Инфлация в космически мащаб
Как се появи космологичният инфлационен модел и докъде стигна
Космологията по някакъв начин е сходна с философията. Първо, по отношение на необятността на предмета на изследване, това е цялата Вселена като цяло. На второ място, поради факта, че някои от помещенията в него се приемат от учените като допустими, без възможност за провеждане на какъвто и да е проверителен експеримент. Трето, силата на предсказване на много космологични теории ще работи само ако успеем да влезем в други вселени - което не бива да се очаква.
Първо, няколко важни определения.
Антропният принцип е подход, който ни позволява да решим проблема с „фината настройка“ на основните физически константи във нашата Вселена чрез присъствието на наблюдател в нея. Факт е, че всяка привидно незначителна промяна във физическите закони прави невъзможно светът да се появи такъв, какъвто го виждаме. Увеличението на масата на протон с 0,2 процента, например, ще доведе до неговата нестабилност и във Вселената няма да има елементи, по-сложни от неутрон. Ако увеличим масата на неутрон със същите 0,2 процента, тогава той става нестабилен в състава на ядрата и ще се превърне в протон. В този случай ядрата, състоящи се само от протони, ще се разпаднат поради електрическо отблъскване - отново получаваме скучен и монотонен свят, където няма елементи, по-тежки от водорода. Четирите основни взаимодействия (силно, слабо, електромагнитно и гравитационно) имат приблизително еднаква „фина настройка“. Тоест, изглежда, че всички параметри са избрани по такъв начин, че ние като наблюдатели бихме могли да съществуваме.
Антропният принцип съществува в две форми: силен и слаб. Слабият антропен принцип е, че стойностите на всички физически и космологични величини не са еднакво вероятни, но трябва да са съвместими със съществуването на наблюдателя. В този смисъл антропният принцип се използва в космологията (и в биологията също). Силният антропен принцип налага задължително условие на Вселената (Вселената трябва да да бъде такъв, че да се появи наблюдател) и по този начин вече излиза извън границите на науката. Разграничението е доста фино, така че не би трябвало да е изненадващо, че космолозите отдавна избягват антропни разсъждения.
Квантовата гравитация все още не е пълен физически модел, който трябва едновременно да описва поведението на частиците на квантово (микро) ниво и в обикновени (макро) условия, където гравитацията играе основна роля. Един от подходите за „женене“ на гравитацията и квантовата механика е теорията на струните.
А сега към статията.
Защо изобщо е бил необходим нов, инфлационен модел на Вселената? Резултатите от космологични изследвания и анализ на съществуващи модели, както и компютърно моделиране на образуването на клъстери и галактики, бяха в отлично съгласие с резултатите от астрономическите наблюдения. Изглежда, какъв е проблемът?
Факт е, че съществуващите модели описват само последствията от Големия взрив, без да се чудят за неговото възникване. И този въпрос не е празен, макар и само защото енергията на Големия взрив, оказва се, е много необичайна (и сега се изчислява с голяма точност). Ако експлозията беше малко по-силна или малко по-слаба, тогава Вселената или ще се срути, сривайки се много бързо отново в огнено кълбо, или ще се разпръсне толкова бързо, че звездите и галактиките няма да имат шанс да се образуват. Цитирайки отличната книга на Александър Виленкин „Светът на много светове“: „Космологията на Големия взрив просто постулира, че огнената топка е имала необходимите свойства“.
До края на 70-те години почти никой от учените не се ангажира да обясни причините за образуването на Големия взрив и неговите необичайни свойства. Първият сериозен интерес в тази област е свързан с името на американския астрофизик Алън Гът, който се опита да реши този проблем, като въведе отблъскваща гравитация (да не се бърка с антигравитацията), водеща до космическа инфлация. Това обяснява рязкото увеличаване на размера на Вселената в първите моменти от нейното съществуване. Този процес беше наречен инфлация.
Същността на Модела на инфлационната космология (в опростена и лаконична версия тук) е, че първоначално Вселената не е била безкрайно малка. Това е много важно, защото премахва особеността, при която законите на физиката не работят. Освен това тя постулира съществуването на няколко вида вакуум. Този, който запълва пространството (нарича се истински вакуум) е най-ниската енергия. Освен него има поне електрослаб вакуум и вакуум на Великото обединение. В рамките на модела на Гут се смята, че именно тяхната енергия е довела до настъпването на инфлацията и появата на Вселената (всъщност се смята, че вместо Големия взрив е имало период на инфлация). И накрая, последната важна точка от модела е въвеждането в изчисленията на определено скаларно поле, инфлатонът, който е източникът на вакуумна енергия (пример за скаларно поле е стойността на температурата във всяка точка в помещението).
Всеки нов физически модел първо разглежда най-простата версия на някакво явление. Специални случаи, взаимодействия от висок порядък, изключения не се вземат под внимание - ако се вземат предвид незабавно, недовършената теория може да не издържи на голям брой противоречия и да се разпадне. Освен това, ако теорията е преминала първоначалния тест, тя обраства с „месо“, физическите й модели се усложняват, става по-гъвкава и устойчива на обяснение на различни наблюдения. Следователно, в модела, предложен от Гут, една важна и съществена идея първоначално не може да се похвали с добре развит физически апарат и много въпроси (които Гут бяха зададени директно при първата си реч с този модел в Станфорд през зимата на 1980 г.) все още няма отговори.