Введение

Гипотетическая модель инфляционной вселенной

Вечная инфляция – это гипотетическая модель инфляционной вселенной, являющаяся развитием или расширением теории Большого взрыва. Согласно вечной инфляции, фаза инфляционного расширения Вселенной продолжается бесконечно в большей части Вселенной. Поскольку области расширяются экспоненциально быстро, большая часть объема Вселенной в любой момент времени находится в состоянии инфляции. Таким образом, вечная инфляция порождает гипотетически бесконечную мультивселенную, в которой лишь незначительный фрактальный объем прекращает инфляцию. Пол Штайнхардт, один из первоначальных исследователей инфляционной модели, представил первый пример вечной инфляции в 1983 году, а Александр Виленкин показал, что она является типичной. В статье Алана Гута 2007 года «Вечная инфляция и её последствия» утверждается, что при разумных допущениях «хотя инфляция в общем случае вечна в будущем, она не вечна в прошлом». Гут подробно изложил известные на тот момент сведения по этой теме и продемонстрировал, что вечная инфляция по-прежнему рассматривалась как вероятный исход инфляции, более чем через 20 лет после её первого представления Штайнхардтом.

Развитие теории

Инфляция, или теория инфляционной Вселенной, была первоначально разработана как способ преодоления нескольких оставшихся проблем с тем, что в противном случае считалось успешной теорией космологии – моделью Большого взрыва. В 1979 году Алан Гут представил инфляционную модель Вселенной, чтобы объяснить, почему Вселенная плоская и однородная (что подразумевает гладкое распределение материи и излучения в больших масштабах). Основная идея заключалась в том, что Вселенная пережила период стремительно ускоряющегося расширения через мгновение после Большого взрыва. Он предложил механизм, запускающий инфляцию: энергию ложного вакуума. Гут ввёл термин "инфляция" и первым обсудил эту теорию с учёными по всему миру. Первоначальная формулировка Гута была проблематичной, поскольку не существовало последовательного способа завершить инфляционную эпоху и получить горячую, изотропную и однородную Вселенную, которую мы наблюдаем сегодня. Хотя ложный вакуум мог распадаться в пустые "пузыри" "истинного вакуума", расширяющиеся со скоростью света, эти пузыри не могли сливаться, чтобы нагреть Вселенную, поскольку не успевали за продолжающим расширяться участком Вселенной. В 1982 году эту "проблему плавного завершения" независимо друг от друга решили Андрей Линде, Андреас Альбрехт и Пол Штейнхардт, показав, как завершить инфляцию без образования пустых пузырей и вместо этого получить горячую расширяющуюся Вселенную. Основная идея заключалась в непрерывном "медленном скатывании" или медленной эволюции от ложного вакуума к истинному, без образования пузырей. Усовершенствованная модель получила название "новая инфляция". В 1983 году Пол Штейнхардт первым показал, что эта "новая инфляция" не обязана прекращаться повсеместно.

Квантовые колебания

Новая инфляция не порождает идеально симметричную вселенную из-за квантовых флуктуаций во время инфляции. Эти флуктуации приводят к тому, что плотность энергии и материи различается в разных точках пространства. Квантовые флуктуации в гипотетическом поле инфлатона вызывают изменения в скорости расширения, которые ответственны за вечную инфляцию. Области с более высокой скоростью инфляции расширяются быстрее и доминируют во вселенной, несмотря на естественную тенденцию инфляции завершаться в других областях. Это позволяет инфляции продолжаться бесконечно, порождая будущую вечную инфляцию. В качестве упрощенного примера представим, что во время инфляции естественная скорость распада поля инфлатона мала по сравнению с воздействием квантовых флуктуаций. Когда мини-вселенная раздувается и "самовоспроизводится", скажем, в двадцать причинно несвязанных мини-вселенных, равных по размеру исходной мини-вселенной, возможно, девять из новых мини-вселенных будут иметь большее, а не меньшее, среднее значение поля инфлатона, чем исходная мини-вселенная, поскольку они раздувались из областей исходной мини-вселенной, где квантовые флуктуации увеличивали значение инфлатона больше, чем медленный распад поля инфлатона уменьшал его. Изначально была одна мини-вселенная с заданным значением инфлатона; теперь существует девять мини-вселенных с немного большим значением инфлатона. (Разумеется, есть также одиннадцать мини-вселенных, где значение инфлатона немного ниже, чем было изначально.) Каждая мини-вселенная с большим значением поля инфлатона запускает аналогичный цикл приблизительного самовоспроизведения внутри себя. (Мини-вселенные с меньшими значениями инфлатона также могут воспроизводиться, если только их значение инфлатона не станет достаточно малым, чтобы область вышла из состояния инфляции и прекратила самовоспроизводство.) Этот процесс продолжается бесконечно: девять мини-вселенных с высоким значением инфлатона могут стать 81, затем 729. Таким образом, существует вечная инфляция. В 1980 году Вятчеслав Муханов и Геннадий Чибисов предложили, что квантовые флуктуации, в контексте модели модифицированной гравитации Алексея Старобинского, могут быть возможными зародышами для формирования галактик. В контексте инфляции квантовые флуктуации впервые были проанализированы на трехнедельном семинаре Nuffield Workshop on the Very Early Universe в Кембриджском университете в 1982 году. Средняя сила флуктуаций была впервые рассчитана четырьмя группами, работавшими независимо в ходе семинара: Стивеном Хокингом; Старобинским; Гутом и Со Ёнг Пи; и Джеймсом М. Бардином, Полом Стейнхардтом и Майклом Тёрнером. Первые расчеты, полученные на семинаре Nuffield Workshop, были сосредоточены только на средних флуктуациях, величина которых слишком мала, чтобы повлиять на инфляцию. Однако, начиная с примеров, представленных Стейнхардтом, статья Коли и Хаслама 2014 года поставила под сомнение состоятельность теории вечной инфляции, проанализировав теорию хаотической инфляции Линде, в которой квантовые флуктуации моделируются как гауссовский белый шум. Они показали, что в этом популярном сценарии вечная инфляция на самом деле не может быть вечной, и случайный шум приводит к заполнению пространства-времени сингулярностями. Это было продемонстрировано путем показа того, что решения уравнений поля Эйнштейна расходятся за конечное время. Таким образом, в их статье делается вывод, что теория вечной инфляции, основанная на случайных квантовых флуктуациях, не является состоятельной теорией, и существование мультивселенной "по-прежнему остается открытым вопросом, требующим гораздо более глубокого исследования".