Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Аналог этого сценария возникает и в некоторых версиях квантовой гравитации, основанной на теории суперструн. Из них тоже следует, что вакуум метастабилен. Он может туннелировать в состояние с нулевой плотностью энергии, но может случиться и так, что эта плотность окажется отрицательной. В первом случае наш мир обретет еще шесть пространственных измерений, то есть пространство-время станет не четырехмерным, а десятимерным. Разумеется, это будет мир с абсолютно другой физикой. Есть вариант и похуже. Если плотность вакуумной энергии в какой-то точке упадет ниже нуля, этот пузырь проглотит весь космос и настанет всеобщий коллапс, расширяющийся со скоростью света. К слову, Коулман и Де Лучия допускали и такую возможность, однако всерьез ее не принимали.

Наконец, существуют сценарии пульсирующего мироздания, которое многократно возрождается из сингулярностей, претерпевает расширение и сжатие и вновь гибнет в коллапсе. В 2005 г. такую модель с циклами длительностью около 1 трлн лет предложили американец Пол Стейнхардт и его британский коллега Нил Тьюрок. В этом сценарии вакуум многократно переходит на все более и более низкие энергетические уровни, что и служит причиной катаклизмов. В конце концов плотность вакуумной энергии дойдет до истинного минимума, и тогда Вселенная коллапсирует окончательно и бесповоротно. В общем, куда ни кинь — всюду клин.

К чему же мы пришли? У белых карликов есть шанс протянуть если не вечность (слово это вообще не имеет смысла), но неизмеримо дольше нынешнего возраста Вселенной. Насколько он реален — науке неизвестно.

В 1990-е гг. было сделано последнее великое открытие астрофизики ХХ в. В это время две группы ученых независимо обнаружили, что несколько миллиардов лет назад скорость расширения Вселенной стала возрастать и продолжает это делать вплоть до нашей эпохи. Это открытие ввело в астрофизику и космологию понятие темной энергии, новой физической сущности, природа которой пока неясна. Нашу экскурсию по астрофизическим открытиям прошлого столетия естественно закончить именно этой темой.

Pассказ о темной энергии обычно начинают с первой космологической модели Вселенной, построенной Альбертом Эйнштейном. Не будем отступать от традиции.

В 1915 г. Эйнштейн завершил работу над ОТО, объяснил с ее помощью аномалии орбиты Меркурия и определил угол отклонения звездных лучей вблизи Солнца. Затем он подступился к фундаментальной проблеме, над которой думал еще Ньютон. Коль скоро все небесные тела испытывают взаимное притяжение, почему они не падают друг на друга? Во времена Ньютона (впрочем, и гораздо позднее) можно было считать, что Вселенная вращается вокруг единого центра и тяготение уравновешивается центробежными силами (как это происходит в Солнечной системе). Однако Эйнштейн был уверен, что в космосе нет ни «особенных» мест, ни выделенных направлений, что крупномасштабная структура мироздания однородна и изотропна (то есть полностью симметрична по отношению к сдвигам и поворотам).

Чтобы оценить революционность этой идеи, необходимо вспомнить, что в 1915 г. практически все астрономы отождествляли космос с нашей собственной Галактикой, структура которой никак не удовлетворяет эйнштейновским постулатам (чтобы убедиться в этом, достаточно ночью посмотреть на небо). Так что Эйнштейн фактически противопоставил свои представления о мироздании астрономической науке того времени.

Наделив Вселенную столь высокими симметриями, Эйнштейн приступил к расчету ее модели. И тут-то математика подсунула ему малоприятный сюрприз. Все решения получались нестационарными, Вселенная либо стягивалась, либо расширялась. Изначально Эйнштейн считал Вселенную неизменной и полагал, что его уравнения это докажут, но ничего не выходило.

Великий физик обратился за консультацией к своему другу Виллему де Ситтеру, профессору астрономии Лейденского университета. Де Ситтер уверил его, что звездные движения не дают оснований для вывода, что Вселенная как целое расширяется или сжимается. Де Ситтер не ошибался, поскольку располагал лишь сведениями о светилах нашей Галактики. После этого Эйнштейн ввел в основное уравнение ОТО дополнительный член, который, казалось бы, математически обеспечивал статичность Вселенной. Так была построена первая релятивистская модель мироздания, которую Эйнштейн опубликовал в 1917 г. Пространство в ней замкнуто (следовательно, не меняющий курса космический корабль может вернуться в точку старта) и обладает конечным объемом, хотя и не имеет границ (фактически оно представляет собой трехмерный аналог поверхности шара). Модель и вправду была статичной, но лишь формально. Много позже было доказано, что если объем такого мира увеличится хотя бы на йоту, он продолжит расти до бесконечности (а при уменьшении объема сожмется в точку). Это означает, что эйнштейновское решение неустойчиво и потому не имеет физического смысла.

И все-таки Эйнштейн угодил в яблочко. Идея космологического члена оказалась весьма плодотворной, хоть он об этом уже не узнал. Чтобы лучше ее понять, придется немного поговорить о математическом аппарате ОТО. Величины, которые входят в ее основное уравнение, зависят от фундаментальной характеристики пространства-времени, которая называется метрическим тензором. Он определяет расстояние между бесконечно близкими точками пространственно-временного континуума. В чисто формальном плане тензор есть обобщение всем известного вектора. Компоненты вектора нумеруются одним-единственным индексом, который в двумерном пространстве (например, на плоскости) принимает два значения, в трехмерном — три, а в четырехмерном пространстве-времени теории относительности, естественно, четыре. Соответственно, компоненты тензора нумеруются несколькими индексами — как минимум двумя. Компоненты метрического тензора задаются парой индексов, принимающих значения от одного до четырех (поскольку, напоминаю, пространство-время теории относительности четырехмерно). Всего их, следовательно, 4 × 4 = 16, но независимых — лишь десять. Так что уравнение ОТО — это десять взаимосвязанных дифференциальных уравнений, да к тому же еще и нелинейных — настоящий математический кошмар.

Пойдем дальше. Согласно ОТО, гравитация — не самостоятельное поле вроде электромагнитного, а следствие искривления пространственно-временного континуума. Ее исходное уравнение связывает это искривление с характеристиками физической материи (обычного вещества и взаимодействующих с ним полей). Слева от знака равенства стоит так называемый тензор Эйнштейна, описывающий деформацию пространства-времени. Справа расположен тензор энергии-импульса, компоненты которого содержат информацию о физических полях и частицах, заполняющих пространство. При использовании стандартной физической системы единиц он умножается на 8πG / с 4(где G — гравитационная постоянная, а c — скорость света). Именно так Эйнштейн сначала написал свое уравнение, приравняв «геометрическую» часть к «энергетической».