<< 12.1 Трудности космологии | Оглавление | 12.3 Рост малых возмущений >>
12.2 Модель инфляционной Вселенной
Основная идея модели инфляционной Вселенной (А.Д. Линде,
А. Гус, А.А. Старобинский) состоит в том, что
в очень ранней Вселенной существовала необычная форма материи, которая
создавала "антигравитацию", заставляя Вселенную расширяться с ускорением
. Сама по себе антигравитация не должна восприниматься как
нечто чудесное - вспомним, что в рамках ОТО источником гравитационного
поля является не только вещество, но и давление (поток импульса).
Нет физического закона, который бы запрещал иметь
отрицательное давление. Более того, современная физика элементарных
частиц предполагает существование скалярных полей, одним из свойств которых
является реализация при некоторых достаточно общих
условиях уравнения состояния 
(давление отрицательно!).
Если в произвольно малой области где-либо
во Вселенной на ранних стадиях возникает такое поле, то при этом
уравнении состояния масштабный фактор этой области растет
экспоненциально со временем,
, где 
cconst - постоянная Хаббла. Решение
типа (12.1) с 
было получено голл. физиком Виллемом
Де Ситтером в 1917 г. из уравнений Эйнштейна с космологической постоянной и
носит его имя.
Отрицательное давление эффективно действует как
"антигравитация", заставляя Вселенную очень быстро расширяться.
Поясним последнее подробнее.
Из уравнений Фридмана (см. Лекцию 10)
имеем
поэтому при
получаем
и
т.е. экспоненциальный рост масштабного фактора при постоянной плотности энергии (работа сил давления точно компенсирует убывание энергии при расширении).
Экспоненциальное увеличение размеров области с постоянной плотностью означает рост массы (энергии) внутри области "из ничего", что на первый взгляд может показаться странным. Однако нарушения закона сохранения энергии здесь нет - рост положительной энергии точно компенсируется отрицательной энергией гравитационного поля, которое создается "появляющейся" положительной энергией внутри расширяющейся области. Поэтому в ходе инфляционного расширения полная энергия сохраняется.
Более формально можно расмотреть
термодинамическое соотношение (1-й
закон термодинамики, закон сохранения энергии). Т.к.
при расширении энтропия должна сохраняться 
,
изменение энергии в элементе объема компенсируется
работой сил давления:
С учетом
находим
,
т.е. изменения энергии при изменении объема не происходит.
Антигравитирующее состояние принципиально неустойчиво - оно экспоненциально
"распадается", подобно радиоактивному распаду ядер,
в обычное гравитирующее вещество.
Характерное время распада этого неустойчивого состояния определяется
как Хаббловское время 
. При распаде образуются релятивистские
частицы обычного вещества (лептоны, кварки и их суперсимметричные
партнеры). Столкновения и взаимодействия между
ними быстро приводят к установлению термодинамического равновесия
с уравнением состояния для релятивистской материи 
.
Для решения парадоксов Фридмановской космологии,
упомянутых выше, достаточно, чтобы инфляция продолжалась
около 70 Хаббловских времен. За это
время масштабный фактор увеличивается в
раз, и к моменту начала Фридмановской стадии
масштабный фактор оказывается порядка
см,
что и требуется для решения
проблемы
горизонта. Начальная плотность с нужной (
!) точностью
вполне естественно оказывается
равной 1 (решение проблемы плоскостности). Из-за экспоненциального роста
масштабного фактора начальные квантовые флюктуации уходят за горизонт
(который растет медленнее экспоненты), а затем на более поздних стадиях
(когда масштабный фактор растет как степень 
от времени) вновь
"входят" под горизонт (который растет пропорционально времени с момента
начала Фридмановского расширения),
уже усиленные расширением. При этом генерируется начальный спектр
возмущений, необходимых для формирования структур во Вселенной.
Таким образом, стадия инфляции за время 
с
"готовит" первичное очень горячее
вещество в области с размером порядка 0.01 см, которое расширяется
по инерции с 
. Это и есть не что иное, как модель
горячей Вселенной ("Большого Взрыва"). Теперь ясно, что роль
"взрыва" играла стадия инфляции.
Перечислим еще раз аргументы, свидетельствующие в
реальность существования стадии инфляционного расширения до
Фридмановской стадии в ранней Вселенной.
1. Большая энтропия Вселенной (
). В инфляционной
модели столь большое число получается "ценой" 70-кратного экспоненциального
роста масштабного фактора. Число порядка 100 легче объяснить в будущем
исходя из более фундаментальной теории.
2. Наличие однородного и изотропного Хаббловского расширения. Естественно получается как следствие действия антигравитации в ранней Вселенной.
3. Однородность и изотропия Вселенной в больших масштабах (проблема горизонта). Объясняется причинной связью всех флюктуаций в доинфляционный период.
4. Близость (точное равенство?) полной плотности к критической
(проблема плоскостности). Независимо от начальной величины 
,
на стадии инфляции
с нужной точностью.
5. Отсутствие магнитных монополей (частиц с массами порядка 
ГэВ,
предсказанных Дираком). В стандартной модели Большого Взрыва такие монополи
образовывались бы в эпоху 
ГэВ и в настоящее время
доминировали бы во Вселенной с абсурдным перевесом по плотности в 
.
В инфляционной модели образовавшиеся в доинфляционную эпоху монополи
"разносит" при экспоненциальном расширении на чудовищные расстояния и
их число становятся "безопасно малым" внутри современного горизонта.
6. Сфазированные осцилляции флюктуаций реликтового излучения в разных угловых масштабах (Сахаровские колебания). Это прямое указание на происхождение первичных флюктуаций внутри причинно-связанной области в доинфляционный период. В заключение кратко остановимся на широко обсуждающейся модели вечной инфляции. Суть ее заключется в том, что раз начавшись в каком-либо месте во Вселенной, инфляция не может остановится. Действительно, в отличие от радиоактивного распада, распад антигравитирующей субстанции в обычное вещество при инфляции приводит к экспоненциальному росту размеров области, занимаемой инфляцией, в которой область, занятая обычным веществом, экспоненциально мала (так как обычное вещество расширяется с замедлением, или даже на стадии динамической доминантности космологической постоянной с ускорением, но меньшим по сравнению с первоначальным). Таким образом представляется, что вся Вселенная оказывается заполненной распадающейся инфляционной фазой, внутри которой существует бесконечно много причинно-несвязанных "островов" обычной материи ("наша Вселенная" - всего лишь один из таких островов).
<< 12.1 Трудности космологии | Оглавление | 12.3 Рост малых возмущений >>
|
Публикации с ключевыми словами:
звезды - Межзвездная среда - Космология - теоретическая астрофизика - астрофизика
Публикации со словами: звезды - Межзвездная среда - Космология - теоретическая астрофизика - астрофизика | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> | |
