Сергей Минаков - Таинственные явления природы и Вселенной

Все это тесно соотносится с вопросом о геометрии Вселенной. Благодаря Александру Фридману мы знаем о связи между плотностью Вселенной и ее крупномасштабной геометрией. Вселенная будет замкнутой, если плотность выше критической, открытой — при более низкой плотности и плоской, если плотность в точности равна критической. Таким образом, вопрос, почему плотность Вселенной так близка к критической, можно заменить вопросом, почему геометрия пространства так близка к плоской. Физики так и поступили и стали говорить о проблеме плоской геометрии Вселенной.

Фактически и проблема горизонта, и проблема плоской геометрии ведут к одному и тому же фундаментальному и волнующему вопросу: что же в действительности произошло тогда, в момент Большого взрыва? Долгие десятилетия физикам даже не было понятно, как начать разговор на эту тему. Поэтому данные проблемы почти не обсуждались, пока на небосклоне космологической науки не появился похожий на студента-старшекурсника американский физик-теоретик Алан Гут.

Если на одну шахматную клетку положить 1 зернышко риса и далее на каждую следующую клетку класть удвоенное количество от того, что лежит на предыдущей (то есть на вторую — 1 × 2 = 2 зернышка, на третью 2 × 2 = 4 зернышка, на третью 4 × 2 = 8 зернышек и т. д.), то в итоге общий вес риса на шахматной доске составит более 460 млрд т. Это примерно в тысячу раз больше, чем годовой урожай риса на всей Земле.

Алан Гут в 1981 году просто подумал: а что если на ранних стадиях эволюции Вселенной существует некое космологическое гравитационное отталкивание? Ведь это как раз то, что нужно! Тогда Вселенная будет очень-очень быстро раздуваться, от размеров атома до размеров, во много раз превосходящих всю наблюдаемую ныне область! Этот этап эволюции Вселенной назвали инфляционной стадией, или просто инфляцией.

Однако если для Эйнштейна природа космологической постоянной оставалась совершенно неведомой, и «антигравитационный» член был просто формальным добавлением в уравнениях ОТО, то для объяснения природы инфляции к услугам Гута и его последователей была вся мощь современной теории элементарных частиц!

Мы привыкли считать и твердо уверены в том, что вакуум — это пустота. Вакуум — это когда мы «вытряхиваем» из пространства (из некоторой камеры или из всего пространства — не имеет значения) все частицы и все излучения. Что же остается? Ничего, пустое пространство, о котором нечего больше сказать. Так приучила нас думать классическая физика. Однако с точки зрения современной теории элементарных частиц вакуум — это особый физический объект. И главное заключается в том, что вакуум обладает ненулевой энергией.

Пойдем далее. Вакуум может находиться в разных состояниях — физики называют их просто «разными вакуумами». Типы элементарных частиц, их массы и взаимодействия определяются соответствующим вакуумом. Отношения частиц и вакуума чем-то напоминает круги на воде: круги — это частицы, вода — это вакуум. От материальных свойств воды во многом зависит, какие будут круги, как они будут расходиться и т. д.

Вакуум, которым заполнена Вселенная вокруг нас, находится в наинизшем энергетическом состоянии. Его называют «истинным вакуумом» — он, как бы это сказать… наиболее пуст. Физики собрали массу знаний о частицах, которые населяют этот тип вакуума, и силах, действующих между ними. К примеру, сильное ядерное взаимодействие связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах. Электромагнитные силы удерживают электроны на их орбитах вокруг ядер. А слабое взаимодействие отвечает за поведение легчайших частиц, называемых нейтрино. В соответствии со своими именами эти три взаимодействия обладают очень разной силой, причем электромагнитное взаимодействие занимает промежуточное положение между сильным и слабым.

Свойства элементарных частиц в других вакуумах могут быть совершенно иными. Энергия (и, соответственно, масса) вакуума может быть невообразимо большой. Скажем, так называемый электрослабый вакуум, в котором электромагнитное и слабое взаимодействия проявляются как составляющие одной объединенной силы, имеет около 1019 т/см 3(десять миллионов триллионов тонн массы на один кубический сантиметр). Это примерно масса Луны.

Для вакуума так называемого Великого объединения (то есть когда объединяются три фундаментальных взаимодействия) плотность массы оказывается еще больше, причем чудовищно больше — в 1048 раз. Ясное дело, этот вакуум никогда не создавался в лаборатории: на это потребовалось бы много больше энергии, чем доступно при современных технологиях.

По сравнению с этими ошеломляющими величинами энергия обычного истинного вакуума ничтожна. Долгое время считалось, что она в точности равна нулю. Однако сегодня есть данные, которые свидетельствуют в пользу того, что вакуум может обладать очень-очень небольшой положительной энергией, которая эквивалентна массе трех атомов водорода на кубический метр.

Вакуумы, обладающие высокой энергией, называют «ложными». Это потому, что, в отличие от истинного вакуума, они нестабильны. Спустя очень короткое время (малые доли секунды) всякий ложный вакуум превращается в истинный, а его избыточная энергия высвобождается в виде огненного шара из элементарных частиц. Такое превращение в современной физике называется распадом вакуума.

Современные представления о вакууме — достояние теории элементарных частиц, теории «самого малого». Но идея инфляции удивительна тем, что она соединила, казалось бы, несоединимое: теорию «самого малого» и теорию «самого большого» — теорию Вселенной в целом, космологию.

У Эйнштейна не было никаких физических причин оставлять в уравнениях ОТО космологический член. Экспериментальные данные, которыми он располагал, не только не подтверждали, но и противоречили идее неизменной, неподвижной (стационарной) Вселенной. Некоторые существенные теоретические соображения также делали эту идею неправдоподобной.

Однако оставались сами уравнения. Удивительная вещь, но уравнения великой теории способны жить своей собственной жизнью, и, помимо представлений, гипотез и воли их создателя, их стрела пущена в будущее, в неизведанные дали.

По смыслу уравнений ОТО космологический член — не что иное, как энергия пустого пространства, отличная от нуля энергия самого вакуума. В каждом «кусочке» вакуума заключено некоторое строго определенное количество энергии. Эти же уравнения предписывают, что энергия вакуума — это что-то вроде энергии натянутой резиновой ленты: пока лента в натянутом состоянии, в квадратном сантиметре ее заключено некоторое фиксированное количество энергии. Чтобы представить себе пространство, заполненное вакуумом, хороша другая «резиновая» аналогия — оно будет походить на надутый воздушный шарик: натяжение вакуума стремится сжать, «схлопнуть» пространство, которое он заполняет.