Хаотическая теория инфляции – это один из вариантов гипотезы о раздувающейся Вселенной, который основан на эволюции Вселенной, «заполненной» хаотически распределенным скалярным полем.
Теория инфляции Вселенной соединила гипотезы квантовой физики и теории физики элементарных частиц с целью рассмотрения ранних мгновений формирования Вселенной вскоре после Большого взрыва.
В соответствии с данной теорией Вселенная в эти мгновения была в крайне нестабильном состоянии, которое вызвало расширение ее с огромной скоростью.
Теория инфляции предсказала ряд свойств, которые не может пояснить теория Большого взрыва, например, то, что:
- энергия распределена равномерно;
- пространство и время имеют плоскую геометрию.
Автором теории инфляции стал физик А. Гут (A. Guth) (1980 год).
В настоящее время теория инфляции Вселенной является признанным компонентом теории Большого взрыва.
Для изучения эволюции Вселенной, заполненной скалярным полем $\phi$ следует задать:
- начальные значения данного поля;
- начальные значения производных этого поля;
- топологию пространства;
- его метрику, согласующуюся с начальными условиями для этого поля.
Модель инфляции Гута
В соответствии с гипотезой Киржница и Линде на ранних этапах формирования Вселенной проходили фазовые переходы, в которых не было различий разных типов взаимодействия. Сильные и электрослабые взаимодействия были едины.
Максимальные усилия А. Линде сконцентрировал на исследовании процессов, происходящих во Вселенной через $10^{-30} c $ после ее возникновения.
На основании теории фазовых переходов Линде предложил свой сценарий раздувающейся Вселенной. В котором он описывал формирование Вселенной на отрезке времени от $10^{-35} c $ до $10^{-32} c $. В теории ученого было выдвинуто предположение о том, что в данный период времени Вселенная пребывала в состоянии ложного вакуума с очень большой плотностью энергии. В этой связи скорость расширения Вселенной была больше, чем предполагала теория Большого взрыва.
Период расширения Вселенной по экспоненциальному закону получил название инфляции (раздувания) Вселенной.
Предполагается, что впоследствии ложный вакуум подвергается распаду. Процесс распада сопровождается возникновением пузырьков новой фазы. Энергия ложного вакуума при этом трансформируется в энергию, привычной для нас, материи. Однако для перехода энергии вакуума в тепловую энергию Вселенной стенки возникающих громадных пузырей должны сталкиваться. Это неизбежно нарушает однородность и изотропность пространства Вселенной.
Так, в соответствии с моделью Гута, распад ложного вакуума приводил к возникновению больших неоднородностей во Вселенной (по другим версиям модель приводила к пустой Вселенной).
Модель Гута оказалась нерабочей, но она дала толчок к созданию других моделей инфляционной Вселенной.
Инфляционные модели Линде
Первый сценарий инфляционной Вселенной Линде (1981 г.) был основан на скрупулёзном исследовании фазовых переходов в теории объединения сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия.
Ученый пришел к выводу о том, что расширение по экспоненте не окончено сразу после возникновения пузырьков. Инфляция способна продолжаться внутри возникшего пузыря. Линде предположил, что наблюдаемая доля Вселенной находится внутри одного такого пузыря.
Исследователь полагал, что увеличение температуры идет в результате появления частиц при колебаниях скалярного поля. Так, была исключена необходимость столкновения стенок пузырьков и появление существенных изменений плотности в пространстве Вселенной.
Основными положениями модели Линде стали:
- Внутри пузырька должно происходить раздувание. При этом физические свойства внутри пузырька изменяются очень медленно.
- В дальнейшем (после фазового перехода) во Вселенной происходят процессы, которые обеспечивают ее разогрев.
Позднее Линде допустил, что фазовые переходы, переохлаждение, ложный вакуум в теории раздувающейся Вселенной не нужны. Новым способом рассмотрения поведения Вселенной на ранних этапах возникновения стала модель хаотической инфляции.
Модель хаотической инфляции
В физике рассматривают два вида полей:
- векторные,
- скалярные.
К полям, которые обладают направлением (векторные поля) относят: электрическое поле, магнитное поле, гравитационной.
Скалярным полем называют поле, которое не имеет направления и является функцией координат. Полагают, что скалярные поля играют существенную роль в создании теории элементарных частиц.
Скалярное поле используют по всех инфляционных моделях. Так, Гут использовал потенциал скалярного поля, имеющий несколько минимумов.
В теории хаотической инфляции Линде применил потенциал с практически плоской вершиной. Позднее было установлено, что можно применять обычную параболу.
$U(\phi)=\frac{m^2\phi^2}{2}(1),$
где $U$ - плотность потенциальной энергии скалярного поля.
Небольшое поле станет совершать колебания около собственного минимума. Если поле станет большим, то оно будет двигаться вниз, совершая медленный разгон Вселенной, используя собственную энергию. При этом движение Вселенной станет уменьшать скорость падения скалярного поля.
Так, чем больше скалярное поле, тем больше скорость расширения Вселенной. При большой скорости расширения Вселенной скалярное поле уменьшает свою плотность медленнее. В результате мы имеем режим само поддержки, что ведет к расширению Вселенной по экспоненциальному закону.
Для пояснения этого явления следует провести совместное решение уравнения Эйнштейна и уравнения перемещения скалярного поля:
$\ddot{\phi}+3H\dot{\phi}=-m^2\phi (2),$
где $H=\sqrt{\frac{2\pi G}{3}}m\phi$ - постоянная Хаббла; $G$ - гравитационная постоянная.
Было получено, что при медленном изменении $H$ решение уравнения Эйнштейна соответствует расширению Вселенной по экспоненте:
$a(t)=e^{Ht}$,
то есть стадии инфляции.
Первоначально ученые полагали, что до стадии инфляции Вселенная была горячей, после инфляции, она опять стала горячей. В соответствии с теорией Линде первоначальная горячая стадия Вселенной является необязательной.
