Введение экспоненциальной стадии решает все проблемы фридмановской космологии. Экспоненциальное решение (2) не имеет сингулярности. Оно обращается в нуль лишь при значении tв равным бесконечности. При любом конечном значении tв оно также остается конечным. Этот вывод согласуется и с простой физической картиной, нарисованной выше. Раздувание начинается при планковской длине 10 -33 см. Аналогично решается и проблема горизонта.
Что же происходит далее с этим гигантским пузырем? Как уже отмечалось, всякое состояние в вакууме неустойчиво и через промежуток времени 10 -35 с, оно распадается на множество областей, порождающих свои метагалактики. В этот момент происходит и существенное изменение структуры вакуума. Если до возмущения плотность энергии е была чрезвычайно велика, то после распада она оказывается очень малой. Во время перехода вакуума из одного состояния в другое осуществляется также и трансформация режима раздувания (2) в фридмановский режим (1). Вселенная распадается на множество метагалактик. Совершенно не очевидно, что эти метагалактики должны быть тождественны друг другу. Более того, даже первичные «пузыри» вселенные также могут не быть тождественными. Просачивание через потенциальный барьер вследствие начальных флуктуации может осуществляться из разных точек. Поэтому характеристики стадии раздувания, а, следовательно, метагалактик могут быть существенно различными.
При достаточно большом значении константы b Вселенная, даже за очень короткий промежуток времени 10-35с. увеличивается до гигантских размеров, превышающих намного порядков (по некоторым оценкам на миллион) размеры Метагалактики.
Однако существует и вторая, чрезвычайно редкая возможность:возмущение проходит потенциальный барьер. И в этот момент (длящийся примерно 10-35 с) происходит важнейшее (а для нашего очерка центральное) событие. Возмущение очень быстро (экспоненциально) развивается в вакууме. В отличие от формулы (1) в этом случае возмущение расширяется по закону:
расстояние r называется обычно планковской длиной в честь М. Планка, который впервые ввел ее в физику на заре нашего столетия.
В действительности же, потенциальный барьер не является абсолютным препятствием для просачивания частиц. С точки зрения квантовой механики всегда существует конечная, хотя как правило, очень малая вероятность прохождения объекта через потенциальный барьер. Поэтому существуют две возможности. Согласно первой, наиболее вероятной, вследствие неустойчивости вакуума в нем непрерывно возникают возмущения, которые затухают на расстояниях r Поясним физический смысл r. Эта величина характеризует размеры возмущений в вакууме. Согласно общепринятой точке зрения, в вакууме, соответствующему объединению всех известных взаимодействий, расстояние должно определяться универсальными фундаментальными постоянными: G ньютоновской постоянной тяготения; с скоростью света и p постоянной Планка. Из соображений размерности величина
Основная идея новой космологии строится на допущении, что начальные моменты расширения Вселенной осуществляются в вакууме. С первого взгляда, такая идея кажется абсурдной, поскольку она находится в противоречии с утверждением о стабильности вакуума.
В начале нашего десятилетия появилась модель раздувающейся Вселенной. В развитии новой теории, призванной устранить проблемы фридмановской космологии, активное участие приняли А. Гус (США), А. Д. Линде, А, А. Старобинский (СССР) и другие талантливые физики.
Схема раздувания и фридмановского расширения Метагалактики. На рис. А изображены фазовые переходы в вакууме, приводящие к образованию метагалактики (t=0). В этот момент плотность энергии вакуума (e) резко уменьшается. Вследствие огромного различия в скоростях раздувания и расширения приведенный рисунок является лишь иллюстрацией.
РАЗДУВАЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ
Однако необычное уравнение состояния препятствует полной стабилизации вакуума, частицы которого движутся в пространстве, ограниченном потенциальным барьером. Наглядно (но весьма упрощенно), проще всего представить вакуум в виде жидкости, кипящей в замкнутом сосуде.
Вакуум же характеризуется весьма нетривиальным уравнением состояния: е = -Р. Следовательно, одна из величин, например, давление Р, имеет отрицательное значение. Поэтому, в отличие от обычных форм вещества, частицы составляющие вакуум, стремятся «затащить» в свой объем другие частицы, увеличивая тем самым плотность энергии е. Вакуумное состояние, вообще говоря, неустойчиво. Если бы в вакууме не действовали внутренние силы, то он либо распался, либо «затащил» бы все реальные частицы так, что в мире не было бы иного состояния, кроме вакуумного. Однако сейчас полагают, что между составляющими вакуум частицами существует взаимодействие, которое характеризуется значительным потенциальным барьером. Наличие этого барьера препятствует распаду вакуума или превращению всех реальных частиц в виртуальные. Потенциальный барьер разделяет реальные и виртуальные миры.
Чтобы подойти к решению проблем фридмановской космологии, нужно пояснить понятие физического вакуума. Физическим вакуумом называют состояние, в котором отсутствуют реальные частицы, а плотность потенциальной энергии V имеет минимум. Почему сделан акцент на прилагательное «реальные»? В соответствии с квантовой теорией поля помимо реальных (обычных, наблюдаемых) частиц существуют также и виртуальные частицы, время жизни t которых чрезвычайно мало. Время определяется квантовомеханическим соотношением неопределенности. Тем не менее, есть косвенные доказательства существования виртуальных частиц. Вычисления, основанные на гипотезе существования физического вакуума (точнее многократных взаимодействий реальных частиц с виртуальными), приводят к предсказаниям, подтвержденным на опыте с фантастической точностью. Так, отличие магнитного момента электрона от боровского магнетона (аномальный магнитный момент) обязано многократному взаимодействию электрона с виртуальными частицами. Аномальный магнитный момент электрона вычислен с точностью до одиннадцатого знака и прекрасно согласуется с экспериментальными данными. Этот факт, так же как и другие результаты, убедительно подтверждает реальность физического вакуума как нового физического состояния материи. О том, что это новое состояние, свидетельствует следующий факт. Важнейшей характеристикой физической системы является уравнение состояния е=f(Р), связывающее давление (Р) и плотность энергии (е). В обычных системах зависимость f(Р) монотонно возрастающая функция. Обе величины е и Р существенно положительны. Этот вывод отражает хорошо известный факт: при увеличении числа частиц в единице объема возрастает их давление. Система, состоящая из частиц, как бы стремится вытолкнуть из занимаемого ею объема новые частицы.
ФИЗИЧЕСКИЙ ВАКУУМ
Общая астрономия. Далекая Вселенная. Метагалактика, Часть 2
Общая астрономия
Основы астрономии
древнейшая из наук
Общая астрономия. Метагалактика
Комментариев нет:
Отправить комментарий