Оказывается , вселенная могла расшириться во время этой инфляции .

Период более чем в 10 раз

28

Хотя это невероятное количество, оно
удивительно могло произойти за доли секунды в очень ранней
Вселенной. В этом случае все в пределах всей нашей наблюдаемой вселенной
когда - то, до того как произошла инфляция, содержалось в области, намного меньшей, чем
мы могли бы проследить ее происхождение, если бы инфляция не произошла.

важно, настолько мало, что тогда было бы достаточно времени для
всей области, чтобы термализоваться и достичь точно такой же температуры.

Инфляция сделала возможным еще одно относительно общее предсказание. Когда воздушный
шар раздувается все больше и больше, кривизна его поверхности становится
все меньше и меньше. Нечто подобное происходит со Вселенной, размер которой
расширяется экспоненциально, как это может происходить во время инфляции, вызванной
постоянной и большой энергией ложного вакуума. Действительно, к тому времени, когда инфляция заканчивается
(решая проблему горизонта), кривизна Вселенной (если она
ненулевая для начала) доводится до абсурдно малого значения, так что даже
сегодня Вселенная кажется по существу плоской, если ее точно измерить.

Инфляция - единственное в настоящее время жизнеспособное объяснение как однородности
, так и плоскостности Вселенной, основанное на фундаментальных и
поддающихся вычислению микроскопических теориях частиц и их взаимодействий. Но
более того, инфляция делает возможным еще одно, возможно, еще более замечательное предсказание
. Как я уже описал, законы квантовой механики подразумевают
, что в очень малых масштабах, в течение очень короткого времени пустое пространство может казаться
кипящим, бурлящим варевом виртуальных частиц и полей, дико флуктуирующих
по величине. Эти “ квантовые флуктуации ” могут быть важны для
определения характера протонов и атомов, но обычно они
невидимы на больших масштабах, что является одной из причин, почему они кажутся нам такими
неестественными.

Однако во время инфляции эти квантовые флуктуации могут определять
, когда заканчиваются
периоды экспоненциального расширения различных малых областей пространства. Поскольку различные области перестают раздуваться в
несколько (микроскопически) разное время, плотность вещества и
излучения, которая возникает, когда энергия ложного вакуума высвобождается в виде тепловой
энергии в этих различных областях, немного отличается в каждой из них.

Картина флуктуаций плотности, которые возникают после инфляции — возникающая, я
должен подчеркнуть, из квантовых флуктуаций в остальном пустом пространстве —
оказывается точно согласующейся с наблюдаемой картиной холодных
и горячих точек на больших масштабах в космическом микроволновом фоновом
излучении. В то время как последовательность не является доказательством, конечно, среди космологов растет
мнение, что, опять же, если он ходит как утка и выглядит
как утка и крякает как утка, это, вероятно, утка. А если инфляция
действительно, если он ответственен за все малые флуктуации плотности материи
и излучения, которые впоследствии приведут к гравитационному коллапсу материи
на галактики, звезды, планеты и людей, то можно действительно сказать, что

мы все собрались здесь сегодня из - за квантовых флуктуаций в том, что по сути
является ничем.

Это настолько замечательно, что я хочу подчеркнуть это еще раз. Квантовые флуктуации,
которые в противном случае были бы совершенно невидимы, замораживаются
инфляцией и затем возникают как флуктуации плотности, которые производят
все, что мы можем видеть! Если мы все - звездная пыль, как я уже писал, это также
верно, если инфляция произошла, что мы все, буквально, возникли из квантового
небытия.

Это настолько поразительно неинтуитивно, что может показаться почти волшебным. Но
есть, по крайней мере, один аспект всего этого инфляционного престидигитирования, который может
показаться особенно тревожным. Откуда
вообще берется вся эта энергия? Как может микроскопически маленькая область в конечном итоге превратиться в
универсизированную область сегодня с достаточным количеством материи и излучения внутри нее, чтобы объяснить
все, что мы можем видеть?

В более общем плане мы могли бы задать вопрос: Как получается, что плотность
энергии может оставаться постоянной в расширяющейся Вселенной с космологической
постоянной или ложной энергией вакуума? В конце концов, в такой вселенной пространство
расширяется экспоненциально, так что если плотность энергии остается неизменной, то
полная энергия внутри любой области будет расти по мере увеличения объема этой области.

Это пример того, что Гут придумал как окончательный “ бесплатный
обед ”. Включение эффектов гравитации в мышление о Вселенной
позволяет объектам иметь — удивительно — как “ отрицательную ”, так и “ положительную ”
энергию. Эта грань гравитации допускает возможность того, что положительные энергетические
вещества, такие как материя и излучение, могут быть дополнены отрицательными энергетическими

конфигурациями, которые просто уравновешивают энергию созданного положительного энергетического
вещества. При этом гравитация может начаться с пустой вселенной — и закончиться
заполненной.

Это также может звучать немного подозрительно, но на самом деле это центральная часть
реального очарования, которое многие из нас испытывают к плоской вселенной. Это также
то, с чем вы, возможно, знакомы по физике средней школы.

Подумайте о том, чтобы подбросить мяч в воздух. А теперь бросьте
его посильнее (при условии, что вы не находитесь в помещении). Он будет подниматься выше
и оставаться в воздухе дольше, прежде чем вернуться. Наконец, если вы бросите его достаточно сильно,
он вообще не упадет. Он вырвется из гравитационного поля Земли и
продолжит движение в космос.

Откуда нам знать, когда мяч улетит? Мы используем простую материю
учета энергии. Движущийся объект в гравитационном поле Земли
обладает двумя видами энергии. Первая, энергия движения, называется кинетической энергией,
от греческого слова " движение ". Эта энергия, зависящая от
скорости объекта, всегда положительна. Другая составляющая энергии,
называемая потенциальной энергией (связанной с потенциалом выполнения работы), обычно
отрицательна.

Это происходит потому, что мы определяем полную гравитационную энергию
объекта, находящегося в состоянии покоя бесконечно далеко от любого другого объекта, как равную
нулю, что кажется разумным. Кинетическая энергия явно равна нулю, и мы
определяем потенциальную энергию как ноль в этой точке, поэтому полная гравитационная
энергия равна нулю.

Теперь, если объект не бесконечно далек от всех других объектов, но
близок к объекту, как Земля, он начнет падать на него из
- за гравитационного притяжения. Когда он падает, он ускоряется, и если он врезается во
что - то по пути (скажем, в вашу голову), он может сделать работу, скажем, разделив его
. Чем ближе он к поверхности Земли, когда его отпускают, тем меньше работы он
может сделать к тому времени, когда он ударяется о Землю. Таким образом, потенциальная энергия уменьшается по мере
приближения к Земле. Но если потенциальная энергия равна нулю, когда она
бесконечно удаленная от Земли, она должна становиться все более и более негативной, чем
ближе она приближается к Земле, потому что ее потенциал выполнять работу уменьшается, чем
ближе она приближается.

В классической механике, как я определил ее здесь, определение потенциальной
энергии произвольно. Я мог бы установить потенциальную энергию объекта как ноль
на поверхности Земли, и тогда это было бы какое - то большое число, когда
объект находится бесконечно далеко. Установка полной энергии на ноль в бесконечности
имеет физический смысл, но это, по крайней мере на данном этапе нашего обсуждения, просто
условность.

Независимо от того, где устанавливается нулевая точка потенциальной энергии,
удивительная вещь об объектах, которые подвержены только силе тяжести, заключается
в том, что сумма их потенциальной и кинетической энергий остается постоянной. Когда
объекты падают, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию движения,
а когда они отскакивают от земли, кинетическая энергия преобразуется обратно
в потенциальную, и так далее.

Это дает нам чудесный бухгалтерский инструмент для определения того, как быстро
нужно подбросить что - то в воздух, чтобы покинуть Землю, так как если
это в конечном итоге достигнет бесконечно далеко от Земли, его полная энергия

должно быть больше или равно нулю. Тогда я просто должен убедиться, что его
полная гравитационная энергия в момент, когда он покидает мою руку, больше или
равна нулю. Поскольку я могу контролировать только один аспект его полной энергии —
а именно скорость, с которой он покидает мою руку, — все, что мне нужно сделать, это найти
магическую скорость, где положительная кинетическая энергия шара равна
отрицательной потенциальной энергии, которую он имеет из - за притяжения на поверхности Земли.
Как кинетическая энергия, так и потенциальная энергия шара зависят точно
то же самое можно сказать и о массе шара, которая, следовательно, уравновешивается при
равенстве этих двух величин, и можно найти единую “ скорость убегания ”
для всех объектов с поверхности Земли, а именно около 7 миль в секунду,
когда полная гравитационная энергия объекта точно равна нулю.

Вы можете спросить, какое отношение все это имеет ко Вселенной в целом и к инфляции в
частности? То же самое вычисление, которое я только что описал
для шара, который я выбрасываю из руки на поверхность Земли, применимо ко
всем объектам в нашей расширяющейся Вселенной.

Рассмотрим сферическую область нашей Вселенной, центрированную на нашем местоположении (в
галактике Млечный Путь) и достаточно большую, чтобы охватить много галактик, но
достаточно маленькую, чтобы она находилась в пределах самых больших расстояний, которые мы можем наблюдать
сегодня:

Если область достаточно велика, но не слишком велика, то галактики на
краю области будут равномерно удаляться от нас из - за расширения Хаббла
, но их скорости будут намного меньше скорости света. В этом
случае применимы законы Ньютона, и мы можем игнорировать эффекты специальной и
общей теории относительности. Другими словами, каждый объект управляется физикой,
идентичной той, которая описывает шары, которые я только что представил себе, пытаясь
выбросить из Земли.

Рассмотрим галактику, показанную выше, удаляющуюся от центра
распределения, как показано на рисунке. Теперь, как и в случае с шаром от Земли, мы можем спросить
, сможет ли галактика вырваться из гравитационного притяжения всех
других галактик внутри сферы. И вычисление, которое мы бы выполнили
, чтобы определить ответ, точно такое же, как вычисление, которое мы
выполнили для шара. Мы просто вычисляем общую гравитационную энергию
галактики, основываясь на ее движении наружу (придавая ей положительную энергию), и
гравитационное притяжение его соседей (обеспечивающее отрицательную часть энергии). Если его
полная энергия больше нуля, он уйдет в бесконечность, а если меньше
нуля, он остановится и упадет внутрь.

Теперь, что примечательно, можно показать, что мы можем переписать простое
уравнение Ньютона для полной гравитационной энергии этой галактики таким
образом, чтобы точно воспроизвести уравнение Эйнштейна из общей теории относительности для
расширяющейся вселенной. И термин, соответствующий общей
гравитационной энергии галактики, становится в общей теории относительности термином
, описывающим кривизну Вселенной.

Так что же мы тогда находим? В плоской вселенной, и только в плоской вселенной,
полная средняя ньютоновская гравитационная энергия каждого объекта, движущегося
с расширением, точно равна нулю!

Именно это делает плоскую вселенную такой особенной. В такой вселенной
положительная энергия движения в точности компенсируется отрицательной энергией
гравитационного притяжения.

Когда мы начинаем усложнять вещи, допуская, что пустое пространство обладает
энергией, простая ньютоновская аналогия с мячом, подброшенным в воздух
, становится неправильной, но вывод остается по существу тем же. В плоской
вселенной, даже с небольшой космологической постоянной, пока масштаб
достаточно мал, чтобы скорости были намного меньше скорости света,
ньютоновская гравитационная энергия, связанная с каждым объектом во Вселенной
, равна нулю.

На самом деле, с помощью энергии вакуума “ свободный обед ” Гута становится еще более
драматичным. По мере того как каждая область Вселенной расширяется до все больших размеров, она
становится все ближе и ближе к тому, чтобы быть плоской, так что полная ньютоновская
гравитационная энергия всего, что возникает после того, как энергия вакуума
во время инфляции преобразуется в материю и излучение, становится точно
нулевой.

Но вы все еще можете спросить, откуда берется вся энергия, чтобы поддерживать постоянную
плотность энергии во время инфляции, когда Вселенная расширяется
экспоненциально? Здесь на помощь приходит еще один замечательный аспект общей
теории относительности. Не только гравитационная энергия объектов может быть отрицательной, но
и их релятивистское “ давление ” может быть отрицательным.

Отрицательное давление еще труднее представить, чем отрицательную энергию. Газ, скажем
, в баллоне, оказывает давление на стенки баллона. При этом, если он
расширяет стенки шара, он действительно работает на шаре. Работа, которую он
выполняет, заставляет газ терять энергию и охлаждаться. Однако оказывается, что
энергия пустого пространства гравитационно отталкивает именно потому, что
вызывает “ отрицательное ” давление в пустом пространстве. В результате этого
отрицательного давления Вселенная действительно работает на пустом пространстве, поскольку она
расширяется. Эта работа направлена на поддержание постоянной плотности энергии
пространства, даже когда Вселенная расширяется.

Таким образом, если квантовые свойства материи и излучения в конечном итоге наделяют
энергией даже бесконечно малую область пустого пространства в очень
ранние времена, эта область может стать сколь угодно большой и сколь угодно плоской.
Когда инфляция закончится, можно получить вселенную, полную вещества
(материи и излучения), и полная ньютоновская гравитационная энергия этого
вещества будет настолько близка, насколько можно себе представить, к нулю.

Итак, когда вся пыль осела, и после столетия попыток мы
измерили кривизну Вселенной и обнаружили, что она равна нулю. Вы можете
понять, почему так много теоретиков, таких как я, нашли это не только очень
удовлетворительным, но и очень внушающим.

Вселенная из Ничего... Действительно.

ГЛАВА 7

O

UR

M

РАЗВЕ ЭТО ВОЗМОЖНО

F

УТЮР