В фридмановской космологии, которая справедлива для обычной материи, плотность при расширении уменьшается. Это вполне естественно и понятно. Поразительное свойство вакуума состоит в том, что его плотность остается постоянной[142]. Соответственно, не меняется со временем при расширении и сила отталкивания, действующая на фиксированном расстоянии. В этих условиях любые две частицы движутся друг относительно друга с нарастающей скоростью, и расстояние между ними изменяется по экспоненциальному закону[143]:
r(t) = r0ebt; b ≈ 1/tпл = 3 • 1043.
Такой закон расширения соответствует модели де Ситтера. Размер Вселенной увеличивается очень быстро. Этот процесс получил название раздувание (или инфляция), а модель, описывающая расширение Вселенной под действием гравитационных сил вакуума, получила название инфляционной. Инфляционная модель, по существу, является моделью де Ситтера. Только длится эта стадия не до современного момента и дольше, как полагал Ситтер, а заканчивается значительно раньше.
Раздувание Вселенной началось при t = tпл = 3 • 10-44 с из области размером порядка планковской длины r = 10-33 см и длилось в течение времени Δt. Величина Δt в разных моделях инфляции различна. Согласно одной из первых моделей (см. Новиков И. Д. Как взорвалась Вселенная. — М.: Наука, 1988. С. 117-118), Δt = 109 tпл , т. е. инфляция длилась примерно до t = 3 • 10-35 с. К концу этого периода размер Вселенной увеличился в раз, температура упала практически до абсолютного нуля ( К). Плотность обычной материи (не вакуума!), которая, как и в теории горячей Вселенной, убывает пропорционально r-4, уменьшилась в раз и стала равной г/см3. При такой плотности одна частица материи отстоит от другой на расстояние св. лет, т. е. на расстояние в невообразимое число раз превышающее современный размер Метагалактики! В это время Вселенная была практически пустой для обычной физической материи. Единственное, что осталось к концу стадии раздувания, это переохлажденное вакуумно-подобное состояние материи. Но такое состояние является неустойчивым. При t = 3 • 10-35 происходит фазовый переход, связанный с распадом вакуумно-подобного состояния. Вакуум переходит в состояние с очень малой плотностью. За счет освободившейся энергии рождаются частицы и античастицы обычной материи. Температура повышается до температуры великого объединения Т = 1027 К, и Вселенная (после непродолжительной переходной стадии) начинает развиваться по законам горячей модели. Частицы и античастицы, заполняющие Вселенную в эту эпоху, возникают при распаде вакуумно-подобного состояния. И если эта горячая плазма является первичной субстанцией нашей Вселенной, то вакуум, из которого она возникает, можно назвать праматерией физического мира.
Как точно происходит инфляция — в настоящее время неизвестно. Существуют разные модели, которые отличаются длительностью инфляционной фазы и другими параметрами. Но общие черты нарисованного сценария сохраняются. Раздувание происходит из вакуумно-подобного состояния за счет сил гравитационного отталкивания вакуума. Расширение идет по экспоненциальному закону. При этом плотность обычной материи быстро падает, а плотность вакуумно-подобного состояния практически не меняется. По окончании инфляционной стадии происходит фазовый переход, вакуумно-подобное состояние распадается, образуется горячая плазма из обычной материи, и Вселенная начинает расширяться по степенному закону (как в горячей модели). Силы гравитационного притяжения, которые теперь превосходят силы отталкивания вакуума, начинают тормозить расширение. Такое замедленное расширение будет продолжаться вплоть до тех пор, пока плотность обычного вещества не станет меньше плотность «вакуумной материи», оставшейся после распада вакуумно-подобного состояния. После этого Вселенная начнет расширяться ускоренно. В самое последнее время (как уже упоминалось) появились данные о том, что Вселенная в современную эпоху расширяется ускоренно. Возможно, это связано с описанным процессом, а та «вакуумная материя», под действием которой происходит ускоренное расширение и которая составляет преобладающую долю «скрытой массы», и есть то, что осталось при распаде вакуумно-подобного состояния в конце инфляции.
Итак, Большой взрыв представляет собой экспоненциальное расширение (раздувание) Вселенной под действием гравитационных сил вакуума — сил отталкивания, которые и являются причиной Первотолчка. Наличие инфляционной стадии в эволюции Вселенной позволяет избежать неприятностей, связанных с обращением в нуль масштабного фактора при t = 0 (во фридмановской модели). При экспоненциальном расширении масштабный фактор обращается в нуль при Т = —∞. В любой конечный момент времени он отличен от нуля, соответственно, и плотность никогда не обращается в бесконечность. Означает ли это, что в инфляционной модели исчезает понятие сингулярности? Нет, не исчезает, но претерпевает качественное изменение. Сингулярным состоянием современные космологи называют состояние, которое имеет место при t = tпл . Как мы видели, в этом состоянии плотность материи очень высока, но не бесконечна. Сингулярность связана не с бесконечно большой плотностью, а с тем, что в этом состоянии перестают действовать все известные физические законы и, главное, понятия времени и пространства из-за квантовых эффектов теряют смысл. По существу, сингулярное состояние является переходным к новым состояниям материн, которые еще не вошли в сферу изучения современной физики.
Помимо сингулярности, инфляционная стадия позволяет решить и другие важнейшие космологические проблемы. Одна из них проблема горизонта. В п. 2.2.1 мы говорили о горизонте Вселенной или горизонте событий. По существу, он ограничивает размер причинно-связанной области. В современную эпоху радиус горизонта по порядку величины совпадает с радиусом Метагалактики. Но радиус горизонта изменяется со временем пропорционально t, а радиус Метагалактики пропорционально t2/3. Поэтому если мы будем двигаться назад в прошлое, то радиус горизонта будет убывать быстрее, чем радиус Метагалактики, и горизонт событий будет охватывать все меньшую часть Метагалактики. Так, при t = 10-34 с (время Великого объединения) радиус Метагалактики составлял 30 см, а радиус горизонта 3 • 10-24 см. Следовательно, Метагалактика состояла примерно из 1070 отдельных причинно не связанных областей. Между этими областями невозможно никакое взаимодействие. Возникает вопрос — как же в этих условиях при отсутствии всякого обмена установилось однородное изотропное распределение материи во Вселенной? В рамках фридмановской модели это невозможно объяснить и приходится принимать просто как постулат, подтверждаемый наблюдениями реликтового излучения. В де-ситтеровской модели проблема горизонта, вообще, не возникает, так как расширение Вселенной происходит значительно быстрее, чем рост горизонта. Это относится и к инфляционной модели. Более того, в ней раздувание происходит из причинно-связанной области размером 10-33’ см, которую, естественно, считать однородной и изотропной. Это свойство сохраняется и в процессе раздувания. В конце инфляционной стадии невообразимо раздувшийся «вакуумный пузырь» распадается, превращаясь в обычную материю. При этом область, из которой возникла наша Метагалактика, составляет лишь ничтожную часть «лопнувшего пузыря». Поэтому нет ничего удивительного в том, что эта область оказывается однородной и изотропной. В образовавшейся горячей Вселенной расширение идет медленнее, чем рост горизонта, но это уже не может повлиять на однородность и изотропию той исходной области, с которой стартует модель горячей Вселенной.
Вторая проблема связана с критической плотностью. Мы уже отмечали, что в современную эпоху средняя плотность материи во Вселенной по порядку величины близка к критической; она может отличаться от нее не более чем в тридцать раз, а с учетом скрытой массы — существенно меньше. Это в современную эпоху. А что было раньше? Принимая во внимание характер изменения плотности со временем[144], нетрудно получить, что в эпоху Великого объединения (t = 10-34 с) отличие плотности от критической (ρкр — ρ)/ρ = 10-50. Это поразительное совпадение! Ведь критическая плотность определяется постоянной Хаббла и, следовательно, зависит от скорости расширения Вселенной в рассматриваемый момент времени. Скорость определяется силой Большого взрыва. Почему же силу взрыва Природа подобрала таким образом, что критическая плотность на ранней стадии расширения с величайшей точностью совпала с реальной плотностью материи в этот момент? В рамках космологии Фридмана эта загадка остается неразрешимой. Инфляционная модель снимает проблему. Дело в том, что плотность вакуумо-подобного состояния в точности равна критической. Когда в конце стадии раздувания вакуумно-подобное состояние распадается и превращается в обычную материю, плотность ρвак этого состояния переходит в плотность обычной материи. Понятно поэтому, что последняя с величайшей точностью совпадает с критической плотностью в момент перехода.
Инфляционная модель успешно решает и другие космологические проблемы: проблему магнитных монополей, начальных флуктуаций плотности. Все это можно рассматривать как косвенное подтверждение ее справедливости. А нет ли прямых экспериментальных доказательств справедливости этой модели? В теории горячей Вселенной такими экспериментальными подтверждениями являются: реликтовое излучение, относительное обилие водорода и гелия, наблюдаемое отношение числа фотонов к числу частиц вещества (nфот/nнукл = 10-9). А как обстоит дело в инфляционной теории? В планковскую эпоху, согласно теории, в сверхсильных гравитационных полях должны интенсивно рождаться кванты гравитационного поля — гравитоны. Рожденные на заре возникновения Вселенной они в дальнейшем не взаимодействуют с другими частицами и должны сохранить информацию об эпохе своего рождения. В современной Вселенной эти реликтовые гравитоны должны образовать фон гравитационного излучения подобно позднее возникшему фону реликтовых нейтрино и фотонов. К сожалению, регистрация реликтового гравитационного излучения находится пока за пределами экспериментальных возможностей.
