Виктор Стенджер - Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса

В 2011 году Перлмуттер, Рисе и Шмидт разделили Нобелевскую премию по физике за сенсационное доказательство того, что Вселенная падает вверх.

Как уже упоминалось, это открытие не стало полной неожиданностью. Космологам было хорошо известно, что положительная космологическая постоянная, введенная Эйнштейном в рамках его общей теории относительности, вызывает гравитационное отталкивание. В самом деле, мы уже знаем, что де-ситтеровская Вселенная, которая не содержит ни материи, ни излучения, а только положительную космологическую постоянную, расширяется экспоненциально и является простой инфляционной моделью ранней Вселенной. Теперь, похоже, инфляционное расширение продолжается и в наши дни, хотя происходит значительно медленнее.

Давайте коротко рассмотрим задействованные в нем физические процессы. Космологическая постоянная (см. главу 6) равносильна скалярному полю постоянной энергетической плотности, равномерно заполняющему Вселенную. Поэтому, так как Вселенная расширяется, ее общая внутренняя энергия увеличивается по мере увеличения объема.

Хотя ускоряющееся расширение Вселенной может быть следствием действия космологической постоянной, это не обязательное условие. Другая возможность заключается в том, что Вселенная может быть заполнена квантовым полем, имеющим отрицательное давление. Это поле ученые назвали квинтэссенцией. В других областях физики отрицательное давление тоже не является чем-то неслыханным. В некоторых диапазонах давления и температуры газ Ван-дер-Ваальса имеет отрицательное давление. При этом его молекулы расположены настолько близко друг к другу, что их электронные облака отталкиваются и молекулы испытывают результирующее действие сил притяжения.

Кванты поля квинтэссенции должны представлять собой бозоны, вероятнее всего, с нулевым спином. Ожидаемое отрицательное давление этого поля обусловлено квантово-механической тенденцией бозонов к конденсации. Большинство наиболее передовых космологических моделей включают возможность существования квинтэссенции, не предполагая по умолчанию, что источником ускорения Вселенной является космологическая постоянная.

В 1989 году Стивен Вайнберг указал на существование так называемой проблемы космологической постоянной {283} 283 Weinberg Steven. The Cosmological Constant Problem // Reviews of Modern Physics, 61.1989. — № 1: 1–23. . Из-за принципа неопределенности минимальная энергия квантового гармонического осциллятора не равна нулю, поскольку он никогда не находится в состоянии абсолютного покоя. Минимальный уровень энергии соответствует энергии нулевых колебаний.

С точки зрения математики квантовое поле эквивалентно квантовому гармоническому осциллятору. Итак, если взять, к примеру, квантовое электромагнитное поле и удалить из него все его кванты (фотоны), в нем все же останется энергия, несмотря на полное отсутствие фотонов. Вайнберг связал плотность энергии вакуума, обусловленную космологической постоянной, с квантовой энергией нулевых колебаний. Когда он провел соответствующие расчеты, оказалось, что она на 120 порядков больше, чем максимальное возможное значение, которое она может иметь, согласующееся со всеми данными наблюдений.

На самом деле Вайнберг рассматривал только фотоны, которые относятся к бозонам. Фермионы имеют отрицательную энергию нулевых колебаний, которая частично компенсирует положительную энергию бозонов. Это взаимное погашение было бы полным, если бы Вселенная обладала суперсимметрией. Но это не так — во всяком случае, на низких уровнях энергии. Итак, мы все еще имеем расхождение на 50 порядков — в этом и заключается проблема космологической постоянной.

Любые расчеты, которые слишком далеко отходят от данных наблюдений, определенно ошибочны. Ученые предложили множество вариантов решений этой проблемы. Некоторые из них я рассматриваю в своей книге «Заблуждение о точной настройке» (The Fallacy of Fine-Tuning) {284} 284 Stenger Victor J. The Fallacy of Fine-Tuning: Why the Universe Is Not Designed for Us. — Amherst, NY: Prometheus Books, 2011. — P. 213–231. В этой книге можно найти также математические выводы Вайнберга. , но ни одно из них не заслужило всеобщего одобрения со стороны физиков. Тем не менее для меня очевидно, почему эти расчеты ошибочны.

Расчет плотности энергии вакуума включает в себя сумму плотности по всем квантовым состояниям в некотором объеме пространства. Но максимальное количество квантовых состояний в единице объема равно числу состояний черной дыры того же объема. Легко доказать, что число квантовых состояний черной дыры пропорционально площади ее поверхности, а не объему. Если провести расчеты, суммируя квантовые состояния поверхности, а не объема, то получится значение, согласующееся с данными наблюдений.

Как мы уже знаем, наблюдаемое нами реликтовое излучение появилось в тот момент, когда через 380 000 лет после Большого взрыва сформировались атомы, а фотоны рассеялись в стороны от оставшейся части вещества. В то время поверхность Вселенной имела участки неоднородной плотности, сформировавшиеся из первоначального источника за этот период времени. С тех пор Вселенная расширилась в 1100 раз и температура излучения упала с 3000 K до 2,725 K.

В ходе наблюдений анизотропии реликтового излучения исследователи измеряют различия в температуре в двух направлениях, разделенных углом θ. Когда они исследуют реликтовое излучение в двух областях неба, разделенных углом θ = 180°, и обнаруживают различие в температуре, это называется дипольной анизотропией. Вспомните, что этот конкретный вид анизотропии, появляющийся вследствие нашего движения относительно реликтового фона, был обнаружен Смутом и его группой, когда они отправили свой новый дифференциальный микроволновой радиометр в полет на борту самолета-разведчика У-2 в 1976 году. При исследовании ранней Вселенной этот эффект вычитается.

Когда наблюдатели смотрят на четыре области, разделенные углом 90°, и видят различие в температуре, они говорят о квадрупольной анизотропии. Это фоновый эффект движения Млечного Пути, и его также игнорируют. В общем случае для угла θ lв градусах имеется порядок мультиполя l = 180/ θ l, и, как мы увидим, чем выше этот порядок, то есть чем меньше угол, тем важнее он для нас.

Если мы построим график зависимости квадрата относительного перепада температур от l , то получим так называемый угловой спектр мощности. На основании этих измерений с помощью теоретического анализа и компьютерной симуляции можно сделать реконструкцию спектральной плотности мощности звука, вызванного первичными флуктуациями. Обсерватория СОВЕ, ограниченная угловой разрешающей способностью 7°, имела предельное значение порядка мультиполя l = 20. Однако этого было достаточно, чтобы подтвердить, что флуктуациям хотя бы приблизительно была свойственна масштабная инвариантность, предсказанная инфляционной моделью. Согласно расчетам, при углах менее 1°или l > 200 в угловых спектрах должны появиться пики, соответствующие гармоникам изначальных акустических колебаний (см. главу 11).