналогією, щоб зрозуміти суть процесу інфляції. Уявімо собі вкритий снігом гірський схил, в який вкраплені різнорідні дрібні предмети ? камінці, гілки та шматочки льоду. Хтось, хто знаходиться на вершині цього схилу, зробив невелику сніжку і пустив її котитися з гори. Рухаючись вниз, сніжка збільшується в розмірах, тому що на неї налипають нові шари снігу з усіма включеннями. І чим більший розмір сніжки, тим швидше вона збільшуватиметься. Дуже скоро з маленької сніжки вона перетвориться на величезну грудку. Якщо схил закінчується прірвою, то грудка полетить до неї з усе більшою швидкістю. Досягнувши дна, грудка вдариться об дно прірви і її складові частини розлетяться в усі боки (до речі, частина кінетичної енергії грудки при цьому піде на нагрівання навколишнього середовища і снігу, що розлітається).

Тепер опишемо основні положення теорії, використовуючи наведену аналогію. Перш за все фізикам довелося ввести гіпотетичне поле, яке було назване «інфлатонним» (від слова «інфляція»). Це поле заповнювало собою весь простір (у нашому випадку ? сніг на схилі). Завдяки випадковим коливанням воно набувало різних значень у довільних просторових ділянках і в різні моменти часу. Нічого суттєвого не відбувалося, поки випадково не утворилась однорідна конфігурація цього поля розміром більше 10-35 м. Що ж до спостережуваного нами Всесвіту, то він у перші миті свого життя, мабуть, мав розмір10-29 м. Передбачається, що на таких масштабах вже справедливі основні закони фізики, відомі нам сьогодні, тому можна передбачити подальшу поведінку системи.

Виявляється, що відразу після цього просторова область, зайнята флуктуацією (від лат. fluctuatio ? "коливання", випадкові відхилення спостережуваних фізичних величин від їхніх середніх значень), починає дуже швидко збільшуватися в розмірах, а інфлатонне поле прагне зайняти становище, в якому його енергія мінімальна (сніжна грудка покотилася). Таке розширення триває всього 10-35 секунди, але цього часу виявляється достатньо для того, щоб діаметр Всесвіту зріс як мінімум у 1027 разів і до закінчення інфляційного періоду наш Всесвіт набув розміру приблизно 1см. Інфляція закінчується, коли інфлатонне поле досягає мінімуму енергії ? далі падати нікуди. При цьому накопичена кінетична енергія переходить в енергію частинок, які народжуються і розлітаються, інакше кажучи, відбувається нагрівання Всесвіту. Саме цей момент і називається сьогодні Великим Вибухом.

Гора, про яку йшлося вище, може мати дуже складний рельєф ? кілька різних мінімумів, долини внизу і всякі пагорби і купини. Снігові грудки (майбутні всесвіти) безупинно народжуються наверху гори за рахунок флуктуацій поля. Кожна грудка може скотитися в будь-який з мінімумів, породивши при цьому свій всесвіт зі специфічними параметрами. Причому всесвіти можуть істотно відрізнятися один від одного. Властивості нашого Всесвіту дивовижним чином пристосовані до того, щоб у ньому виникло розумне життя. Іншому Всесвіту, можливо, пощастило менше.

Ще раз хотілося б підкреслити, що описаний процес народження Всесвіту "практично з нічого" спирається на строго наукові розрахунки. Тим не менш у кожної людини, що вперше знайомлюється з інфляційним механізмом, описаним вище, виникає чимало запитань.

Сьогодні наш Всесвіт складається з великої кількості зірок, не кажучи вже про приховану масу. І може здатися, що повна енергія і маса Всесвіту величезні. І зовсім незрозуміло, як таке могло поміститися в початковому обсязі 10-99 см3. Однак у Всесвіті існує не тільки матерія, але і гравітаційне поле. Відомо, що енергія останнього негативна і, як виявилося, у нашого Всесвіту енергія гравітації в точності компенсує енергію, укладену в частинки, планети, зірки та інші масивні об'єкти. Таким чином, закон збереження енергії чудово виконується, і сумарна енергія та маса нашого Всесвіту практично дорівнюють нулю. І почасти ця обставина пояснює, чому Всесвіт відразу після появи не перетворився на величезну чорну діру. Його сумарна маса була абсолютно мікроскопічна, і спочатку просто не було чому колапсувати. І лише на більш пізніх стадіях розвитку з'явилися локальні згустки матерії, здатні створювати поблизу себе такі гравітаційні поля, з яких не може вирватися навіть світло. Відповідно, і частинок, з яких «зроблені» зірки, на початковій стадії розвитку просто не існувало. Елементарні частинки почали народжуватися в той період розвитку Всесвіту, коли інфлатонне поле досягло мінімуму потенційної енергії і почався Великий Вибух.

Область, зайнята інфлатонним полем, розросталася зі швидкістю, що істотно більше швидкості світла, проте це аж ніяк не суперечить теорії відносності Ейнштейна. Швидше світла не можуть рухатися лише матеріальні тіла, а в даному випадку рухалася уявна, нематеріальна межа тієї області, де народжувався Всесвіт (прикладом надсвітлового руху є переміщення світлової плями по поверхні Місяця при швидкому обертанні лазера, що її висвітлює). Причому навколишнє середовище зовсім не чинило опір розширенню області простору, охопленої інфлатонним полем, яка все швидкіше розростається, оскільки її ніби не існує для Світу, що виникає. Загальна теорія відносності стверджує, що фізична картина, яку бачить спостерігач, залежить від того, де він знаходиться і як рухається. Так ось, описана вище картина справедлива для «спостерігача», що знаходиться усередині цієї області. Причому цей спостерігач ніколи не дізнається, що відбувається поза тією областю простору, де він знаходиться. Інший «спостерігач», що дивиться на цю область зовні, ніякого розширення зовсім не виявить. У кращому разі він побачить лише невелику іскорку, яка зникне майже миттєво. Навіть найвитонченіша уява відмовляється сприймати таку картину. І все-таки вона, мабуть, правильна. Принаймні так вважають сучасні вчені, черпаючи впевненість у вже відкритих законах Природи, правильність яких неодноразово перевірена.

Потрібно сказати, що це інфлатонне поле і зараз продовжує існувати і флуктуювати. Але тільки ми, внутрішні спостерігачі, не в змозі цього побачити ? адже для нас маленька ділянка перетворилася на колосальний Всесвіт, меж якого не може досягти навіть світло.

Отже, відразу після закінчення інфляції гіпотетичний внутрішній спостерігач побачив би Всесвіт, заповнений енергією у вигляді матеріальних частинок і фотонів. Якщо всю енергію, яку міг би виміряти внутрішній спостерігач, перевести в масу частинок, то ми отримаємо приблизно 1080 кг. Відстані між частинками швидко збільшуються внаслідок загального розширення. Гравітаційні сили притягання між частинками зменшують їх швидкість, тому розширення Всесвіту після завершення інфляційного періоду поступово сповільнюється.

У сучасній космології для наочності початкову стадію еволюції Всесвіту поділяють на ери.

Ера адронів (важких частинок, що вступають у сильні взаємодії).

Тривалість ери ? 10-4 с, температура ? 1012 К, густина 1017кг/м3. У кінці ери відбувається анігіляція частинок і античастинок, але залишається деяка кількість протонів, гіперонів, мезонів.

Ера лептонів (легких частинок, що вступають в електромагнітні взаємодії). Тривалість ери 10 с, температура

1010 К, густина 107 кг/м3. Основну роль відіграють легкі частинки що беруть участь у реакціях між протонами і нейтронами.

Фотонна ера. Тривалість ? 300 тис. років.  Основна частка маси енергії Всесвіту припадає на фотони. До кінця ери температура падає з 1010 до 3000 К, густина з 107 кг/м3 до 10-18 кг/м3. Головну роль відіграє випромінювання, яке в кінці ери відділяється від речовини.

Зоряна ера настає через 1 млн років після зародження Всесвіту. Т = 3К, густина ?10-27 кг/м3. У зоряну еру починається процес утворення протозірок і протогалактик.

Потім розгортається грандіозна картина утворення структури Метагалактики.



загрузка...