Песах Амнуэль - Много вселенных из ничего

Изменение плотности вещества (обычного и темного) и темной энергии с возрастом Вселенной.

Разве это возможно? Ведь ничто материальное не может перемещаться со сверхсветовыми скоростями. Верно - но расширялось не вещество, которого тогда еще не было, а само пространство, пустое ничто. Точнее - так называемый ложный вакуум, в котором происходили квантовые флуктуации.

Как выяснили физики, пустое пространство, вакуум (в обычном нашем представлении - ничто!) может находиться в различных физических состояниях. Есть, например, обычный вакуум в состоянии с минимальной энергией, а есть вакуум ложный - его энергия минимальна лишь локально. Иными словами: этот минимум неустойчив, и ложный вакуум в конце концов переходит в состояние обычного вакуума.

Одна из квантовых флуктуаций в ложном вакууме и привела к тому, что силы гравитационного отталкивания значительно превысили силу притяжения, и пространство начало чрезвычайно быстро «раздуваться». В принципе, такое «раздувание» может продолжаться вечно («бесконечная инфляция», по Гуту), но ложный вакуум, к счастью для нас, нестабилен, и в какой-то момент в какой-то точке «раздувающегося» пространства он распался. Произошел, как говорят физики, фазовый переход - ложный вакуум перешел в более устойчивое состояние с низкой энергией и превратился в обычный вакуум. Ався «лишняя» энергия ложного вакуума выделилась, вот тогда-то и возник раскаленный до невообразимых температур шар из обычного вещества и излучения, продолживший по инерции расширяться - конечно, со скоростью, меньшей, чем скорость света. Родились протоны и электроны, через несколько сотен тысячелетий они объединились в атомы водорода, затем возникли первые звезды, галактики, скопления галактик, планеты, в том числе Земля…

Но Большой взрыв происходит там, где ложный вакуум превращается в обычный. В целом же инфляция продолжается, пространство «раздувается», и родившаяся Вселенная оказывается погружена в этот безудержно расширяющийся (инфлиру-ющий, как говорят космологи) ложный вакуум. В другой его точке тоже происходит фазовый переход нестабильного вакуума в обычный, и наблюдается ещеодин Большой взрыв, рождается еще одна вселенная. И в третьей точке, четвертой, пятой… миллионной… Рождается огромное (возможно, бесконечное!) количество вселенных, и каждая из них живет по своим физическим законам («хаотическая инфляция», по Линде). Одни вселенные существуют доли секунды и «схлопываются», поскольку плотность массы оказывается слишком большой. Другие живут бесконечно долго, если плотность массы в них мала. Новорожденные вселенные состоят из обычной материи, которая не может перемещаться быстрее света. А ложный вакуум, куда эти вселенные погружены, продолжает «раздуваться», пространство между вселенными увеличивается со сверхсветовой скоростью, и, значит, рожденные вселенные очень быстро удаляются друг от друга на такие огромные расстояния, что всякие контакты между ними становятся невозможны.

Теория инфляции легко и естественно разрешила проблему плоской Вселенной. Если Большому взрыву предшествовала инфляция, то нынешняя Вселенная просто обязана быть плоской! Даже если в самом начале инфляции пространство и было «закрытым» или «открытым», то в процессе инфляции оно расширилось в огромное число раз. Когда в ложном вакууме произошел фазовый переходи случился Большой взрыв, пространство было уже плоским, как становится (выглядит!) практически плоской поверхность во много раз раздутого воздушного шара.

Правда, в реальности, как обычно, все сложнее и интереснее! В восьмидесятые годы прошлого века техника астрофизических наблюдений позволила наконец достаточно надежно определить плотность видимого вещества во Вселенной. К разочарованию космологов, оказалось, что плотность эта слишком мала, всего лишь около процента от критической, предсказанной теорией инфляции.

Разочарование, впрочем, продолжалось недолго. В те же восьмидесятые годы удалось достаточно точно измерить массы галактик (по скорости их вращения и светимости), и заново измеренные массы оказались на порядок больше тех, что получались прежде (только по величине светимости). Наблюдения показывали, что в галактиках присутствует невидимая масса, проявляющая себя лишь своим полем тяжести. И масса эта (ее назвали темным веществом) гораздо больше массы всех видимых в телескопы объектов. Значит, космологи могут расслабиться: проблема решена, и Вселенная все-таки плоская?

Не совсем. Если сложить видимую массу с невидимой, то общая плотность вещества во Вселенной получалась все равно примерно втрое меньше критической! Может, неправильно определили величину невидимой массы? Нет, точность наблюдений в последние годы прошлого века была уже достаточна, чтобы подобная ошибка выглядела невозможной. И опять, казалось бы, инфляционная теория «повисла на волоске»: она предсказывала практически плоскую Вселенную, а наблюдения свидетельствовали, что Вселенная втрое менее массивна и, следовательно, подчиняется неевклидовой геометрии Лобачевского. Зачем тогда нужна инфляция?

Спасла теорию идея, которую выдвинул еще Эйнштейн ровно сто лет назад - в 1917 году. Идея, от которой Эйнштейн впоследствии отказался, назвав ее «величайшей ошибкой». Об этой идее физики забыли надолго, но через три четверти века вспомнили, когда космологи попытались все-таки совместить теорию инфляции с наблюдениями, когда они старались найти во Вселенной что-нибудь, что сделало бы ее плоской. И нашли. Вакуум, в котором разбегаются галактики, тоже обладает энергией, а следовательно, массой! Более того, плотность энергии (и массы!) вакуума, согласно эйнштейновским уравнениям, одна и та же в любой точке и не меняется при расширении Вселенной. Именно об этом писал Эйнштейн в 1917 году. Он был сторонником идеи статичной и вечной Вселенной, а из уравнений получалось, что Вселенная статичной быть не может - она должна или расширяться, или сжиматься. Тогда Эйнштейн ввел в уравнения постоянную величину- космологический член, потому что хотел получить такое решение уравнений, при котором Вселенная была бы стабильной и неподвижной. Когда Эдвин Хаббл в 1929 году доказал, что Вселенная расширяется, Эйнштейн исключил космологический член из уравнения, но много лет спустя оказалось, что сделал он это напрасно. Космологический член (или, как сейчас говорят, космологическая постоянная) как раз и описывал скрытую энергию вакуума, ту самую, которая вносит вклад в общую плотность материи во Вселенной.

Темная энергия расталкивает Вселенную, заставляет ее расширяться быстрее.

Теоретически все прекрасно сошлось: по современным данным, всего лишь 4% массы Вселенной составляет видимое в телескопы вещество (галактики, звезды, плазма, пыль, газ), еще 22% - невидимое вещество, проявляющее себя только полем тяжести. Возможно, это какие-то неизвестные пока науке элементарные частицы. А остальная масса (74%) приходится на неизвестное поле, обладающее огромной энергией (ее назвали темной), равномерно распределенной по всему объему видимой Вселенной.