Растяжимые понятия

Большому взрыву предшествовала чрезвычайно короткая стадия расширения пространства, названная ими инфляционной по аналогии с обычной инфляцией в экономике. В экономике этот промежуток времени исчисляется годами или даже (при низкой инфляции) десятилетиями, а при космической инфляции размер пространства ещё, по сути, не родившейся Вселенной удваивался за «планковское время», то есть за каждые 10-43 секунды! Через малую долю секунды после начала инфляционного процесса пространство расширилось чуть ли не до размеров нынешней Вселенной!

Разве это возможно? Ведь ничто материальное не может перемещаться со сверхсветовыми скоростями. Верно — но расширялось не вещество, которого тогда ещё 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. 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. Произошёл, как говорят физики, фазовый переход — ложный вакуум перешёл в более устойчивое состояние с низкой энергией и превратился в обычный вакуум. А вся «лишняя» энергия ложного вакуума выделилась, вот тогда-то и возник раскалённый до невообразимых температур шар из обычного вещества и излучения, продолживший по инерции расширяться, со скоростью, меньшей, чем скорость света. Родились протоны и электроны, через несколько сотен тысячелетий они объединились в атомы водорода, затем возникли первые звёзды, 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 ложный вакуум. В другой его точке тоже происходит переход нестабильного вакуума в обычный, и наблюдается ещё один Большой взрыв, рождается ещё одна вселенная. И в третьей точке, четвёртой, пятой… миллионной… 

 Рождается огромное (возможно, бесконечное!) количество вселенных, и каждая из них живёт 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. Новорождённые 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, рождённые 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! 

Как становится (выглядит!) практически плоской поверхность во много раз раздутого воздушного шара.

Правда, в реальности, как обычно, всё сложнее и интереснее! В восьмидесятые годы прошлого века техника астрофизических наблюдений позволила наконец достаточно надёжно определить плотность видимого вещества во Вселенной. 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 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 (её назвали тёмным веществом) гораздо больше массы всех видимых в телескопы объектов. 

Инфляционная теория «повисла на волоске»: она предсказывала практически плоскую Вселенную, а наблюдения свидетельствовали, что Вселенная втрое менее массивна и, следовательно, подчиняется неевклидовой геометрии Лобачевского, то есть имеет вид седла бесконечных размеров.

Спасла теорию идея, которую выдвинул ещё Эйнштейн в 1917 году. Идея, от которой Эйнштейн впоследствии отказался, назвав её «величайшей ошибкой». Об этой идее физики забыли надолго, но через три четверти века вспомнили, когда старались найти во Вселенной что-нибудь, что сделало бы её плоской. И нашли. 

Скрытую энергию вакуума, ту самую, которая вносит вклад в общую плотность материи во Вселенной.

Тёмная энергия расталкивает Вселенную, заставляет её расширяться быстрее.

Теоретически всё прекрасно сошлось: по современным данным, всего лишь 4% массы Вселенной составляет видимое в телескопы вещество (галактики, звёзды, плазма, пыль, газ), ещё 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 (её назвали тёмной), равномерно распределённой по всему объёму видимой Вселенной.

Плотность вещества (обычного и тёмного) при расширении Вселенной, естественно, уменьшается, но плотность тёмной энергии остаётся неизменной в любой точке и в любой момент времени, начиная с Большого взрыва.

Отсюда следует очень любопытная и важная вещь. Сейчас плотность тёмной энергии больше, чем плотность вещества (обычного и тёмного): соответственно 74 и 26%. В прошлом было наоборот. А это, в свою очередь, означает, что в былые времена силы притяжения во Вселенной преобладали над силами отталкивания и расширение замедлялось. Но в какой-то момент силы отталкивания стали больше сил притяжения и Вселенная стала разгоняться, как автомобиль на трассе.

Подтвердилось и другое предсказание. В инфляционной теории ложный вакуум — то ничто, из которого возникла Вселенная, — чрезвычайно однороден. Однако и в самой однородной «пустоте», если верны квантовые законы (а ещё не обнаружено ни одного случая, когда эти законы нарушались бы!), неизбежно возникают флуктуации, поскольку действует принцип неопределённости. Флуктуации должны были возникать и в ложном вакууме, а инфляция эти флуктуации растянула в пространстве. Большой взрыв закрепил флуктуации в виде незначительной разницы в плотности и температуре возникшего вещества. Если теория верна, то сейчас первичные флуктуации должны проявлять себя как слабые вариации температуры и яркости реликтового микроволнового излучения. 

И можно представить волнение теоретиков, когда запущенный в 2006 году спутник WMAP действительно отсканировал реликтовый фон с такой картиной флуктуаций.

После полёта WMAP у физиков исчезли сомнения в том, что Большому взрыву предшествовал чрезвычайно краткий период безудержного расширения ложного вакуума — пустого, по сути, пространства.

Теория инфляции победила, и в правоте её сейчас нет сомнений у подавляющего большинства физиков. Предсказания этой теории оправдываются с потрясающей точностью: и то, что Вселенная плоская, и то, что она однородна на больших масштабах, и то, что существует микроволновое излучение, оставшееся от Большого взрыва, и то, что в микроволновом фоне есть предсказанные флуктуации плотности и температуры.

Хорошая теория не может быть правильной в одном и неправильной в другом. Если из теории следуют, скажем, два вывода, а пока удалось подтвердить один, это не означает, что второй, пока неподтверждённый, можно объявить неверным — тогда придётся и всю теорию считать неправильной!

А из теории следует, что, во-первых, однажды начавшись, инфляция продолжается вечно и, во-вторых, в раздувающемся вакууме всё время возникают «островки» вакуума обычного, постоянно происходят Большие взрывы, рождаются новые вселенные. Может случиться, что две «соседние» вселенные расширяются одна навстречу другой. Тогда они могут столкнуться, и, наблюдая микроволновый фон, мы, по идее, можем увидеть следы столкновения миров. Выглядеть это должно как большое «пятно» в микроволновом излучении (не мелкая флуктуация, появление которой объясняется квантовыми эффектами, а большое пятно размером в несколько градусов). Подобные пятна действительно были обнаружены в 2011 году на картах микроволнового фона, полученных по данным спутника «Планк».

Теория бесконечной и хаотической инфляции подтверждается наблюдениями с такой точностью, какой до сих пор не было в космологической науке. Да и вообще, в астрофизике немного можно найти теорий, столь успешных и соответствующих реальности.

Смогут ли физики подтвердить существование иных вселенных, также предсказанных теорией вечной и хаотической инфляции? Вот хорошая задача, космологией ещё не решённая. Есть чем заняться в будущем.

по материалам: П. Амнуэля