Удивительная космология - Лев Шильник

Вам это ничего не напоминает, читатель? Тогда вернитесь к началу прошлой главы, в которой речь шла о космологической инфляции – периоде сверхбыстрого расширения новорожденной Вселенной. Гипотетическое инфлатонное поле, эффективно раздувавшее пространство около точки «ноль», имело точно такие же характеристики – предельно сильное отрицательное давление и постоянную плотность, не меняющуюся со временем. Поэтому мы вправе предположить, что инфлатонное поле никуда не делось, а продолжает присутствовать в нашей Вселенной. Тогда темная энергия как раз и будет таким полем, находящимся в минимуме своего потенциала. Между прочим, отсюда вытекает важное следствие: эпоха инфляции качественно совершенно аналогична той, к которой наша Вселенная приближается сегодня. Бесспорно, разница между ними есть, но она носит сугубо количественный характер. Понятно, что на заре истории, в стадии раздувания все значения кривизны пространства-времени и эффективной плотности энергии были в колоссальное число раз больше, чем сейчас, но принципиальных отличий между этими двумя эпохами не усматривается.

Итак, до 1998 года можно было с уверенностью говорить о трех компонентах материи, равномерно заполняющих пространство Вселенной. Во-первых, это обычное вещество – протоны, нейтроны и электроны, из которых построены звезды, планеты и такая малость, как мы с вами. Во-вторых, это таинственная темная материя (скрытая масса), состоящая из нерелятивистских частиц, не излучающая света и практически не взаимодействующая с обычным веществом. Наконец, в-третьих, это «остаточное» излучение – реликтовые фотоны и нейтрино, сохранившиеся как отголосок горячего начала нашего мира. Не обнаруженные до сих пор гравитоны и некоторые другие ультра-релятивистские частицы тоже попадают в эту категорию. Эти три ипостаси мироздания обеспечивают всемирное тяготение, а вот четвертая компонента, на долю которой приходится две трети полной плотности современной Вселенной, выявлена совсем недавно и создает феномен универсального космологического отталкивания. Так что судьбой мира управляет некая сплошная среда с положительной постоянной плотностью и отрицательным давлением, причем в абсолютном выражении эти две величины равны между собой.

Относительно физической природы этой загадочной субстанции мы на сегодняшний день не можем сказать почти ничего. Если трактовать ее как своего рода космологическую постоянную, мы неизбежно упираемся в ювелирную точность исходных параметров, ту самую тонкую настройку, которая давно навязла в зубах. Получается, что начальная потенциальная энергия Вселенной была рассчитана настолько безукоризненно, что по мере последующего «спокойного» расширения сумела обеспечить такую критическую плотность нашего мира, которая сделала пространство почти идеально плоским. «Почему антигравитационное действие темной энергии проявилось лишь в то время, когда стали возникать галактики?» – спрашивают некоторые астрофизики. Правда, эти неувязки снимаются в сценарии хаотической инфляции А. Д. Линде: космологическая постоянная может принимать разные значения, и только там, где существуют звезды, галактики и вообще сложные структуры, она приобретает такую величину, которая допускает появление вопрошающего субъекта. Другими словами, темная энергия неравномерно распределена в пространстве, а потому версию божественного промысла можно со спокойной душой закрыть. В тех уголках мироздания, где значение космологической постоянной по воле слепого случая оказалось иным, спрашивать о ювелирной подгонке параметров попросту некому.

Между тем далеко не все физики готовы согласиться с такой постановкой вопроса и полагают, что плотность темной энергии имеет не вакуумную природу и может со временем меняться. Скажем, американцы Пол Стейнхардт и Ричард Колдуэлл думают, что под маской темной энергии прячется особое квантовое поле, которое может принимать переменные значения. В память об античных мыслителях они назвали его квинтэссенцией. Как известно, древние считали, что слагаемыми мироздания являются четыре стихии – земля, вода, огонь и воздух, но неугомонный Аристотель дополнил эту номенклатуру пятой сущностью – квинтэссенцией, из которой якобы состоят эфирные тела. В споры высоколобых теоретиков мы соваться не станем, а отметим только, что вопрос о физической природе темной энергии пока еще весьма далек от окончательного разрешения. Так или иначе, но ведущая роль темной энергии в эволюции Вселенной в наши дни сомнений уже не вызывает. Чем бы она ни являлась на микроскопическом уровне – особой энергией вакуума или геометрическим радикалом, вложенным в мироздание, – но факт остается фактом: на протяжении нескольких миллиардов лет наша Вселенная расширяется ускоренно, и тон этому расширению задает именно темная энергия – некая субстанция с отрицательным давлением и постоянной плотностью.

Исходя из вышесказанного, всю историю Вселенной можно разбить на четыре эпохи и описать четырехчленной формулой следующего вида:…ДС(И) – ФИ – ФМ – ДС… Первое звено этой формулы обозначает фазу инфляции (буква «И» в скобках), а сочетание «ДС» указывает на де-ситтеровский характер расширения. Хотя о голландском астрономе Виллеме Ситтере мы уже упоминали, необходимо сделать небольшое пояснение. Он был одним из первых ученых, признавших общую теорию относительности, однако стационарная модель Эйнштейна его не устраивала. Вселенная Эйнштейна описывалась римановой геометрией и представляла собой четырехмерную гиперсферу, аналогом которой в трех измерениях может быть поверхность резиновой камеры или воздушного шарика. Такая Вселенная замкнута на себя и не имеет границ, хотя ее объем конечен. Луч света, если он не встречает препятствий, распространялся бы в такой модели по окружности (точнее, по геодезической линии, ибо кратчайшим путем между двумя точками на поверхности сферы является именно такая кривая).

Ситтер предложил динамическую модель пустой и непрерывно расширяющейся Вселенной, похожую на воздушный шарик, который все время надувают. По мере раздувания диаметр шарика постоянно растет, а его геометрия, продолжая оставаться римановской, все более и более приближается к геометрии Евклида. Другими словами, пространство в такой Вселенной становится все более плоским, а луч света движется не по окружности, а по непрерывно расширяющейся спирали. Однако Ситтеру крупно не повезло. Он слишком сильно опередил свое время, и его гипотеза осталась в памяти современников изящным и остроумным математическим казусом. Вселенная Ситтера расширялась по экспоненте (то есть в геометрической прогрессии в зависимости от времени), что в ту пору (в 1917 году) противоречило наблюдениям. А вот предложенная несколькими годами позже модель А. А. Фридмана настаивала на том, что объекты удаляются друг от друга со скоростью, прямо пропорциональной расстоянию до них.

Сегодня мы понимаем, что это противоречие мнимое. И Фридман был не дурак, и Ситтер тоже не лаптем щи хлебал: каждый был по-своему прав. В эпоху инфляции пространство росло экспоненциально – в полном соответствии с выкладками Ситтера. А когда энергия поля, распирающего Вселенную, упала до минимума, режим расширения сразу же поменялся. И на стадии излучения (ФИ-фаза), когда Вселенная была раскаленным сгустком горячей плазмы, и на стадии рекомбинации (ФМ-фаза), когда излучение отделилось от вещества, наш мир расширялся пропорционально – по закону Фридмана – Хаббла. А вот когда Вселенная изрядно подросла и остыла, темная энергия снова вступила в свои права. Несколько миллиардов лет тому назад наступила эпоха доминирования темной энергии, которая продолжается до сих пор, и Вселенная снова начала расширяться ускоренно. А поскольку по своим динамическим параметрам современная эпоха почти ничем не отличается от стадии инфляции, А. А. Старобинский предложил назвать ее де-ситтеровской (аббревиатура ДС в правой части формулы).

Между прочим, проблема темной энергии имеет весьма любопытный философский аспект. До того момента, как сила универсального космологического отталкивания стала доминирующей, а Вселенная начала расширяться ускоренно, успело произойти много разных событий. Прежде чем выйти на режим ускоренного расширения, мир пережил эпоху инфляции (ДС(И) – стадия), фазу излучения (ФИ-стадия) и фазу доминирования темной материи (ФМ-стадия), когда излучение отделилось от вещества. Следовательно, мы имеем полное право предположить, что и фазе инфляции в левой части формулы предшествовали некие события.

А. А. Старобинский пишет:

Все 4 стадии и переходы между ними, включенные в эту формулу, могут быть рассчитаны теоретически и исследованы по существующим наблюдательным данным. Однако можно ли думать, что эта цепь заключает в себе всю эволюцию нашей Вселенной в прошлом и будущем? Полагаю, что нет. Как раз наоборот, замечательная качественная аналогия между ДС(И) – и ДС-стадиями, объясненная выше, подсказывает нам, что эта цепь – лишь маленький кусочек чего-то существенно большего, может быть, даже бесконечного. Посмотрим вдоль формулы справа налево. Мы видим, что перед ДС-стадией была длинная и разнообразная предыстория. Тогда естественно ожидать, что и ДС(И) – стадия имела свою предысторию (многоточие слева от формулы). Теперь взглянем слева направо. Очевидно, что ДС(И) – стадия была неустойчивой, первичная темная энергия распалась в другие (в том числе в обычные) виды материи. Почему тогда современная темная энергия обязана быть стабильной и не может превращаться в другие виды материи в будущем (многоточие справа от формулы)?