Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №08 за 2009 год

Одна Вселенная или множество?

Как выглядит Вселенная на очень больших расстояниях, в областях, недоступных наблюдению? И есть ли предел тому, как далеко мы можем заглянуть? Наш космический горизонт определяется расстоянием до самых далеких объектов, свет которых успел прийти к нам за 14 миллиардов лет с момента Большого взрыва. Из-за ускоренного расширения Вселенной эти объекты сейчас удалены уже на 40 миллиардов световых лет. От более далеких объектов свет к нам еще не дошел. Так что же находится там, за горизонтом? До недавнего времени физики давали очень простой ответ на этот вопрос: там все то же самое — такие же галактики, такие же звезды. Но современные достижения в космологии и физике элементарных частиц позволили пересмотреть эти представления. В новой картине мира отдаленные области Вселенной разительно отличаются от того, что мы видим вокруг себя, и могут даже подчиняться иным законам физики.

Новые представления основаны на теории космической инфляции. Попробуем разъяснить ее суть. Начнем с краткого обзора стандартной космологии Большого взрыва, которая была доминирующей теорией до открытия инфляции.

Согласно теории Большого взрыва Вселенная началась с колоссальной катастрофы, которая разразилась около 14 миллиардов лет назад. Большой взрыв случился не в каком-то определенном месте Вселенной, а сразу везде. В то время не было звезд, галактик и даже атомов, и Вселенную заполнял очень горячий плотный и быстро расширяющийся сгусток материи и излучения. Увеличиваясь в размерах, он остывал. Примерно три минуты спустя после Большого взрыва температура снизилась достаточно для формирования атомных ядер, а через полмиллиона лет электроны и ядра объединились в электрически нейтральные атомы и Вселенная стала прозрачна для света. Это позволяет нам сегодня регистрировать свет, испущенный огненным сгустком. Он приходит со всех направлений на небе и называется космическим фоновым излучением.

Первоначально огненный сгусток был почти идеально однородным. Но крошечные неоднородности в нем все-таки были: в некоторых областях плотность была чуть выше, чем в других. Эти неоднородности росли, стягивая своей гравитацией все больше вещества из окружающего пространства, и за миллиарды лет превратились в галактики. И лишь совсем недавно по космическим меркам на сцене появились мы, люди.

В пользу теории Большого взрыва говорит множество наблюдательных данных, не оставляющих сомнений в том, что этот сценарий в основном корректен. Прежде всего мы видим, как далекие галактики разбегаются от нас с очень большими скоростями, что указывает на расширение Вселенной. Также теория Большого взрыва объясняет распространенность во Вселенной легких элементов, таких как гелий и литий. Но самой главной уликой, можно сказать, дымящимся стволом Большого взрыва, служит космическое фоновое излучение — послесвечение первичного огненного шара, до сих пор позволяющее его наблюдать и исследовать. За его изучение присуждены уже две Нобелевские премии.

Итак, мы, похоже, располагаем весьма успешной теорией. И все же она оставляет без ответа некоторые интригующие вопросы, касающиеся начального состояния Вселенной сразу после Большого взрыва. Почему Вселенная была такой горячей? Почему она стала расширяться? Почему она была такой однородной? И, наконец, что было с ней до Большого взрыва?

На все эти вопросы отвечает теория инфляции, которую Алан Гут выдвинул 28 лет назад.

Космическая инфляция

Центральную роль в этой теории играет особая форма материи, называемая ложным вакуумом. В обыденном понимании этого слова вакуум — просто абсолютно пустое пространство. Но для физиков, занимающихся элементарными частицами, вакуум — далеко не полное ничто, а физический объект, обладающий энергией и давлением, который может находиться в различных энергетических состояниях. Физики называют эти состояния разными вакуумами, от их характеристик зависят свойства элементарных частиц, которые могут в них существовать. Связь между частицами и вакуумом подобна связи звуковых волн с веществом, по которому они распространяются: в разных материалах скорость звука неодинакова. Мы живем в очень низкоэнергетическом вакууме, и долгое время физики считали, что энергия нашего вакуума в точности равна нулю. Однако недавно наблюдения показали, что он обладает немного отличной от нуля энергией (она получила название темной энергии).

Распад ложного вакуума

Компьютерная модель вечной инфляции. Ложный вакуум (желтый) расширяется вдвое каждые 10-33 секунд. В областях, где он распался (синие), образовались вселенные, подобные нашей. На границах происходит «большой взрыв».

Фото: А. Виленкин

Современные теории элементарных частиц предсказывают, что помимо нашего вакуума существует ряд других, высокоэнергетических вакуумов, называемых ложными. Наряду с очень высокой энергией ложный вакуум характеризуется большим отрицательным давлением, которое называют натяжением. Это то же самое, что растянуть кусок резины: появляется натяжение — сила, направленная внутрь, которая заставляет резину сжиматься.

Но самое странное свойство ложного вакуума — это его отталкивающая гравитация. Согласно общей теории относительности Эйнштейна гравитационные силы вызываются не только массой (то есть энергией), но также и давлением. Положительное давление вызывает гравитационное притяжение, а отрицательное ведет к отталкиванию. В случае вакуума отталкивающее действие давления превосходит притягивающую силу, связанную с его энергией, и в сумме получается отталкивание. И чем выше энергия вакуума, тем оно сильнее.

А еще ложный вакуум нестабилен и обычно очень быстро распадается, превращаясь в низкоэнергетический вакуум. Избыток энергии идет на порождение огненного сгустка элементарных частиц. Тут важно подчеркнуть, что Алан Гут не изобретал ложный вакуум со столь странными свойствами специально для своей теории. Его существование следует из физики элементарных частиц.

Гут просто предположил, что в самом начале истории Вселенной пространство находилось в состоянии ложного вакуума. Почему так случилось? Хороший вопрос, и тут есть что сказать, но мы вернемся к этому вопросу в конце статьи. А пока предположим вслед за Гутом, что молодая Вселенная была заполнена ложным вакуумом. В таком случае вызываемая им отталкивающая гравитация привела бы к очень быстрому ускоряющемуся расширению Вселенной. При таком типе расширения, который Гут назвал инфляцией, существует характерное время удвоения, за которое размер Вселенной увеличивается в два раза. Это похоже на инфляцию в экономике: если ее темпы постоянны, то цены удваиваются, скажем, за 10 лет. Космологическая инфляция идет намного быстрее, с такой скоростью, что за малую долю секунды крошечная область поперечником меньше атома раздувается до размеров, превышающих наблюдаемую сегодня часть Вселенной.