Astronet > Inflyaciya, kvantovaya kosmologiya i antropnyi princip. Vechnaya haoticheskaya inflyaciya

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

<< Kvantovye fluktuacii na inflyacionnoi stadii|Oglavlenie|Dochernie vselennye >>

Vechnaya haoticheskaya inflyaciya

Process razdeleniya vselennoi na razlichnye chasti eshe bolee uproshaetsya, esli prinyat' vo vnimanie effekt samovosproizvodstva inflyacionnyh oblastei. Osnovnoi mehanizm mozhno predstavit' sebe sleduyushim obrazom. Esli kvantovye fluktuacii dostatochno veliki, oni mogut lokal'no uvelichit' potencial'nuyu energiyu skalyarnogo polya v nekotoroi chasti vselennoi. Veroyatnost' kvantovyh perehodov, vedushih lokal'nomu k uvelicheniyu plotnosti potencial'noi energii mozhet byt' ochen' maloi, no oblast', gde oni proizoshli nachinaet rasshiryat'sya znachitel'no bystree ostal'nyh, i kvantovye fluktuacii v nei privodyat k rozhdeniyu novyh inflyacionnyh oblastei, kotorye budut rasshiryat'sya eshe bystree. Eto porazitel'noe povedenie vedet k effektu samovosproizvodstva vselennoi.

Etot process vozmozhen novom inflyacionnom scenarii (Steinhardt, 1982; Linde, 1982a; Vilenkin, 1983). Odnako, hotya vozmozhnost' ispol'zovaniya ego dlya dokazatel'stva antropnogo principa byla otmechena v rabote (Linde, 1982a), on ne privlek sushestvennogo vnimaniya, tak kak amplituda fluktuacii v novoi inflyacii obychno men'she $10^{-6} M_p$ . Etogo nedostatochno dlya proverki bol'shinstva kvantovyh sostoyanii teorii. V rezul'tate sushestvovanie samovosproizvodyashegosya rezhima v novoi inflyacionnoi modeli bylo prakticheski zabyto; dolgoe vremya etot effekt ne issledovalsya i ne ispol'zovalsya dazhe temi, chto ego otkryl.

Situaciya sushestvenno izmenilas', kogda bylo obnaruzheno, chto samovosproizvodstvo vselennoi imeet mesto ne tol'ko v novoi inflyacii, no i v modeli haoticheskoi inflyacii (Linde, 1986a). Chtoby ponyat' etot effekt, rassmotrim inflyacionnuyu oblast' nachal'nogo razmera $H^{-1}$ , soderzhashuyu dostatochno odnorodnoe pole s nachal'noi velichinoi $\phi \gg M_p$ . Vysheprivedennye uravneniya pokazyvayut, chto za harakternoe vremya $\Delta t=H^{-1}$ pole v oblasti umen'shitsya na $\Delta\phi = \frac{M_p^2}{4\pi\phi}$ . Sravnivaya dannoe vyrazhenie s amplitudoi kvantovyh fluktuacii $\delta\phi \sim {H\over 2\pi}= {m\phi\over\sqrt {3\pi} M_p}$ , legko videt', chto pri $\phi\gg \phi^*\sim {M_p\over 2} \sqrt{M_p\over m}$ imeem $|\delta\phi|\gg |\Delta\phi|$ , to est' dvizhenie polya $\phi$ za schet ego kvantovyh fluktuacii gorazdo bystree klassicheskogo.

Za harakternoe vremya $H^{-1}$ razmer oblasti s nachal'nymi razmerom $H^{-1}$ i polem $\phi \gg \phi^*$ vozrastaet v $e$ , a ee ob'em - v $e^3 \sim 20$ raz, i pochti v polovine etogo ob'ema pole $\phi$ vozrastaet vmesto togo, chtoby umen'shat'sya. Takim obrazom, ob'em inflyacionnoi oblasti s polem $\phi\gg\phi^*$ vozrastaet primerno v 10 raz. Zatem process povtoryaetsya, i vselennaya vhodit v vechnuyu stadiyu samovosproizvodstva. Ya nazyvayu etot process vechnoi inflyaciei.

V dannom scenarii skalyarnoe pole mozhet kolebat'sya beskonechno dolgo s plotnost'yu priblizhayusheisya k plankovskoi. Eto vozbuzhdaet kvantovye fluktuacii vseh drugih skalyarnyh polei, kotorye mogut prygat' iz odnogo minimuma potencial'noi energii v drugoi. Amplituda etih fluktuacii mozhet byt' ochen' bol'shoi, $\delta\varphi\sim \delta\Phi \sim 10^{-1} M_p$ . V rezul'tate kvantovye fluktuacii, generiruemye v hode vechnoi inflyacii, mogut pronikat' skvoz' lyubye bar'ery, dazhe bar'ery s vysotoi poryadka plankovskoi, i vselennaya posle inflyacii okazyvaetsya razdelennoi na beskonechno bol'shoe chislo eksponencial'no bol'shih oblastei, soderzhashih veshestvo vo vseh vozmozhnyh sostoyaniyah, sootvetstvuyushih vsem vozmozhnym mehanizmam spontannogo narusheniya simmetrii, to est' razlichnym zakonam fiziki pri malyh energiyah (Linde, 1986a; Linde et al, 1994).

Shirokii spektr vozmozhnostei mozhet otkryt' inflyaciya v teoriyah Kalucy-Kleina ili superstrun, v kotoryh prisutstvuet prakticheski beskonechnoe chislo vakuumnyh sostoyanii i variantov kompaktifikacii ishodnogo 10- ili 11-mernogo prostranstva. Tip kompaktifikacii opredelyaet konstanty svyazi, energiyu vakuuma, narusheniya simmetrii i, nakonec, effektivnuyu razmernost' prostranstva, v kotorom my zhivem. Kak bylo pokazano v rabote (Linde and Zelnikov, 1988), haoticheskaya inflyaciya pri pochti plankovskoi plotnosti mozhet privodit' k lokal'nomu izmeneniyu chisla kompaktificirovannyh izmerenii; vselennaya okazyvaetsya razdelennoi na eksponencial'no bol'shie oblasti razlichnoi razmernosti.

Inogda spektr razlichnyh vozmozhnostei nepreryven. Naprimer, v ramkah teorii Bransa- Dikke effektivnaya gravitacionnaya postoyannaya zavisit ot velichiny polya Bransa-Dikke, kotoroe takzhe flyuktuiruet v processe inflyacii. V rezul'tate vselennaya posle inflyacii okazyvaetsya razdelennoi na eksponencial'no bol'shie chasti so vsemi vozmozhnymi znacheniyami gravitacionnoi postoyannoi $G$ i amplitudy fluktuacii plotnosti ${\delta\rho\over \rho}$ (Linde, 1990b; Garcia-Bellido et al 1994). Inflyaciya mozhet razdelyat' vselennuyu na eksponencial'no bol'shie oblasti s nepreryvno menyayushimsya otnosheniem chisel barionov i fotonov ${n_B\over n_\gamma}$ (Linde, 1985), i, sootvetstvenno, s galaktikami, imeyushimi sushestvenno razlichnye svoistva (Linde, 1987b). Inflyaciya mozhet takzhe nepreryvno menyat' effektivnoe znachenie energii vakuuma (kosmologicheskoi postoyannoi $\Lambda$ ), chto yavlyaetsya neobhodimoi predposylkoi dlya mnogih popytok naiti antropnoe reshenie problemy kosmologicheskoi postoyannoi (Linde, 1984b,1986b; Weinberg, 1987; Efstathiou, 1995; Vilenkin, 1995b; Martel et al, 1998; Garriga and Vilenkin, 2000,2001b,2002; Bludman and Roos, 2002; Kallosh and Linde, 2002). V takih usloviyah samye raznoobraznye nabory parametrov fiziki chastic (mass, konstant svyazi, energii vakuuma i t.d.) mogli vozniknut' po okonchanii inflyacionnoi stadii.

Chtoby prodemonstrirovat' vozmozhnye sledstviya takih teorii v kontekste inflyacionnoi kosmologii, rassmotrim rezul'taty komp'yuternogo modelirovaniya evolyucii sistemy dvuh skalyarnyh polei v processe haoticheskoi inflyacii (Linde et al, 1994). Pust' $\phi$ - inflaton, to est' pole, vyzyvayushee inflyaciyu; velichina ego pokazana vysotoi poverhnosti $\phi(x,y)$ na dvumernom sreze vselennoi. Pole $\chi$ opredelyaet tip vozmozhnogo v teorii spontannogo narusheniya simmetrii. Raskrasim poverhnost' chernym, esli pole v dannoi tochke nahoditsya v sostoyanii, sootvetstvuyushem odnomu iz dvuh minimumov effektivnogo potenciala i belym, - esli vtoromu, chto sootvetstvuet razlichnym tipam narusheniya simmetrii i, sootvetstvenno, razlichnym naboram zakonov fiziki pri nizkih energiyah.

V nachale vsya inflyacionnaya oblast' yavlyaetsya chernoi, i raspredeleniya oboih polei ochen' odnorodny. Potom oblast' rasshiryaetsya do eksponencial'no bol'shih masshtabov i okazyvaetsya razdelennoi na eksponencial'no bol'shie domeny s raznymi svoistvami (sm. ris. 2). Kazhdyi pik na kartinke sootvetstvuet prakticheski plankovskoi plotnosti i mozhet rassmatrivat'sya kak nachalo novogo Bol'shogo Vzryva. Zakony fiziki tam menyayutsya ochen' bystro., odnako oni neizmenny v teh chastyah vselennoi, gde pole $\phi$ malo - to est' v "dolinah" risunka 2. Kvantovye fluktuacii skalyarnyh polei delyat vselennuyu na eksponencial'no bol'shie oblasti s razlichnymi zakonami fiziki pri malyh temperaturah i razlichnymi plotnostyami energii.

Tipichnoe raspredelenie skalyarnyh polei $\phi$ i $\chi$ v processe samovosproizvedeniya vselennoi. Vysota raspredeleniya otrazhaet velichinu polya $\phi$ , kotoroe vyzyvaet inflyaciyu. Poverhnost' raskrashena chernym, esli pole $\chi$ v dannoi tochke nahoditsya v sostoyanii, sootvetstvuyushem odnomu iz dvuh minimumov effektivnogo potenciala i belym, - esli vtoromu. Zakony fiziki pri malyh energiyah razlichny v oblastyah raznogo cveta. Vershiny "gor" sootvetstvuyut tochkam, v kotoryh kvantovye fluktuacii vozvrashayut skalyarnye polya k plankovskoi plotnosti. V nekotorom smysle kazhduyu takuyu tochku mozhno schitat' nachalom novogo Bol'shogo Vzryva.

V rezul'tate kvantovyh skachkov skalyarnyh polei vselennaya okazyvaetsya razdelennoi na beskonechnoe mnozhestvo eksponencial'no bol'shih oblastei s razlichnymi zakonami fiziki pri malyh energiyah. Kazhdaya iz etih oblastei nastol'ko velika, chto prakticheski mozhet rassmatrivat'sya kak otdel'naya vselennaya: sushestva, ee naselyayushie, budut zhit' eksponencial'no daleko ot ee granic, i potomu nikogda nichego ne uznayut o sushestvovanii drugih "vselennyh" s drugimi svoistvami.

Esli etot scenarii spravedliv, fizika sama po sebe ne sposobna dat' polnoe ob'yasnenie vsem svoistvam nashei chasti vselennoi. Odna i ta zhe fizicheskaya teoriya mozhet opisyvat' razlichnye oblasti vselennoi s sovershenno raznymi svoistvami. V sootvetstvii s etim scenariem my zhivem v chetyrehmernoi oblasti vselennoi s nashimi fizicheskimi zakonami ne potomu, chto oblasti drugoi razmernosti ili s drugimi zakonami nevozmozhny ili maloveroyatny, a prosto potomu, chto zhizn' tipa nashei v nih nevozmozhna.

Otsyuda sleduet prostoe dokazatel'stvo slabogo antropnogo principa, ne podverzhennoe obychnym protiv nego vozrazheniyam. Bolee ne trebuetsya nekaya sverhprirodnaya prichina, sozdayushaya nashu vselennuyu so special'no podobrannymi dlya vozmozhnosti nashego sushestvovaniya parametrami. Inflyacionnaya vselennaya sama po sebe, bez vsyakogo vneshnego vmeshatel'stva, rozhdaet eksponencial'no bol'shie oblasti so vsemi vozmozhnymi zakonami fiziki. I my ne dolzhny bolee porazhat'sya tomu, chto prigodnye dlya nashego sushestvovaniya usloviya realizuyutsya na takih bol'shih masshtabah - esli dazhe oni iznachal'no ustanovilis' tol'ko v nashei okrestnosti, inflyaciya ustanavlivaet ih vo vsei nablyudaemoi chasti vselennoi.

Novye vozmozhnosti, poyavlyayushiesya v rezul'tate otkrytiya samovosproizvedeniya vselennoi, mogut otkryt' dorogu tomu, chto ya nazyvayu darvinovskim podhodom k kosmologii (Linde, 1987a; Vilenkin, 1995; Garcia-Bellido and Linde, 1995). Mutacii zakonov fiziki mogut privodit' k formirovaniyu oblastei, skorost' rasshireniya kotoryh vyshe; eti oblasti zaimut, sledovatel'no, bol'shii ob'em vo vselennoi i budut dostupny bol'shemu chislu nablyudatelei.

S drugoi storony, summarnyi ob'em oblastei kazhdogo tipa rastet beskonechno. Eto skoree pohozhe na mirnoe sosushestvovanie, a inogda dazhe na plodotvornoe sotrudnichestvo - bystro rastushie oblasti rozhdayut vokrug sebya mnozhestvo bolee medlennyh. V etom sluchae dostigaetsya stacionarnoe sostoyanie, i skorosti rosta polnogo ob'ema oblastei kazhdogo tipa stanovyatsya primerno odinakovymi (Linde et al, 1994).

<< Kvantovye fluktuacii na inflyacionnoi stadii|Oglavlenie|Dochernie vselennye >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: antropnyi princip - Kosmologiya - kosmologicheskaya postoyannaya - kosmomikrofizika - inflyacionnaya Vselennaya - inflyaciya - Vselennaya Publikacii so slovami: antropnyi princip - Kosmologiya - kosmologicheskaya postoyannaya - kosmomikrofizika - inflyacionnaya Vselennaya - inflyaciya - Vselennaya
Sm. takzhe: JADES-GS-z14-0: novyi samyi dalekii ob'ekt "Illyustris" modeliruet Vselennuyu Edvin Habbl otkryvaet Vselennuyu Karta nablyudaemoi Vselennoi Poslanie ot gravitacionnoi Vselennoi Raskras'te Vselennuyu Stepeni desyati Vse publikacii na tu zhe temu >>

Mneniya chitatelei [16]

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce