раздувающаяся вселённая

РАЗДУВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЁННАЯ (инфляционная Вселенная) - название теории начальной стадии развития Вселенной, предложенной в нач. 80-х гг. 20 в. с целью исправить ряд недостатков стандартного варианта горячей Вселенной теории (см. также Космология).

Согласно теории горячей Вселенной, пространственно-временные свойства Вселенной с большой степенью точности описываются одной из трёх моделей Фридмана - открытой, замкнутой или плоской. Bо всех случаях Вселенная должна была родиться в сингулярном состоянии с бесконечно большими плотностью и темп-рой в нек-рый нач. момент времени t = 0 (модель Большого Взрыва). При последующем расширении темп-pa Вселенной должна была падать и постепенно достигнуть совр. значения Т ! 2,7 К (темп-ры микроволнового фонового излучения). В дальнейшем замкнутая Вселенная должна была бы снова сжаться до состояния с бесконечной плотностью и темп-рой, а открытая или плоская Вселенная - неограниченно расширяться, продолжая постепенно остывать.

Обладая рядом несомненных достоинств, теория горячей Вселенной в нек-рых отношениях оставалась не вполне удовлетворительной. К нач. 1980-х гг. выяснилось, что в рамках этой теории большинство создаваемых единых теорий элементарных частиц приводит к космологич. следствиям, несовместимым с данными наблюдений. Так, напр., согласно единым теориям слабых, сильных и эл--магн. взаимодействий (см. Великое объединение ),в горячей Вселенной на самых ранних стадиях её существования должно было рождаться много сверхтяжёлых частиц - магнитных монополей. Плотность вещества, обусловленная этими частицами, к настоящему моменту должна была бы на 15 порядков превосходить наблюдаемую плотность вещества во Вселенной r₀ ~ 10^-29 г/см³. Теория горячей Вселенной не даёт ответов на вопросы: что было до Большого Взрыва; почему риманова геометрия, описывающая свойства пространства нашей Вселенной, с такой огромной степенью точности близка к евклидовой геометрии плоского мира; почему наблюдаемая часть Вселенной в ср. является однородной; откуда в этом однородном мире взялись нач. неоднородности, необходимые для образования галактик; почему разные части Вселенной, сформировавшиеся независимо друг от друга, в настоящее время выглядят практически одинаково; почему все части бесконечной плоской или открытой Вселенной должны были начать своё расширение одновременно. Если же Вселенная замкнута, то было непонятно, как она могла прожить ~10¹⁰ лет, несмотря на то, что типичное время жизни замкнутой горячей Вселенной не должно было бы сильно превосходить т. н. планковское время с (рис. 1).

Здесь М_P ~ 10¹⁹ ГэВ - планковская масса, М_Р = , где G - гравитационная постоянная [все величины приведены в системе единиц (принятой в теории элементарных частиц), в к-рой скорость света с и постоянная Планка ђ положены равными единице].

Ныне приобрели особую популярность Калуцы - Клейна теория и теория суперструн, согласно к-рым пространство-время Вселенной изначально имело размерность d > 4, но в нек-рых направлениях пространство как бы сжалось (скомпактифицировалось) в тонкую трубочку толщиной см. Поэтому макроскопич. тела не могут двигаться в этих направлениях и пространство-время представляется четырёхмерным. От того, сколько измерений скомпактифицировалось и как именно произошла компактификация, зависят и эфф. размерность пространства Вселенной, и свойства элементарных частиц в нём. Пока не выяснено, почему скомпактифицировались именно d-4 измерения (пространство-время оказалось четырёхмерным) и почему после компактификации (и последующих процессов нарушения симметрии) физ. взаимодействия разделились на слабые, сильные и эл--магнитные.

Осн. часть этих проблем можно решить (или обойти) в рамках теории Р. В. Общая черта разл. вариантов теории Р. В.- это наличие стадии экспоненциального (или квазиэкспоненциального) расширения Вселенной, находившейся в вакуумоподобном состоянии с большой плотностью энергии. Эту стадию наз. стадией раздувания или инфляции. После раздувания вакуумоподобное состояние распадается, рождающиеся при этом частицы взаимодействуют друг с другом, устанавливается термодинамич. равновесие и последующая эволюция происходит согласно теории горячей Вселенной (рис. 1).

Рис. 1. Изменение размера горячей Вселенной (её масштабного фактора Л) для трёх моделей Фридмана - открытой (О), плоской (П) и замкнутой (3) (тонкие линии). Жирными линиями изображены возможные пути эволюции раздувающейся области Вселенной. Из-за квантовогравитационных флуктуации Классическое описание расширения Вселенной возможно не ранее чем через 10^-43 с от момента Большого Взрыва (или от момента начала раздувания в данной области), t = 0. За время раздувания (~10_-³⁵ с) раздувающаяся область Вселенной увеличивается в раз.

В простейшем варианте теории Р. В. в изначальном вакуумоподобном состоянии находится пространство, заполненное достаточно однородным медленно меняющимся скалярным полем f. Поля такого типа часто фигурируют в единых теориях элементарных частиц (т. н. Хиггса поля ).Свойства полей Хиггса во многом схожи со свойствами бозе-конденсата куперовских пар в теории сверхпроводимости (см. Базе - Эйнштейна конденсация). Однако в отличие от обычного бозе-конденсата, однородное скалярное поле f, рассматриваемое в совр. теориях элементарных частиц, выглядит одинаково как для движущегося, так и для покоящегося наблюдателя. В этом смысле однородное скалярное иоле отличается от любой другой материальной среды, с к-рой можно было бы связать выделенную систему отсчёта (систему покоя среды). С точки зрения возможных проявлений, постоянное скалярное поле f ведёт себя как несколько изменённое вакуумное состояние. Осн. ф-ция полей такого рода в единых теориях элементарных частиц состоит в том, что, по-разному взаимодействуя с разными частицами, поле f меняет их массу и константы связи и тем самым нарушает симметрию между разными типами взаимодействий. Значение таких полей для космологии связано, в первую очередь, с тем, что пост. поле f может иметь большую плотность энергии V(f), от величины к-рой зависит скорость расширения Вселенной.

В широком классе теорий, включающем теорию мае-сивного скалярного поля V(f) = (m²/2)f², расширение Вселенной тормозит процесс изменения поля f. При больших значениях V(f)расширение идёт быстро, а величина поля f меняется очень медленно. Поэтому плотность энергии V(f) в течение большого времени остаётся почти постоянной, т. е., в отличие от плотности обычного вещества, она почти не убывает при расширении Вселенной (плотность энергии вакуума не меняется при расширении). Это в конечном счёте и приводит к экспоненциально быстрому росту (раздуванию) областей Вселенной, заполненных большим полем рис. 2): масштабный фактор R(t)~ ехр(Ht), где Причина того, что расширение Вселенной не приводит к убыванию энергии постоянного скалярного поля, состоит в том, что его тензор энергии-импульса пропорционален метрич. тензору,(см. Тяготение ).Это соответствует особому ур-нию состояния, связывающему r и r - плотность энергии поля f и давление: r = - p = V(f). При расширении Вселенной плотность энергии должна была бы уменьшаться, dp = -rdV, где dV - увеличение элемента объёма, но это уменьшение компенсируется за счёт того, что расширяющийся элемент объёма совершает при этом от-рицательную работу pdV = -rdV. Именно отрицат. значение давления в состоянии с пост. полем f лежит в основе возможности расширения Вселенной с пост. положит. относит. ускорением

В реалпстич. теориях элементарных частиц, кроме поля f, обеспечивающего раздувание, существует большое кол-во др. типов скалярных полей Ф, а их потенц. энергия V(Ф)зачастую имеет много локальных минимумов. Флуктуации, генерирующиеся во время раздувания, приводят к рождению разл. экспоненциально больших областей, заполненных разными полями Ф, соответствующими всем возможным минимумам энергии V(F). Квантовые флуктуации в областях с очень большими значениями поля f [при V(f) ~ рис. 2] могут приводить к формированию раздуваю'' щихся областей Вселенной с др. типами компактифи-нации. В результате Вселенная разбивается на много экспоненциально больших областей (рис. 3), внутри к-рых размерность пространства-времени, тип компакти-фикации и свойства элементарных частиц могут быть различными (т. н. доменная структура Вселенной). Мы живём в 4-мерном пространстве-времени, в к-ром существуют известные нам типы взаимодействий, но не исключено, что это происходит не потому, что только так и может быть устроен мир. Возможно, что в разных частях Вселенной могут реализоваться все мыслимые состояния, но жизнь известного нам типа возникает только в 4-мерном пространстве-времени с вполне определ. типами взаимодействий между элементарными частицами. Области Вселенной с иными свойствами, согласно теории Р. В., находятся от нас на расстоянии, на много порядков превышающем размеры наблюдаемой части Вселенной.