§ 2. Рождение частиц в сильных переменных гравитационных полях

В этом параграфе мы рассмотрим квантовые процессы, которые неизбежно возникают в сильных переменных гравитационных полях вблизи сингулярности. Это процессы, рождения частиц в таких полях. Мы уже определили в § 2 гл. 3 те условия, когда квантовые процессы в гравитации являются особенно сильными. Это самое начало космологического расширения, соответствующее времени около t_пл ≈ 10^-43сек^*. Теория размерностей позволила определить эти условия, но что конкретно тогда происходит - установить гораздо сложнее. Для выяснения этого особенно важными оказались работы Уилера, Фейнмана, Де Витта, Фадеева, Паркера, Зельдовича, Гинзбурга, Маркова, Киржница, Любушина, Старобинского и других. Мы здесь не будем останавливаться на разных аспектах явлений, а только очень кратко и упрощенно попытаемся показать суть процесса рождения частиц из вакуума под действием гравитационного поля. Подчеркнем, что это пока только теоретические работы, причем еще далеко не исчерпывающие всей проблемы. До каких-либо экспериментальных проверок здесь еще очень далеко.

^* (Новые важные явления, возможно, проявляются и при больших временах и меньших плотностях (о возможности фазовых переходов см. ссылку на стр. 101). Мы указываем область, где квантовые явления заведомо существенны в космологии.)

Физический вакуум представляет собой "море" всевозможных так называемых виртуальных частиц и античастиц. В отсутствие внешних полей эти частицы не могут превратиться в реальные. Однако достаточно сильное или переменное поле (например, электромагнитное или гравитационное) может вызвать такое превращение.

Интерес к подобным процессам теоретики проявляли давно. Рассмотрим процесс рождения частиц переменным полем. Именно такой процесс важен в случае гравитационного поля. Известно, что квантовые процессы необычны, часто непривычны для рассуждений с точки зрения "здравого смысла". Поэтому прежде чем говорить о рождении частиц переменным гравитационным полем, рассмотрим простой пример из механики. Он сделает понятнее дальнейшее изложение.

Представим себе маятник. Его подвес перекинут через блок; подтягивая веревку или опуская ее, можно менять длину подвеса. Толкнем маятник. Он начнет колебаться. Период колебаний зависит только от длины подвеса l:

(1)

где g - ускорение свободного падения. Теперь будем очень медленно подтягивать веревку. Длина маятника уменьшится, уменьшится и период, но увеличится размах (амплитуда) колебаний. Медленно вернем веревку в прежнее положение. Период вернется к прежнему значению, прежней станет и амплитуда колебаний. Подобные изменения амплитуды носят название адиабатических. Если пренебречь затуханием колебаний вследствие трения, то энергия, заключенная в колебаниях, в конечном состоянии останется прежней - такой, какой она была до всего цикла-изменения длины маятника. Но можно так изменять длину маятника, что после возвращения к исходной длине амплитуда будет иной. Для этого надо дергать веревку с частотой, вдвое большей частоты маятника. Так мы поступаем, раскачиваясь на качелях. Это явление названо параметрическим резонансом.

Подобным же образом можно "раскачивать" электромагнитные волны в резонаторе. Если в полости с зеркальными стенками и поршнем имеется электромагнитная волна, то, двигая поршень вперед и назад с частотой, вдвое большей частоты электромагнитной волны, мы будем менять амплитуду волны. Выбирая различным образом фазу движения поршня по отношению к фазе волны, можно увеличивать амплитуду электромагнитной волны и уменьшать ее. Но если проводить опыты при всех возможных фазах, то в среднем всегда получится усиление волны. Следовательно, неадиабатичкость процесса ведет к "накачке" энергии в колебания.

Если в резонаторе имеются волны всевозможных частот, то как бы мы ни двинули поршень, всегда найдется волна такой частоты, которая соответствует характерному времени изменения движения поршня^*. Амплитуда этой волны возрастает. На языке квантовой физики увеличение амплитуды означает увеличение числа фотонов в волне. Итак, неадиабатичность процесса вызывает рождение новых фотонов - частиц электромагнитного поля.

^* (Отметим, что в замкнутом резонаторе есть максимальная длина волны, соответствующая размеру резонатора, и, следовательно, минимальная частота волны. Поэтому для накачки энергии нужно двигать поршень с частотой больше минимальной.)

После знакомства с этими простыми примерами вернемся к вакууму, к этому "морю" всевозможных виртуальных частиц. Для простоты мы будем говорить только об одном сорте частиц - о виртуальных фотонах, квантах электромагнитного поля, но всегда надо помнить, что сказанное относится не только к фотонам. Оказывается, неадиабатический процесс, который в классической физике ведет к усилению уже имеющихся колебаний (волн), в квантовой физике может приводить к "усилению" виртуальных колебаний, т. е. к превращению виртуальных частиц в реальные. Так, изменение гравитационного поля со временем должно вызывать рождение фотонов с частотой порядка характерного времени изменения поля. Обычно эти эффекты ничтожны, поскольку слабы гравитационные поля. В космологии, однако, вблизи момента начала расширения Вселенной эти эффекты должны быть очень сильны, ибо и сила полей, и скорость их изменения там колоссальны. Возможно, что квантовые процессы вблизи сингулярности определили основные черты сегодняшней Вселенной. Изучение этих процессов было начато Л. Паркером в конце 60-х годов, а сейчас они детально исследуются в работах советских ученых. Детальный анализ показывает, что частицы по-разному рождаются при изотропном начале расширения согласно модели Фридмана и при резко анизотропном расширении. В моделе Фридмана частицы с нулевой массой покоя (такие, как фотоны, нейтрино) не рождаются совсем, а тяжелые частицы рождаются в очень небольшом количестве^*. Совсем иначе обстоит дело при анизотропном расширении. Здесь частицы при временах около t ≈ 10^-43сек рождаются в чудовищном темпе. Тяготение вновь родившихся частиц оказывается столь велико, что оно практически мгновенно делает расширение из анизотропного изотропным!

^* (Советский астрофизик Л. П. Грищук показал, что, в отличие от фотонов и нейтрино, гравитоны рождаются и при изотропном расширении, если только давление газа не точно такое же, как это имеет место для ультрарелятивистских частиц. Пока неизвестно полностью значение этого факта для космологии, но, несомненно, роль этого процесса должна быть велика.)

Не это ли является ответом на вопрос: почему Вселенная расширяется по Фридману изотропно? Правда, процесс рождения частиц хотя и выравнивает анизотропию расширения, но не выравнивает неоднородность (например, неоднородность кривизны пространства) Вселенной, если такая была. Поэтому полного ответа на вопрос, почему Вселенная описывается моделью Фридмана, пока нет. Нет пока ответа и на вопрос, почему Вселенная горячая. Не известно также происхождение малых возмущений, которые приводят к образованию галактик. Но, по-видимому, ключ к решению этих проблем лежит в квантовых процессах вблизи сингулярности.