Часть 2.

Проблема размерности пространства

Мы живем и ощущаем в пространстве-времени 4 измерений. Вопрос состоит в том, какова же истинная размерность пространства-времени и, соответственно, какое число размерностей оказалось компактифицированным. В связи с обсуждаемой проблемой интерес представляет работа П. Эренфеста, датированная 1917 г., под названием “Каким образом в фундаментальных законах физики отражается тот факт, что пространство трехмерно?” [12], где он показал, что наблюдаемые траектории движения планет, устойчивость орбит электронов в атомах, передача информации за счет распространения волн возможны лишь в трехмерном пространстве. Следовательно, и это показано Г.Дж. Уитроу, именно в пространстве с нечетной размерностью возможна жизнь, одним из необходимых условий которой является процесс передачи информации [13].

Все рассмотренные выше космологические проблемы концентрируются вокруг антропного принципа. Но вряд ли объяснение их на основе рассматриваемого принципа, учитывая недостаточную методологическую обоснованность его в результате въевшегося в умы естествоиспытателей механицизма, можно считать удовлетворительным. Констатация того, что мы живем в однородной изотропной Вселенной, содержащей избыток вещества над антивеществом, с определенным типом вакуума и конкретной подходящей цепочкой спонтанного нарушения симметрии его, с соответствующей сигнатурой пространства-времени просто потому, что в другой Вселенной жизнь нашего типа была бы невозможна, быть может, убеждает, но мало что объясняет и только преумножает вопросы. Почему, к примеру, Вселенная должна быть однородна и изотропна и все ее свойства должны быть приблизительно одинаковы в масштабе всей наблюдаемой части размером 1028 см, хотя для возникновения жизни было бы вполне достаточно, чтобы хорошие условия возникли в области размером порядка Солнечной системы 1014 см? Формулируя антропный принцип и пытаясь вписать его в науку, Картер высказал предположение о том, что существует много разных вселенных и жизнь возникает там, где это ей удается. Причем до недавнего времени совершенно не ясным представлялось, в каком смысле можно говорить о разных вселенных, если наша Вселенная – это все, что существует. Надо сказать, что в данном аспекте современная инфляционная космология дает результаты, позволяющие с вероятностной точки зрения оценить возможность возникновения подходящей обители нашего существования.

В рамках инфляционного подхода существует несколько моделей раздувающейся Вселенной. Попытки преодолеть вышеуказанные космологические проблемы привели к развитию и уточнению самого инфляционного подхода. Первоначальный вариант сценария инфляционной раздувающейся Вселенной был предложен в 1980 г. Аланом Гусом в статье под названием “Раздувающаяся Вселенная: возможное решение проблемы горизонта и плоскостности” [14]. В модели Гуса предполагается наличие релятивистского фазового перехода из симметричного состояния в состояние с нарушенной симметрией, который шел из сильно переохлажденного состояния, вследствие чего энергия частиц оказывалась подавленной энергией вакуума. При этом Вселенная экспоненциально расширялась до момента фазового перехода, который знаменуется образованием пузырьков новой фазы с полями в них, отличных от нуля. Переохлажденное состояние приводит к затягиванию фазового перехода, что очень важно, так как благодаря этому размеры пузырьков к моменту, когда они начинают заполнять Вселенную, оказываются очень большими. Это позволяет решить в рамках указанной модели проблемы плоскостности и горизонта, о чем и заявлено в названии статьи Гуса.

Дело в том, что в областях, охваченных инфляцией, осуществляются одинаковые начальные условия, ибо если бы и существовали различия и неоднородности, то их следы затерялись бы вследствие огромной скорости расширения в фазе инфляции. Это и объясняет наблюдаемую однородность Вселенной в больших масштабах и решает проблему горизонта, поскольку обеспечивает одинаковые условия (стирание различий) расширения для областей, являющихся причинно несвязанными. Благодаря экспоненциальному расширению в фазе инфляции при достаточно большой степени раздувания автоматически обеспечивается та скорость расширения, которая равняется скорости отрыва. Это означает, что в планковские времена плотность Вселенной строго совпадала с критической, что есть решение проблемы плоскостности.

Модель Гуса использует представление о “ложном” вакууме. Вакуум, из которого началась инфляция Вселенной, отличается от “истинного” вакуума, о котором общепринято представление как о состоянии с наинизшей плотностью энергии, тем, что может обладать огромной энергией. Нарушение принципа энергодоминантности, характерное для вакуума, наделяет его отрицательным давлением, которое приводит к эффекту гравитационного отталкивания, обеспечивающему раздувание, инфляцию Вселенной. Однако при расширении ложного вакуума энергия его не уменьшается, а растет. В целом “ложный” вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, что на языке физики означает стремление его к распаду. Квантовый распад вакуума и знаменует собою в модели Гуса конец фазового перехода и прекращение инфляции.

Новая фаза представляет собой уже вакуум “истинный”, для которого выполняется условие энергодоминантности, но который является несимметричным. Тем не менее гравитационное отталкивание заканчивается, и Вселенная переходит во власть гравитационного притяжения. Благодаря же первоначальному импульсу, приобретенному в период инфляции, Вселенная продолжает расширяться, что фиксируется нами фактом разбегания галактик в настоящую эпоху. Скорость расширения Вселенной, естественно, с течением времени уменьшается. Итак, экспоненциальное расширение в модели Гуса заканчивается рождением пузырьков новой фазы. Распад вакуума в конце инфляции должен приводить к высвобождению огромной энергии, мгновенно нагревшей Вселенную до 1027 К, после чего сценарий эволюции Вселенной уже достаточно хорошо понимается современными учеными. Именно переход из стадии инфляции на фридмановскую стадию расширения и составляет основную трудность для модели Гуса. Ибо, чтобы энергия, выделяемая при фазовом переходе, перешла в тепловую энергию Вселенной, необходимо столкновение стенок пузырей при достаточно большой плотности пузырей. А это противоречит малой скорости их образования, необходимой для затягивания фазового перехода, и следовательно, для значительного раздувания Вселенной. И, как отмечает М.Ю. Хлопов, “инфляция и переход к фридмановской горячей стадии расширения оказались в таком сценарии несогласованными” [15].

Модель Гуса, безусловно являясь крупным достижением научной космологии, стимулировала разработку новых сценариев раздувающейся Вселенной, в рамках которых удавалось преодолеть недостатки модели Гуса, а также решить другие космологические проблемы. Наиболее плодотворные результаты получены отечественным ученым А.Д. Линде. Первый вариант нового сценария раздувающейся Вселенной, основывающийся на более детальном анализе фазовых переходов в модели Великого объединения, содержит в себе вывод о том, что экспоненциальное расширение не оканчивается моментом образования пузырьков, а часть Вселенной продолжает расширяться внутри пузырька и после фазового перехода. В рамках этого сценария наблюдаемая часть Вселенной считается содержащейся внутри одного пузырька. Гус считал, что столкновение стенок огромных пузырьков должно приводить к разогреву, и дальнейшая эволюция Вселенной описывается теорией горячей Вселенной. Однако столкновения пузырьков, как уже говорилось, должны приводить к недопустимому нарушению однородности и изотропности Вселенной после раздувания.

В новом сценарии Линде показал, что инфляция может идти не только до фазового перехода с образованием пузырьков, но и после, уже внутри пузырьков. Существуют условия, при которых стенки образовавшихся пузырьков после раздувания оказываются друг от друга на расстоянии большем чем 1028 см, потому-то это и не приводит к возникновению неоднородностей в рассматриваемой области. Разогрев же Вселенной после раздувания в данном сценарии происходит не за счет столкновений стенок пузырьков, а за счет рождения частиц. Таким образом, мы не обнаруживаем никаких неоднородностей, возникающих за счет соударения стенок пузырьков. Это позволяет объяснить проблемы крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной.

Новый сценарий раздувающейся Вселенной содержит два ключевых момента: во-первых, процесс нарушения симметрии должен идти сначала медленно, чтобы обеспечивалось раздувание внутри пузырька; во-вторых, на более поздних стадиях должны идти процессы, обеспечивающие разогрев Вселенной после фазового перехода. Одним из наиболее интересных вариантов нового сценария раздувающейся Вселенной является сценарий реликтового раздувания [9, с. 200] в рамках супергравитации. Эта модель реализует возможность “островной” структуры Вселенной, когда после раздувания Вселенная разбивается на мини-Вселенные с разными типами нарушения симметрии. В рамках этой модели удается по-прежнему решить проблемы плоскостности, горизонта, крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной, ибо размеры отдельной мини-Вселенной превышают размеры наблюдаемой части Вселенной. Представление об “островной” структуре Вселенной позволяет ответить на такие вопросы, как проблема выбора вакуума и проблема размерности пространства, ибо не отдает предпочтения, скажем, именно тому вакууму, который нужен нам, или именно четырехмерному пространству. А попросту Вселенная состоит из причинно несвязанных мини-Вселенных, в которых возможны различные размерности пространства и разные типы вакуумов. То есть исходное Д-мерное пространство могло компактифицироваться на мини-Вселенные по-разному, на пространства различных измерений и с разным выбором вакуума. Так что свойства частиц и вакуума в различных мини-Вселенных различны.

Жизнь, как подчеркивали Эренфест и Уитроу, возможна лишь в пространстве четырех измерений, именно вследствие этого наша Вселенная с конкретным типом вакуума оказалась одним из тех “обитаемых” островов, “четырехмерность пространства внутри которых делает наше существование возможным” [9, с. 202].

Шаг за шагом п