Одна з найвражаючих і найважливіших ідей сучасної космології стверджує, що Всесвіт на ранніх етапах розвитку пережив короткий, але надзвичайно швидкий період розширення, який називається інфляцією. Ця інфляційна епоха, запропонована в кінці 1970-х і на початку 1980-х років такими фізиками, як Алан Гут, Андрій Лінде та іншими, дає елегантні відповіді на кілька глибоких космологічних проблем, серед яких – проблема горизонту та плоскості. Ще важливіше, інфляція допомагає пояснити, як виникнення великих структур Всесвіту (галактик, скупчень галактик і космічної сітки) могло походити з крихітних, мікроскопічних квантових флуктуацій.
У цій статті ми розглянемо суть квантових флуктуацій і як під час швидкої космічної інфляції вони розтягнулися та посилилися, зрештою залишивши сліди в космічному мікрохвильовому фоні (КМФ) і ставши зачатками галактик та інших структур Всесвіту.
2. Початкова ситуація: ранній Всесвіт і потреба в інфляції
2.1 Стандартна модель Великого вибуху
Перед пропозицією ідеї інфляції космологи пояснювали розвиток Всесвіту, спираючись на Стандартну модель Великого вибуху. Згідно з цим підходом:
- Всесвіт почався з надзвичайно густого, гарячого стану.
- Під час розширення вона охолоджувалась, а матерія та випромінювання взаємодіяли різними способами (синтез ядер легких елементів, відокремлення фотонів тощо).
- З часом, під дією гравітаційного тяжіння, сформувалися зорі, галактики та великі структури.
Однак сам Стандартний модель Великого вибуху не був достатнім, щоб пояснити:
- Проблема горизонту: Чому космічне мікрохвильове фонове випромінювання (КМФ) майже в усіх напрямках виглядає таким однорідним, хоча теоретично великі області Всесвіту не мали можливості обмінюватися інформацією (світлом) від початку Всесвіту?
- Проблема плоскості: Чому геометрія Всесвіту так близька до просторової площини, тобто чому густина матерії та енергії майже ідеально збалансована, хоча для цього потрібні надзвичайно точно налаштовані початкові умови?
- Проблема монополів (та інших реліктів): Чому непередбачені екзотичні релікти (наприклад, магнітні монополі), передбачені деякими теоріями Великого об’єднання, не спостерігаються?
2.2 Інфляційне розв’язання
Інфляція стверджує, що дуже рано – приблизно при 10−36 секунда після Великого вибуху (за деякими моделями) – перехід фаз спричинив величезне, експоненційне розширення простору. Цей короткий період (тривалістю, можливо, до ~10−32 секунд) збільшили розмір Всесвіту щонайменше в 1026 разів (часто вказують ще більші фактори), тому:
- Проблема горизонту: Області, які сьогодні здаються ніколи не мали спільного зв’язку, насправді були тісно пов’язані до інфляції, а потім «роздуті» дуже далеко одна від одної.
- Проблема плоскості: Швидке розширення «вирівнює» будь-яку ранню кривизну простору, тому Всесвіт здається майже плоским.
- Проблема реліктів: Можливі екзотичні релікти розріджуються настільки, що стають майже непомітними.
Хоча ці властивості вражають, інфляція дає ще глибше пояснення: самі зачатки структур.
3. Квантові флуктуації: насіння структур
3.1 Квантова невизначеність на найменших масштабах
У квантовій фізиці принцип невизначеності Гейзенберга стверджує, що у полях існують неминучі флуктуації на дуже малих (субатомних) масштабах. Ці флуктуації особливо важливі для будь-якого поля, що заповнює Всесвіт – особливо для так званого «інфлятона», який, як вважають, викликає інфляцію, або інших полів залежно від моделі інфляції.
- Вакуумні флуктуації: Навіть у «порожньому» вакуумному стані квантові поля мають нульову точку енергії (zero-point energy) і флуктуації, які викликають незначні відхилення енергії чи амплітуди в часі.
3.2 Від мікроскопічних хвиль до макроскопічних пертурбацій
Під час інфляції простір розширюється експоненціально (або принаймні дуже швидко). Маленька флуктуація, яка спочатку займала частку області, у тисячі разів меншу за протон, може бути розтягнута до астрономічних масштабів. Точніше:
- Початкові квантові флуктуації: На субпланківських або близьких до планківських масштабах квантові поля зазнають невеликих випадкових коливань амплітуди.
- Розтягнення інфляції: Оскільки Всесвіт розширюється експоненціально, ці флуктуації «заморожуються», щойно досягають інфляційного горизонту (подібно до того, як світло не може повернутися, перейшовши межу розширюваної області). Коли масштаб пертурбацій стає більшим за радіус Хаббла під час інфляції, вони перестають коливатися як квантова хвиля і фактично стають класичною пертурбацією густини поля.
- Пертурбації густини: Після завершення інфляції енергія поля перетворюється на звичайну матерію та випромінювання. Області, де через квантові флуктуації утворилася дещо інша амплітуда поля, відповідно стають регіонами з трохи іншою густиною матерії та випромінювання. Саме ці більш/менш густі області стають зачатками подальшої гравітаційної взаємодії та формування структур.
Цей процес пояснює, як випадкові флуктуації мікроскопічного рівня перетворюються на великомасштабні неоднорідності Всесвіту, видимі сьогодні.
4. Механізм детальніше
4.1 Інфлятон і його потенціал
У багатьох моделях інфляції передбачається гіпотетичне скалярне поле, яке називається інфлятоном. Це поле має певну потенційну функцію V(φ). Під час інфляції майже вся енергетична густина Всесвіту визначається потенційною енергією цього поля, що викликає експоненціальне розширення.
- Умова повільного сповзання: Щоб інфляція тривала достатньо довго, поле φ має «повільно котитися» своїм потенціалом, тому потенційна енергія змінюється незначно протягом досить тривалого часу.
- Квантові флуктуації інфлятона: Інфлятон, як і кожне квантове поле, зазнає флуктуацій навколо свого середнього значення (рівня вакууму). Ці квантові варіації в регіонах призводять до незначних відмінностей у густині енергії.
4.2 Перетин горизонту та "заморожування" флуктуацій
Важливою концепцією є ідея горизонту Хаббла (або радіуса Хаббла) під час інфляції, RH ~ 1/H, де H – параметр Хаббла.
- Підгоризонтна стадія: Коли флуктуації менші за радіус Хаббла, вони поводяться як звичайні квантові хвилі, швидко коливаючись.
- Перетин горизонту: Швидке розширення різко розтягує довжину хвилі флуктуацій. Коли їх фізична довжина хвилі стає більшою за радіус Хаббла, кажуть, що відбувається перетин горизонту.
- Надгоризонтна стадія: Потрапивши за горизонт, ці коливання фактично "заморожуються", зберігаючи майже сталу амплітуду. У цей момент квантові флуктуації стають класичними збуреннями, які пізніше визначають розподіл густини матерії.
4.3 Повернення до горизонту після інфляції
Коли інфляція закінчується (часто близько ~10−32 за секунду, за більшістю моделей), відбувається повторний нагрів (reheating): енергія інфлатона перетворюється на частинки, створюючи гарячу плазму. Всесвіт переходить до звичайної еволюції Великого вибуху, де спочатку домінує випромінювання, а пізніше – матерія. Оскільки радіус Хаббла тепер зростає повільніше, ніж під час інфляції, масштаби флуктуацій, які колись стали надгоризонтними, повертаються назад у підгоризонтну область і починають впливати на динаміку матерії, зростаючи під дією гравітаційної нестабільності.
5. Зв’язок зі спостереженнями
5.1 Анізотропії космічного мікрохвильового фону (КМФ)
Одна з найяскравіших успіхів інфляції – прогноз, що флуктуації густини, утворені в ранньому Всесвіті, залишать характерні коливання температури у космічному мікрохвильовому фоні.
- Масштабно-інваріантний спектр: Інфляція природно прогнозує майже масштабно-інваріантний спектр збурень, тобто амплітуда флуктуацій майже однакова на різних довжинах хвиль, з невеликим "нахилом" спектра, який ми можемо спостерігати сьогодні.
- Акустичні піки: Після інфляції акустичні хвилі у фотонно-баріонній рідині формують чіткі піки у спектрі потужності КМФ. Такі спостереження, наприклад, COBE, WMAP і Planck, дуже точно вимірюють ці піки, підтверджуючи багато рис теорії інфляційних збурень.
5.2 Великомасштабна структура
Ті самі первинні флуктуації, видимі у КМФ, з часом за мільярди років розвиваються у космічну мережу галактик і скупчень, спостережувану у масштабних проєктах спостережень (наприклад, Sloan Digital Sky Survey). Гравітаційна нестабільність посилює більш щільні області, які згодом колапсують у філаменти, гало та скупчення, а рідкісніші області розтягуються у пустоти (voids). Статистичні властивості цих великих структур (наприклад, спектр потужності розподілу галактик) чудово узгоджуються з прогнозами інфляції.
6. Від теорії до мультивсесвіту?
6.1 Вічна інфляція
Деякі моделі стверджують, що інфляція не завжди закінчується одночасно всюди. Через квантові коливання поля інфлятона в певних регіонах простору поле може знову піднятися потенціалом, тому інфляція там триває. Так виникають «бульбашки», де інфляція завершується в різний час — це вічна інфляція або гіпотеза «мультивсесвіту».
6.2 Інші моделі та альтернативи
Хоч інфляція є основною теорією, кілька альтернативних теорій намагаються розв’язати ті ж космологічні проблеми. Серед них — екпіротичні/циклічні моделі (базовані на зіткненнях мембран теорії струн) та модифікована гравітація. Проте жодна з конкуруючих моделей ще не зрівнялася з інфляцією за простотою та точністю відповідності даним. Ідея посилення квантових флуктуацій залишається наріжним каменем у більшості пояснень формування теоретичних структур.
7. Важливість і майбутні напрямки
7.1 Сила інфляції
Інфляція не лише пояснює великі космічні питання, а й пропонує цілісний механізм виникнення ранніх флуктуацій. Парадоксально, але крихітні квантові флуктуації можуть залишити такий величезний вплив — це підкреслює, наскільки тісно квантові явища пов’язані з космологією.
7.2 Виклики та відкриті питання
- Природа інфлятона: Які частинки чи поля насправді спричинили інфляцію? Чи пов’язано це з теорією Великого об’єднання, суперсиметрією чи концепціями теорії струн?
- Рівень енергії інфляції: Дані спостережень, зокрема вимірювання гравітаційних хвиль, можуть розкрити, на якій енергетичній шкалі відбувалася інфляція.
- Дослідження гравітаційних хвиль: Більшість моделей інфляції передбачають фон первинних гравітаційних хвиль. Такі проєкти, як BICEP/Keck, обсерваторія Симонса та майбутні експерименти з поляризації КМФ, прагнуть виявити або обмежити «співвідношення тензора і скаляра» r, що безпосередньо вказує на рівень енергії інфляції.
7.3 Нові можливості спостережень
- 21 см космологія: Спостерігаючи 21-сантиметрове випромінювання водню в ранні часи, можна по-новому досліджувати формування космічної структури та пертурбації інфляції.
- Опитування наступного покоління: Проєкти, такі як обсерваторія Вери С. Рубін (LSST), Euclid та інші, обіцяють детально картографувати розподіл галактик і темної матерії, дозволяючи уточнити параметри інфляції.
8. Висновок
Теорія інфляції витончено пояснює, як Всесвіт міг надзвичайно швидко розширитися в перші частки секунди, розв'язуючи класичні проблеми сценарію Великого вибуху. Водночас інфляція прогнозує, що квантові флуктуації, зазвичай помітні лише на субатомному рівні, були збільшені до космічних масштабів. Саме ці флуктуації сформували різниці густини, які визначили появу галактик, скупчень і великої космічної сітки.
Водночас, хоча численні точні спостереження космічного мікрохвильового фону та великомасштабної структури підтримують картину інфляції, залишається багато невідповідей — від природи інфлатона до справжньої форми інфляційного потенціалу чи навіть можливості, що наша спостережувана Всесвіт є лише однією з незліченних інших у мультивсесвіті. З накопиченням нових даних ми дедалі глибше усвідомлюватимемо, як малі квантові «клацання» виросли у безліч зірок і галактик, підкреслюючи тісний зв’язок квантової фізики з макрокосмічними масштабами.
Джерела:
Hawking, S. W., & Ellis, G. F. R. (1973). The Large Scale Structure of Space-Time. Cambridge University Press.
– Класична праця, що досліджує кривизну простору-часу та поняття сингулярностей у контексті загальної теорії відносності.
Penrose, R. (1965). "Гравітаційний колапс і сингулярності простору-часу." Physical Review Letters, 14(3), 57–59.
– Стаття про умови, що призводять до утворення сингулярностей під час колапсу зірок.
Guth, A. H. (1981). "Інфляційний Всесвіт: можливо рішення проблем горизонту та плоскості." Physical Review D, 23(2), 347–356.
– Перший фундаментальний твір, що вводить поняття космічної інфляції для розв’язання проблем горизонту та плоскості.
Linde, A. (1983). "Хаотична інфляція." Physics Letters B, 129(3–4), 177–181.
– Альтернативна модель інфляції, що обговорює різні сценарії та питання початкових умов Всесвіту.
Bennett, C. L., et al. (2003). "Спостереження першого року Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP): попередні карти та основні результати." The Astrophysical Journal Supplement Series, 148(1), 1.
– Основні дослідження космічного мікрохвильового фону, що підтверджують прогнози інфляції.
Planck Collaboration. (2018). "Результати Planck 2018. VI. Космологічні параметри." Astronomy & Astrophysics.
– Останні космологічні дані, що дуже точно визначають геометрію та еволюцію Всесвіту.
Rovelli, C. (2004). Quantum Gravity. Cambridge University Press.
– Детальна праця про квантову гравітацію, що розглядає альтернативні трактування сингулярності.
Ashtekar, A., Pawlowski, T., & Singh, P. (2006). "Квантова природа великого вибуху: покращена динаміка." Physical Review D, 74(8), 084003.
– Стаття про те, як теорії квантової гравітації можуть скоригувати класичне уявлення про сингулярність Великого вибуху, пропонуючи натомість «квантовий відскок».