А была ли инфляция во Вселенной?

На днях позвонил мне академик Николай Семенович Кардашев и сказал: Виталий Лазаревич Гинзбург интересуется откликами на статью Э.Б. Глинера в последнем выпуске УФН. И вот четвертый день я читаю эту статью и открываю все новые и новые интереснейшие вещи...

В последнем номере УФН вышла статья Эраста Борисовича Глинера "Раздувающаяся Вселенная и вакуумоподобное состояние физической среды"(УФН, 3, 2002). Первое, что я хотел бы сделать — это порекомендовать всем (в особенности узким специалистам) вдумчиво и незамедлительно прочитать ее.

Статья Глинера посвящена критике современной инфляционной космологии — теории предполагающей, что в прошлом Вселенная проходила грандиозную стадию "раздувания", когда ее размер вырос в огромное число раз из-за наличия особой физической среды с отрицательным давлением. Драматизм ситуации состоит в том, что эту модель критикует человек, который, фактически, и заложил ее фундамент еще в 1965 году! И не только заложил, но сформулировал основные идейные положения (вплоть до "раздувания"). Фактически за 15 лет до возникновения "инфляционного" сценария вся партитура была написана и опубликована в ЖЭТФ. Однако, и на этом настаивает Глинер, "музыканты" сильно переврали мелодию. Свой собственный сценарий начатый в 1965 году ему совместно И.Г. Дымниковой удалось существенно продвинуть в 1975 году (Письма в АЖ, т.1, Т7, 1975). Напомню, что работа А. Гуса (придумавшего слово "инфляция") появилась в 1981 году, через 15 лет после работы Э.Б. Глинера, через 6 лет после работы Гуревича, через два года после работы А.А. Старобинского, которые развивали идеи Глинера.

Итак, по сути. В 1965 году Э.Б. Глинер показал, что вакуум у которого давление в точности равно плотности энергии с обратным знаком Лорентц-инвариантен. Другими словами такая особая пустота (классическая пустота является частным случаем, когда плотность энергии равна нулю) абсолютно не влияет на движение пробных тел. Тела не испытывают трения и двигаются по геодезическим (в классике — двигаются равномерно и прямолинейно согласно принципу Галилея). Знаменитый лямбда-член, введенный Эйнштейном, теперь интерпретировался как энергия вакуума. Вселенная заполненная такой пустотой не является эвклидовой, а описывается метрикой де-Ситтера. Эта Вселенная абсолютно статична и любые движения в ней являются координатным эффектом. Классический аналог: прямолинейное равномерное движение в пустоте — не обнаружимо!

В своей статье Глинер сравнивает два сценария: "инфляционный" и свой — расширение Вселенной из некоего вакуумно-подобного состояния с ненулевой энергией и отрицательным давлением. На самом деле сценарии страшно похожи внешне — и там и там есть стадия сильного — на десятки порядков — увеличения размеров Вселенной. Но вот физический дух у обоих сценариев абсолютно разный.

Напомним, что современная стандартная инфляционная модель предполагает рождение Вселенной из сингулярности (из некого состояния, плотность которого описывается планковскими масштабами). Теории этого состояния нет. В ОТО это состояние просто есть сингулярность. После проговаривания неких слов о рождении Вселенной из планковской пены начинает уже работать модель инфляции: считается, что существует скалярное поле, которое "скатывается" из состояния с высокой энергией и в результате изменения температуры происходит фазовый переход и возникает уже обычная материя. При этом уравнение состояния наполнителя Вселенной в точности совпадает с уравнением вакуумного состояния Глинера и плотность энергии в каждом кубическом сантиметре сохраняется. Однако Вселенная раздувается (по экспоненте), объем растет и соответственно увеличивается полная энергия Вселенной. С плотностью энергии происходит то же самое, что с нашей зарплатой в период инфляции — деньги мы получаем те же, но стоят они меньше, потому что общая масса денег в государстве быстро нарастает. После остывания и образования обычной материи давление среды становится положительным и Вселенная разлетается по инерции постепенно тормозясь силами самопритяжения — Фридмановское расширение в эпоху которого мы и живем.

Для чего вся эта кутерьма? Дело в том, что в космологии Фридмана давно существовали некие парадоксы требовавшие хоть какого-то физического объяснения:

1). Фридмановская Вселенная обладает одним нехорошим свойством — она возникает из причинно-несвязанных областей в прошлом. Это легко понять если сравнить радиус причинной области (он пропорционален возрасту Вселенной) с радиусом Вселенной (во фридмановской Вселенной он описывается просто законом Кеплера) возраст в степени 2/3. Если возраст мал, то радиус причинно-связанной области всегда меньше размеров Вселенной. Что в этом плохого? Да дело в том, что сейчас эти причинно-несвязанные области абсолютно одинаковы. Спрашивается, каким образом они смогли узнать друг о друге и сговориться?

2). Плотность нашей Вселенной удивительно близка к, так называемой, критической. На классическом языке ее кинетическая энергия равна потенциальной — она подобна ракете запущенной в точности со второй космической скоростью! В рамках ОТО это означает, что пространство Вселенной плоское (пространство-время — кривое) и Вселенная будет бесконечно расширяться.

Введение инфляционной стадии снимает парадокс номер 1. Действительно, перед раздуванием Вселенная была маленькая и причинно-связанная. В своей работе А. Гус даже объяснил и второй парадокс: грубо говоря, если раздуть кривое пространство до гигантских размеров, то и малой части его хватит, чтобы разместить наблюдаемый нами кусок пространства. Но малая часть кривого всегда кажется плоской!

Но у Глинера идеологически все не так. Он опирается на мечту Эйнштейна и де-Ситтера создать статическую Вселенную без начала и конца! До раздувания нет никакой сингулярности, а Вселенная представляет собой вакуум с космологией де-Ситтера. Такое состояние статично и через него мировые линии уходят в далекое прошлое. Однако из-за квантовых флуктуаций равенство давления отрицательной плотности энергии может нарушиться и тогда, в малой части "доисторического" Мироздания (терминология Глинера) начинается расширение. Глинер обращает внимание на то, что во Вселенной с вакуумоподобным состоянием не может быть инфляции поскольку пустота не может ни расширяться ни сжиматься. А вот если в некоторой части этой пустоты будет кусочек примесей — то он и только он будет раздуваться, черпая энергию из огромного Мироздания, пребывающего в покое. Далее, Глинер напоминает, что, как показали поздние расчеты инфляция вовсе не гарантирует критической плотности и тогда остается только одно завоевание — причинная связанность. Но она есть и в модели Глинера.

В общем, читайте статью, а я лишь подчеркну, что последние данные наблюдений далеких космологических объектов подтверждают наличие вакуумного состояния с ненулевой энергией, правда плотность энергии оказывается гораздо меньше той, что необходима в модели Глинера.

Обозрение "Физические явления на небесах" профессора В.М. Липунова.