Коллектив авторов - Современная космология: философские горизонты

Инфляционная теория [68] GuthA.H. The Inflationary Universe. NY, 1996. представляет собой, возможно, наиболее крупный прорыв в космологии за последние десятилетия. Она основывается на гипотезе, что Вселенная за ничтожно короткое время после сингулярности (10 -42— 10 -36с) [69] Сажин М.В. Современная космология в популярном изложении. М., 2002. С. 37. возникла из сверхплотного вакуумоподобного состояния и прошла эпоху раздувания (инфляции). Это обозначает сверхбыстрое (дофридмановское) расширение Вселенной, которое происходит по экспоненциальному закону. В ходе этого процесса радиус Вселенной увеличился в 10 в степени 10 12раз. Большинство космологов разрабатывают именно инфляционные сценарии. Первый из них был предложен A.A. Старобинским еще в 1979 г., затем появились сценарии А. Гуса (1981 г.), так называемый новый сценарий (А.Д. Линде, А. Альбрехт, П. Стейнхардт 1982 г.), сценарий хаотического раздувания (А.Д. Линде 1983 г. и 1986 г.).

Общая черта различных инфляционных сценариев в космологии состоит в том, что все они признают огромную роль, которую играют в динамике Вселенной скалярные поля. Кроме четырех типов физических взаимодействий вводится еще одно — гипотетическое скалярное поле. Оно осуществляет взаимодействия между пока не известными в опыте массивными хиггсовскими частицами. Поля скалярных частиц обладают вакуумными состояниями, которые соответствуют отсутствию реальных скалярных частиц. Эти поля отличаются от полей других типов тем, что их свойства не зависят от движения наблюдателя. Они имитируют космологический вакуум в математических моделях. Считается, что скалярные поля создают механизм сверхбыстрого раздувания Вселенной. В некоторых случаях энергия скалярных полей уменьшается значительно медленнее, чем плотность массы обычной материи. Доминирование этой энергии во Вселенной, как следует из ОТО, и может вызывать раздувание.

Согласно сценарию хаотического раздувания плотность энергии скалярных полей в ранней Вселенной может принимать произвольные значения благодаря флуктуациям. При случайном образовании однородной конфигурации этого поля размером порядка 10 -33см и плотностью энергии, сравнимой с планковской плотностью (10 94г/см 3), начинается раздувание. Пространство флуктуации экспоненциально увеличивается в размерах со все возрастающей скоростью. Чем больше скалярное поле, тем сильнее оно раздувается. Такие редко встречающиеся области начинают занимать значительно большее пространство, чем все остальные. Плотность вакуума падает при этом на 122 (!) порядка. Там, где раздувание кончается, Вселенная разбивается на домены, т. е. области экспоненциально большого размера. (По некоторым подсчетам размер нашей Метагалактики после раздувания составлял 10 800см). Таким образом, А.Д. Линде в своем сценарии хаотического раздувания заменил идею уникальности Метагалактики на противоположную — идею множественности вселенных, т. е. физических объектов того же масштаба и порядка, что и наша Метагалактика.

Возможность бесконечного процесса рождения новых мини-вселенных заставляет предполагать, что вовсе не обязательно у этого процесса было какое-то единое начало. Стандартное утверждение о существовании общей космологической сингулярности не следует из топологических теорем о сингулярности и является «по меньшей мере недостаточно обоснованным». Не было, с точки зрения сценария хаотического раздувания, одного-единственного Большого взрыва; каждая мини-вселенная порождалась своим Большим взрывом.

В обоих случаях — рождение Вселенной из сингулярности и квантовое рождение ее из вакуума при планковской плотности — речь идет о возникновении области классического пространства-времени. Но классическое описание Вселенной вблизи сингулярности невозможно, т. к. квантовые флуктуации метрики были чрезвычайно сильными. Никаких часов и линеек, даже воображаемых, сделать нельзя. «Любые наблюдения, которые проводил бы воображаемый наблюдатель в эту эпоху, были бы нескоррелированы друг с другом… При каждом новом измерении наблюдатель как бы оказывается в совершенно новом мире» 2. Но в любом случае они бы описывались на разных языках. Понятие сингулярности — это классический язык описания, а возникновение Вселенной из пространственно-временной «пены» описывается квантовым языком. Однако мы можем быть уверены, что этих языков недостаточно для описания рождения Вселенной и не требуется язык квантовой теории гравитации.

Эпистемологическая природа экстраполяций инфляционной космологии крайне специфична. Обнаруживает свою ограниченность их физико-теоретическая основа, т. е. фундаментальные теории современной физики достигают пределов своей применимости. Далее, экстраполяции инфляционной космологии выходят далеко за пределы наблюдаемой Вселенной. Мы не можем, например, непосредственно обнаружить первичный вакуум, флуктуации которого порождают, согласно теории, множество минивселенных.

Как сочетается один из самых необычных интеллектуальных феноменов — теория инфляционной Вселенной — с принятыми в современной науке идеалами и нормами доказательности знания?

Во-первых, она связана принципом соответствия с фридмановской теорией. Но это — лишь необходимое, но отнюдь не достаточное условие ее состоятельности. Любая космологическая теория, претендующая на статус относительно истинной, должна удовлетворять принципу соответствия.

Во-вторых, инфляционная теория, по мнению многих космологов, разрешает все (или большую часть) парадоксов, показавших ограниченность фридмановского сценария. Парадокс сингулярности ослабляется тем, что Вселенная в начале расширения представляла собой квантовый объект, т. е. не была точкой с нулевым объемом, бесконечной плотностью и кривизной пространства, а занимала конечный объем, с плотностью хотя и сверхвысокой, но конечной.

В-третьих, инфляционная космология оказалась способной ответить на коренной вопрос, перед которым остановилась теория А.А. Фридмана: почему расширяется Вселенная? Помню, как много лет назад, слушая курс лекций А.Л. Зельманова по космологии, я задал ему этот вопрос. Мне показалось, что мой собеседник не видит в проблеме какой-либо особой остроты. Ответ звучал так: протяженные пространственно-временные миры, подобные Метагалактике, согласно ОТО не могут быть устойчивыми, вот она и расширяется. А.Л. Зельманов разрабатывал теорию анизотропной неоднородной Вселенной, в которой сингулярности вообще нет, а есть «регулярный минимум». (Кстати, это был еще один способ устранения сингулярности из теории). Но для большинства космологов драматизм сингулярности был очень даже ощутим. Современная теория решает этот вопрос, считая, что причина фридмановского расширения связана с отрицательным давлением вакуума.