инфлатонное поле это что
Физики! Обьясните мне человеческим языком что такое «инфлатонное поле» и все что с ним связанно.
По инфляционному сценарию существование Вселенной началось из состояния вакуума, лишённого вещества и излучения. Предполагается, что некое гипотетическое поле (названное инфлатонным) заполняло собой всё пространство и в любой момент времени принимало разные значения в произвольных пространственных областях. Ничего не происходило, пока случайным образом не возникла однородная конфигурация этого поля размером порядка 10^-33 (в минус 33-й степени) сантиметра. Сразу после этого данная пространственная область начала очень быстро увеличиваться в размерах, а энергия инфлатонного поля стремилась к минимуму.
Описанный процесс (как и катящийся снежный ком) может оказаться не единичным. В случае его повторения возникнут другие вселенные, которые по своим свойствам могут отличаться от нашей. (Ведь каждый «снежный ком» имеет собственную траекторию, свой размер и падает в разные места пропасти. ) На сегодняшний день принято говорить о совокупности вселенных, одну из которых мы наблюдаем изнутри. Очень может быть, что другим вселенным повезло меньше, чем нашей, и жизни (а соответственно, и наблюдателей) там нет.
Альтернативой инфляционному сценарию остаются модель колебания Вселенной и квантовая модель Вселенной.
Первая модель предполагает, что Вселенная существует вечно, сокращаясь и расширяясь в различные отрезки времени; при этом каждый цикл обозначается гигантским взрывом.
Согласно квантовой модели элементарные частицы могут спонтанно появляться и исчезать в вакууме, что и является причиной возникновения материи и Вселенной. Сам по себе вакуум нейтрален: он не имеет ни массы, ни заряда, ни каких-то иных характеристик. Но вполне вероятно, что вакуум содержит в себе некую матрицу возможного, в соответствии с которой создаются вещество и излучение.
Вселенная своими руками: теория инфлатонов
— Я вас не совсем понимаю, — произнес Инженер. — Вы говорите об искусственной вселенной.
Вы можете ее сделать? Замкнуть пространство и время вокруг конкретной массы?
Неужели вы не шутите? Это же очень сложно.
Клиффорд Саймак, «Космические инженеры»
Можно ли создать новую вселенную? Или, другими словами, способна ли некая сверхцивилизация выполнить эксперимент, который завершится формированием полноправной дочерней вселенной? На первый взгляд подобная задача выглядит не только неразрешимой, но и бессмысленной. Искусственная вселенная должна содержать как минимум столько же частиц, что и мир, где обитают ее творцы, но откуда взять столько энергии? С другой стороны, не случится ли, что новорожденное космическое пространство поглотит и уничтожит вселенную-родительницу? Создание дочерней вселенной, чреватое риском самоубийства матери-предшественницы, — что за чудовищная нелепость?
Тонкий баланс
Но не стоит спешить с выводами. Заново изготовленную вселенную необходимо наделить тяготением, которое, как известно, обладает отрицательной потенциальной энергией. Это означает, что сумма гравитационной энергии и положительной энергии новорожденных частиц может оказаться близкой к нулю. Поэтому юную вселенную можно сотворить с весьма умеренными энергетическими затратами. А опасности вселенского каннибализма можно избежать, если заставить крошечный зародыш будущего мироздания некоторое время расширяться с быстро возрастающей скоростью. Увеличивающаяся в размерах «затравочная» вселенная за счет внутренних ресурсов сформирует свое собственное пространство и вскоре уйдет за горизонт событий, навсегда исчезнув из поля зрения породившей ее цивилизации.
Мир из пробирки
Такой сценарий лабораторного сотворения новых миров не противоречит некоторым версиям инфляционной космологии. Как известно, она постулирует возможность «выдувания» вселенных из сверхмикроскопических флуктуаций особых квантовых полей — инфлатонов. При надлежащих условиях такие флуктуации влекут за собой экспоненциальный рост геометрических размеров зародыша будущей вселенной, завершаемый массовым рождением гамма-квантов и прочих элементарных частиц. Если эти условия реализовать в эксперименте, то в лаборатории можно произвести на свет эмбрион новой вселенной.
Инфляционная космология
Согласно инфляционной модели, предложенной Аланом Гутом в 1980 году, а в дальнейшем доработанной Андреем Линде, Полом Стейнхардтом и Андреасом Албрехтом, примерно через 10 –36 секунды после Большого взрыва наша Вселенная начала чрезвычайно быстро (экспоненциально по времени) расширяться, за время порядка 10 –34 секунды увеличив свои размеры в 10 50 раз. Эта стадия как раз и называется инфляционной (inflation — раздувание). Движущей силой инфляции послужил физический вакуум — первичное скалярное поле, которое обладало отрицательным давлением (то есть антигравитацией). Инфляция продолжалась до момента, когда интенсивность этого поля уменьшилась до минимума. Квантовые флуктуации поля при подходе к минимуму заполнили частицами нашу Вселенную, которая продолжила свое дальнейшее, хотя и гораздо более медленное, расширение.
При этом ее фундаментальные физические свойства будут зависеть от той комбинации давления, температуры и напряженности инфлатонного поля, которую выберут экспериментаторы. В частности, они могут создать мир с максимально благоприятными условиями для возникновения разумной жизни. Некоторые космологи допускают даже, что наша собственная Вселенная возникла именно таким путем.
Вселенная в наследство
Нельзя не признать, что подобные проекты — поистине верх альтруизма, поскольку материнская цивилизация никакой пользы для себя извлечь не сможет, ведь из отпочковавшейся вселенной не получить ни энергии, ни минерального сырья, ни даже информации. Так зачем же тратить на это силы и средства? По мнению профессора Стэнфордского университета Андрея Линде, который более двадцати лет назад занимался проблемой вселенского конструирования, единственная разумная цель такого предприятия — это передача будущим обитателям новой вселенной важных сведений, которые смогут способствовать их интеллектуальному и техническому прогрессу: «Именно так поступают родители, оставляющие детям в наследство свой жизненный опыт».
Весточка от создателей
Как передать такое сообщение? Если даже нанести на оболочку будущей вселенной некие знаки, инфляционное расширение растянет их до исполинских размеров, и эти символы станут нечитаемыми. Но информацию можно закодировать физическими параметрами будущей вселенной — например, соотношениями между массами элементарных частиц. «Если бы я захотел отправить послание обитателям созданной мною вселенной, — говорит Андрей Линде, — я бы записал его в локальных законах физики. А для передачи длинного и содержательного сообщения мне придется сделать эти законы достаточно сложными. Например, надо позаботиться о том, чтобы массы электрона, протона и нейтрона находились в нетривиальных соотношениях, разгадывание которых станет серьезной задачей для будущих физиков. Поэтому не исключено, что мы, сами того не ведая, пытаемся дешифровать закодированное послание от сверхразумных, но, конечно, отнюдь не божественных создателей нашего мира». В самом деле, почему бы и нет?
Частицу, вызвавшую расширение Вселенной, обнаружить не удалось
Попытка найти гипотетическую элементарную частицу инфлатон, ответственную за быстрое расширение Вселенной в начале ее существования, не принесла плодов, заставив ученых всерьез усомниться в ее существовании.
Читайте «Хайтек» в
В первые моменты после Большого Взрыва Вселенная могла расширяться во многие миллиарды миллиардов раз быстрее, чем сегодня, благодаря инфлатонному полю. Так гласит инфляционная теория, разделяемая большинством современных ученых. Однако, новейшие исследования, проведенные группой физиков из Кракова и Цюриха на Большом адронном коллайдере, привели их к выводу, что частицы инфлатон, обладающей характеристиками бозона Хиггса, но менее массивной, почти наверняка не существует.
Гипотетическая частица инфлатон считалась ответственной за быстрое расширение Вселенной. Предполагалось, что как и бозон Хиггса, она слишком незаметна для прямого наблюдения. Высказывалась даже гипотеза, что бозон Хиггса — это и есть инфлатон. Но когда в 2012 году бозон Хиггса наконец разглядели во время экспериментов на европейском ускорителе, он оказался слишком тяжелым, говорит Марцин Хшоншч из Польской академии наук. Поэтому ученые искали нечто похожее, но с меньшей массой.
«Первый прорыв CRISPR совершит в сельском хозяйстве, а не в медицине»
Частицы с близкими характеристиками могут принимать различные формы или осциллировать. Для того чтобы обнаружить осцилляцию бозона Хиггса, физики провели наблюдение за мезонами B+, которые иногда распадаются на К-мезоны, или каоны, и на бозоны Хиггса, которые превратились бы в инфлатон в результате осцилляции. А потом они бы распались на пару элементарных частиц, мюоны и антимюоны, которые могли бы обнаружить детекторы БАК.
Однако, ничего подобного ученые не увидели. «Мы можем поэтому заявить с большой долей вероятности, что легких инфлатонов попросту не существует», — заявил Хшоншч. Впрочем, еще остается вероятность, что эта частица тяжелее, чем предполагалось, или ведет себя иначе, пишет Science Alert.
«Смыслом жизни бесполезного класса станут компьютерные игры»
Несмотря на то, что инфляционная модель Вселенной, впервые предложенная в 1980 Аланом Гутом, не является доказанным фактом, на сегодня она остается самой влиятельной теорией, описывающей возникновение Вселенной. Некоторые ученые, однако, считают ее не только устаревшей, но и непроверяемой, то есть — ненаучной.
Мутации фрактального бульона под названием «Мультивселенная» — об инфляционной модели Андрея Линде и Алана Гута
Аннотация: в материале описаны проблемы модели горячей Вселенной, рассмотрены инфляционные модели Алана Гута и Андрея Линде, по итогу чего сделан вывод о реализуемости гипотезы Мультивселенной, ее смысле и самоподобии.
Предисловие
Во время выбора темы для данного материала я определился, что мне пора поговорить со своими читателями о математике, как это было в статье о Великой теореме Ферма, и по совету знакомого мне профессора взор пал на фракталы. Фрактал — это множество, обладающее свойством самоподобия. При масштабировании любая часть фрактала представляет собой сам фрактал. В качестве примера фрактала приведу множество Кантора, что было описано в 1883 году Георгом Кантором. Множество начинается отрезком определенной длины, а каждый последующий отрезок является третью предыдущего, причем таких отрезков в «шеренге» два, и разделены они расстоянием в такой же отрезок. Сколько бы мы не масштабировали это множество, оно всегда будет напоминать собой первоначальный вид. Выглядит это так:
Визуализация множества Кантора
Снежинка Коха — другой пример фрактала, представляющего собой множество в виде отрезка. Она была описана в 1904 году Гельге фон Кохом. Пусть отрезок будет разделен на три равные части и вторая его часть будет заменена на два отрезка той же длины (1/3), образующих острый угол между собой. Тогда такое множество будет представлять собой ломаную, состоящую из четырех звеньев длины 1/3. Давайте применим вышеперечисленные действия к каждой из этих четырех звеньев, и так далее:
Визуализация множества фон Коха
С числом итераций ломаная начинает напоминать снежинку, масштабирование которой покажет нам то, что это — фрактал. У фрактала есть и другое определение, гласящее, что всякий фрактал имеет дробную размерность. Путем бесконечного дробления какого-либо элемента мы получаем бесконечно подобную себе фигуру. Проблема заключается в том, что трудно понять то, что из себя представляет дробная размерность.
Вспомним, что такое размерность и какие объекты и ею обладают. Наш мир находится в трехмерном пространстве с объемными телами. Вы понимаете смысл моих слов, читая двухмерные буквы. А тире — одномерная линия, если разрешите мне такое допущение. Так вот вышеперечисленные примеры обладают размерностью, измеряемой натуральными числами. Размерность по своей сути определяет отношение масштаба к мере, и понять это можно на примере линии, квадрата и куба, а в качестве меры возьмем массу:
Уменьшив масштаб линии втрое, ее масса также уменьшится в три раза; у квадрата при том же масштабировании длина линии по каждой оси уменьшится втрое, соответственно масса уменьшится в 3 2 ; у куба по той же причине линия станет короче на две трети по трем осям, а масса уменьшится в 3 3 раз. А что будет, например, со снежинкой Коха? Если мы отрежем две трети множества, то ее масса уменьшится в 4 раза! Отсюда напрашивается вывод о том, что фрактальная размерность множества Коха выражается как:
У фрактала размерность не представлена целым числом, и, как говорят в 3Blue1Brown, это — главное доказательство того, что фрактальный объект является порождением природы, а не человека. Например, волны и облака имеют размерность 1,3, береговые линии островов и материков — от 1,05 до 1,7. А посмотрите на листья и ветви деревьев:
Фрактальное моделирование листа
А самый красивый фрактал, который я видел — это итальянская капуста или капуста Романеско, являющаяся гибридом цветной капусты и капусты-брокколи, созданным в 1990-х годах. Фрактальное строение этой капусты позволяет ей собирать как можно больше солнечного света и как можно эффективнее распространять питательные вещества по всем уголкам своего организма. Кстати, размерность этой капусты составляет около 2,66:
Капуста Романеско
Фрактал давно перестал отождествляться только с природой. Издревле он был отражен в человеческой культуре, в частности, в архитектуре и живописи:
Большой Египетский музей, архитектура которого вдохновлена треугольником Серпинского
Фрактальная космология
Только я захотел отвлечься от астрофизики и углубиться в чисто математическую тему, моему любопытству понадобилось вбить в поисковик: «Фрактальная космология», в ответ на что появилась страница на Википедии, через которую я познакомился с трудами Андрея Линде и гипотезой Мультиверса, но обо всем по порядку.
Поздняя летняя ночь 1981 года. Младший научный сотрудник физического института им. Лебедева Андрей Дмитриевич Линде будит свою жену и говорит ей следующее:
Линде и его коллеги, в т.ч. Стивен Хокинг, бились над одной из серьезнейших проблем в космологии, которая возникла после публикации революционной статьи «Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems», вышедшей в Physical Review 15 января 1981 года. Написал ее сотрудник Стэнфордского центра линейных ускорителей SLAC Алан Гут, вышедший из-под кузницы MIT. Его работа предлагала модификацию теории горячей Вселенной, что дало бы удовлетворительное решение проблемы стандартной космологии:
По данным микроволнового космического фона (CMB) анизотропия Вселенной минимальна и наблюдаема на малых масштабах, когда стандартной моделью предсказывались большие различия плотностей ранней Вселенной;
Стандартная модель не могла объяснить природу распределения первичных флуктуаций, из которых сформировалась современная крупномасштабная структура галактик (т.н. нить галактик).
Лауреаты премии Кавли по астрофизике 2014 года. Слева направо: Алексей Старобинский, Андрей Линде и Алан Гут. Credit: Scanpix
А что такое квантовое туннелирование?
Квантовое туннелирование (туннельный эффект) — перескок частицы потенциального барьера в случае, если ее полная энергия меньше высоты барьера. Проще это понять, представив шарик на дне сосуда — если ему не хватает энергии для того, чтобы выскочить из сосуда, он телепортируется за пределы сосуда, затратив при этом меньше энергии, чем требуется.
Проще говоря, вселенная образовалась путем флуктуации скалярного поля, которое стремилось обнулить свою потенциальную энергию, миновав несколько фазовых переходов, в ходе которых оно расширилось до гигантских размеров, в конце концов, распавшись на элементарные частицы путем квантового туннелирования — после этого вселенная нагрелась и обрела положительное давление.
А в чем сюр? Гут вряд ли смог найти более вескую причину обнуления потенциала инфлатонного поля в конце инфляционного расширения, что предположил присутствие туннельного эффекта. В конце оригинальной статьи он оставил такое послание читателям:
Я публикую данный материал в надежде, что она побудит читателей найти способ избежать нежелательных особенностей инфляционного сценария появления Вселенной.
Андрей Линде оказался тем самым читателем. Он предположил, что частицы во Вселенной образуются после распада инфлатонного поля не путем рывковых туннельных эффектов, а кривообразно, как шар, катящийся по пологому склону потенциальной энергии. Свою идею он прозвал «Новой инфляционной теорией» как дань уважения к первосоздателю.
Подробное изложение предположения Андрея Линде со слов Игоря Ткачева (цитата)
«В то время, когда работа Гута по инфляции была у всех на слуху, Андрей рассказал про некоторые свои соображения по этому поводу. Это было в фиановской столовой. Как сейчас помню, ели борщ. В сценарии Гута инфляция заканчивается, когда поле туннелирует через потенциальный барьер. Он считал, что туннелирование происходит сразу из локального минимума в основной, как на верхнем рисунке. Для оценки вероятности он использовал так называемое тонкостенное приближение. В его сценарии образовывалось много пузырей новой фазы, которые сталкивались и объединялись в горячую однородную вселенную. Андрей сказал, что это большой вопрос, куда туннелирует поле. А если потенциал устроен так, что второго минимума нет и кривая уходит вообще вниз? Что тогда — туннельный переход произойдет в минус бесконечность? Да нет, конечно! То, куда оно перейдет, надо считать, и тонкостенное приближение здесь не годится. Потенциал после туннельного перехода не может стать выше из-за закона сохранения энергии. Ниже может, но не сильно ниже — вероятность этого очень мала: под барьером наберется больший отрицательный интеграл действия, который идет в экспоненту, когда считаешь вероятность. Андрей честно посчитал, куда с наибольшей вероятностью попадает поле после туннельного перехода, причем считать пришлось на компьютере — это не так просто. Оказалось, поле туннелирует немного ниже минимума на склон, как на нижнем рисунке. И здесь, на склоне, его значение велико — не намного ниже, чем в локальном минимуме. Андрей посчитал, что происходит после этого — тут считать даже легче. Оказалось, что инфляция отнюдь не заканчивается. Поле продолжает раздувать пространство и успевает раздуть его на много порядков, пока не «сползет» вниз по склону. Из этого следовали важнейшие вещи: сценарий Гута неверен в своем конце — пузыри новой фазы, протуннелировавшие через барьер, не успевают объединиться, перемешаться и разогреться, дав однородную горячую вселенную, — они разносятся на огромные расстояния. И второе следствие: не нужно изобретать хитрые потенциалы с барьером. Инфляция может работать и без них. Это очень серьезные следствия, и Андрей, еще не очень доверяя своим результатам, стремился обсудить их с возможно большим числом коллег, заручившись поддержкой и уверенностью перед публикацией статьи».
А при чем тут фракталы?
Видите ли, модель Линде предполагает, что сверхсветовое разбегание частей инфлатонного поля вызывает «пузырькование» поля, которые в будущем не объединяются! То есть причинная связь между ними не восстанавливается, как думал Гут, а соответственно, это дает нам право говорить о расширении не Вселенной, а многих вселенных, рожденных из пузырьков!
Credit: Smithonian Magazine
Если мы полетим со сверхсветовой скоростью прочь от Земли (и в любом случае навстречу ранней Вселенной, обозначенной микроволновым фоном), то наткнемся на границу Вселенной, момент t, когда Вселенная обрела частицы, порожденные инфлатонным полем. За этим полем не будет «ничто» вопреки мнению интернет-философов — за ним будет то самое инфлатонное поле, заполненное квантовыми флуктуациями, и. другие вселенные. Действительно, мы ведь можем представить инфлатонное поле бульоном, а пузыри — вселенными. Выйдя за границы нашей вселенной, мы увидим другие вселенные-пузыри. Я прошу перечитать последний абзац, выключив логику и стереотипы о распространении световых волн, постоянной скорости света и прочем.
Нарушение причинной связи отключает условие идентичности физических законов для других вселенных, а значит, позволяет им быть совершенно разными, а главное — отличными от нашей. Андрей Линде любит сравнивать разные вселенные с водой: молекула-то одна — H2O, но вот реализация этой молекулы может быть разной: водой, льдом или паром. Законы определяются свойствами вакуума, которые зависят от локальных скалярных полей, заключенных в пузыри, и квантовыми флуктуациями в них — это так называемые космологические мутации. Но у каждой вселенной, как считает Андрей Дмитриевич, есть общий генетический код, подобный коду живых существ.
Мультивселенная решает очень много вопросов — и теорию тонкой настройки Вселенной, гласящей о случайной подгонке всех постоянных для создания идеальных условий, и антропный принцип с парадоксом Ферми.
«Сейчас, когда мы говорим про эту «мульти-Вселенную», откуда мы знаем, что эта картина имеет смысл, помимо того, что она естественно возникает в теориях такого типа? В теории струн, в теории инфляции. Есть ли экспериментальное свидетельство? А посмотрите: масса электрона в 2000 раз меньше, чем масса протона. Почему? Масса протона в 100 раз меньше, чем масса дабл-ю-бозона (w-бозона) — примерно. Почему это так? Масса протона и масса нейтрона примерно одинаковы, не дай Бог нарушить этот баланс. Если мы изменим массу электрона в 2 раза, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим заряд электрона в 2 раза, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим энергию вакуума в 100 раз, жизнь нашего типа станет невозможной. Если мы изменим, рассогласуем соотношение между массой протона и массой нейтрона в несколько раз, чуть-чуть, жизнь нашего типа станет невозможной.
Выяснилось, что инфляционная космология дает возможность создать много разных типов Вселенной. И тогда в одной из них электроны, может быть, тяжелее, и электромагнитная константа связи, может быть, тяжелее — это вот то, с чем я и пришел на этот самый ученый совет, когда меня утверждали на старшего научного, и утвердили. Так вот, оказывается, возможно обсуждать вопрос о том, в какой Вселенной мы живем: мы живем в той Вселенной, где мы можем жить, а их 10 в тысячной (10 1000 ) типов, и в одном из них существовали электроны такие как нужно, протоны такие как нужно. То есть для того, чтобы мы могли задавать эти вопросы, для того чтобы нам не говорить, что кто-то специально сделал Вселенную, которая создана для нашего удобства, для того чтобы избежать давать такой ответ на этот вопрос, мы тогда должны сказать, что у нас было много возможностей выбора. И вот эта Вселенная, этот вариант теории, в котором есть много возможностей, он позволяет ответить на вопросы такого типа. То есть это экспериментальное свидетельство — космологическая постоянная, энергия вакуума ничтожно мала. Единственный способ, который мы сейчас знаем, объяснить это — предположить, что эта теория многоликой Вселенной справедлива. Я лучше на этом закончу, и дальше вопросы будете задавать вы. Спасибо».
— Андрей Дмитриевич Линде
Для заинтересовавшихся предлагаю к ознакомлению:
Лекцию А.Д. Линде «Многоликая вселенная» в видеоформате и текстом;
Оригинальную статью Алана Гута (ссылка);
Статья на Вики о Многомировой интерпретации (ссылка);
Статья А.Д. Линде «The Self-Reproducing Inflationary Universe в Scientific American» на русском языке, 1994 (ссылка)
Фракталы в архитектуре и живописи (ссылка)
Та самая статья на Вики о фрактальной космологии, с которой все началось (ссылка)
Видео о фракталах от 3Blue1Brown (ссылка)
Также я веду телеграм-канал, на котором вы можете ознакомиться с моей деятельностью, насущными вопросами космологии и моими старыми статьями (ссылка).