ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ ДВИЖЕТ МИРОМ

Вселенная большая, горячая, плоская и не одна

Новейшие открытия в физике перевернули наши представления о мироздании. Теперь известно, что миром движет энергия неизвестной природы, вселенных множество, а нашу Вселенную вполне могли сотворить в лаборатории представители сверхцивилизации

В космологии--настоящая революция. Принципиальные изменения в наших представлениях об устройстве мира произошли в последние год-полтора. Главный и уже не подвергающийся сомнению факт состоит в том, что Вселенная на 25 процентов состоит из невидимой Темной материи и еще на 70--из Темной энергии, физические свойства которой и сама ее природа неизвестны. Более того, физики не могут придумать, как ее изучать. Но следствия из этого открытия вывести можно, и следствия эти--самые фантастические.

--Лет пятнадцать назад космология была скорее качественной наукой, чем точной,--говорит главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, академик РАН Валерий Рубаков.--Но потом начались измерения, а в последние пять лет--просто бум в этой области.

Началось все в начале 90-х годов прошлого века с измерения температуры реликтового излучения.

--Реликтовое излучение было открыто в 1965 году на уровне радиошума,--говорит Владимир Лукаш, заведующий отделом теоретической астрофизики Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.--А сейчас измеряются тонкие детали этого излучения, по которым можно судить и о состоянии Вселенной, и о количестве вещества и энергии в ней.

Реликтовое излучение называют эхом Большого взрыва--самых ранних стадий развития нашей Вселенной. Тогда она из микроскопической стремительно раздулась в привычный нам огромный размер и мгновенно разогрелась до очень больших температур. Остывая, вещество стало светиться, этот свет и есть реликтовое излучение. За 14 миллиардов лет, впрочем, фотоны света, возникшие при Большом взрыве, остыли и превратились в радиоволны с температурой 2,7 Кельвина (всего на 2,7 градуса выше температуры вакуума).

--Это в буквальном смысле фотография Вселенной возраста, когда она была совсем юная,--300 тысяч лет,--говорит Рубаков.--И устройство ее отличалось от современного. Тогда еще не было, разумеется, ни галактик, ни звезд. Но все же Вселенная была не совсем однородная. Фактически в ее веществе ходили звуковые волны. Потом, когда она раздулась, из этих волн образовалось все, что мы видим,--галактики, скопления галактик...

И вот по температуре реликтового излучения, приходящего к нам с разных сторон, удалось измерить величину тех ранних звуковых волн. А потом по этим данным--количество вещества в современной Вселенной. Выяснилась удивительная вещь: обычного вещества, из которого состоят звезды и планеты, не хватает. Его масса составляет всего пять процентов от того, сколько должно быть.

Стали искать недостающие девяносто пять процентов. Оказалось, что они состоят из двух компонентов: Темной материи и Темной энергии. Первой во Вселенной 25 процентов, а второй--70. Темная материя--это пока не открытые частицы. Они тяжелые, очень слабо взаимодействуют с веществом: не имеют электрического заряда, не участвуют в ядерных силах, иначе их бы давно открыли. Они летают вокруг нас и сквозь нас. Но все же слабенько они с веществом взаимодействуют--на уровне нейтрино.

--На нас падает 10 миллиардов штук нейтрино в секунду, и мы этого не замечаем,--говорит Рубаков.--То же самое с тяжелыми частицами Темной материи. Но нейтрино детектируют, значит, есть надежда, что и Темную материю откроют. Думаю, эта проблема будет решена в ближайшие годы.

ЭНЕРГИЯ, ЧЕМ БЫ ОНА НИ БЫЛА

Но откуда стало известно, что Темной материи во Вселенной 25 процентов, если ее не видно? На самом деле ее присутствие можно обнаружить по скорости, с которой вращаются галактики. Если бы в галактиках было только обычное вещество, тогда они вращались бы по-другому. Это, кстати, тоже выяснилось из астрономических наблюдений последних лет. Вычисления показали, что галактики как бы вложены внутрь шаров из невидимого вещества. Причем размеры этих шаров больше, чем размеры видимых частей галактик, а их массы недостаточно, чтобы сошлись вычисления всей энергии Вселенной.

--В последние полтора года появились данные космического эксперимента WMAP, где измеряли реликтовое излучение на разных направлениях,--говорит Лукаш.--Это и расставило все точки. Мы получили информацию о количестве Темной материи. И оказалось, что в сумме с обычной материей это количество составило только треть от всей Вселенной.

В уравнениях Эйнштейна оставалось только одно вакантное место для недостающих 70 процентов Вселенной. Это был так называемый лямбда-член, характеризующий некую энергию, чем бы она ни была. Ее и назвали Темной энергией.

В то же время выяснилась еще более поразительная вещь--Темная энергия действует как антигравитация, то есть заставляет Вселенную расширяться все быстрее. То, что Вселенная расширяется ускоренно, определили по скорости удаления от нас так называемых стандартных свечей--сверхновых звезд. Свет этих звезд был испущен очень давно, миллиарды лет назад. Значит, можно вычислить, с какой скоростью Вселенная расширялась в те времена. А с какой скоростью она расширяется сейчас, тоже известно. Отсюда и обнаружили ускорение, которое вызывает Темная энергия.

--С Темной энергией вообще кабак!--говорит Рубаков.--Это крайне необычная штука. Дело вот в чем. Нормально, если бы расширение Вселенной тормозилось гравитацией. А наблюдения говорят, что в последние несколько миллиардов лет темп расширения увеличивается. Это значит, что оставшиеся 70 процентов энергии должно обеспечивать что-то, что, грубо говоря, антигравитирует. Реально неизвестно, что такое Темная энергия, даже гипотез хороших нет. Некоторые ученые говорят об отрицательном давлении вакуума. В уравнениях теории относительности это может быть. Но есть проблема. Число, которого требуют уравнения, ни в какие ворота не лезет с точки зрения физики частиц. Оно очень маленькое. Порядков на пятьдесят меньше, чем должно быть. С другой стороны, если бы это число соответствовало остальной физике, то пространство растягивалось бы прямо вот здесь, у нас на глазах.

Чтобы избежать противоречий, физики придумали слово для Темной энергии--«квинтэссенция». Означает оно, что это некое новое поле, но на самом деле это пока только еще одни слова. Есть и другие гипотезы, самые экзотические. Например, что гравитация на больших расстояниях не подчиняется теории относительности. Но пока построить теоретическую модель, непротиворечивую хотя бы внутри себя, не удается. И совершенно не видно способов проверить в лаборатории. Это тоже странная ситуация для физики.

ПЕНА ВРЕМЕНИ

Тем не менее в космологии есть гипотеза, которая хоть и не объясняет природу Темной энергии, но само наличие этой энергии предсказала еще двадцать лет назад. Называется она инфляционной. В свете открытий последних лет инфляционная гипотеза стала общепринятой, почему и говорят о перевороте в космологии. Эту гипотезу развивали несколько ученых и у нас, и за границей, но первую работу на эту тему опубликовал в 1979 году Алексей Старобинский, сотрудник Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау.

--Можно надеяться, что в ближайшие пять--десять лет будет найдено прямое подтверждение инфляционной гипотезы,--говорит Рубаков.--Заключается оно в следующем. Кроме электромагнитных полей есть гравитационное поле. И в нем тоже есть флуктуации. Вот эти флуктуации тоже должны были усилиться при раздувании Вселенной и превратиться в гравитационные волны. Их тоже можно заметить, наблюдая реликтовое излучение. И тогда это будет окончательный триумф инфляционной гипотезы.

Сама гипотеза говорит, что Вселенная до Большого взрыва была частью чего-то гораздо большего. Это «нечто» существовало и существует всегда, и материя в нем находится в бесструктурном состоянии--нет ни атомов, ни частиц. Потом наш кусочек этого «нечто» начал стремительно раздуваться и за малые доли секунды из микроскопического стал гигантским: Вселенная растянулась и стала большего размера, чем мы видим. Она и сейчас больше--мы видим меньше одной сотой ее части.

Немного наивно, но наглядно раздувание пузыря Вселенной можно представить так: если бы мы жили на поверхности воздушного шарика, который надувают, то мы бы стали отъезжать друг от друга. Произошло почти мгновенное растягивание всех масштабов. Неизвестная энергия, вызвавшая раздувание, перешла в тепло. Вселенная разогрелась и началось то, что в старой космологии называлось Большим взрывом.

--В рамках современной космологии нет никакого однократного начала мира,--говорит Алексей Старобинский.--Есть только переход из какой-то пока неизвестной предыдущей стадии. В какой-то момент возникает пузырь, потом он раздувается. Часть этого пузыря--наша Вселенная. Но видно, что и до этого что-то было и после будет. Все это похоже на такую картинку: кипит вода, в ней все время возникают пузыри. Этих пузырей много. Некоторые из них разрастаются. И можно сказать, что это пространственно-временная пена.

После Большого взрыва ускорение Вселенной тормозилось гравитацией, но семь миллиардов лет назад наш мир опять стал расширяться ускоренно. Математически и начало раздувания, и нынешнее состояние описываются практически одинаково. Таким образом, Темная энергия очень естественно ложится в инфляционный сценарий. Другое дело, что мы не можем объяснить, почему она так себя ведет. То есть мы не знаем физическую природу Темной энергии.

--Но это мы не знаем,--говорит Старобинский,--а природа-то знает.

ВСЕЛЕННАЯ МНОЖЕСТВЕННОЕ ЧИСЛО

Вселенная в описании инфляционной гипотезы выглядит совсем иначе, чем в старой космологии (основоположником которой тоже можно считать нашего соотечественника Александра Фридмана). Главное философское следствие--множественность вселенных. Оказывается, что наш «пузырь»--это отнюдь не весь мир, а только маленькая его часть. Можно ли в таком случае выйти за его границы и попасть в «параллельный мир»?

Математически это выглядит так, что между «пузырями» всегда есть инфляционные области. А там пространство расширяется так быстро, что никакой сигнал не может успеть его преодолеть. Практически это и означает, что из одной части Вселенной в другую попасть нельзя. Для этого нужно каким-то образом попасть назад в прошлое, в доинфляционную стадию, и только потом пойти в будущее по новому «пузырю». Это сейчас представляется физикам невозможным.

Из новой космологии также следует, что возможны вселенные с другими свойствами: с большим числом измерений или с другими квантовыми законами. Вы кидаете кубик много раз, и он в конце концов упадет каждой из сторон. В случае со Вселенной никто не знает, сколько сторон у этого кубика.

НЕСКОЛЬКО МИЛЛИАРДОВ ЛЕТ ВСЕ БУДЕТ СПОКОЙНО

Из всей новой космологии есть очень важное для нашего мира следствие: вариантов будущего Вселенной множество. Можно привести мнение всех трех наших экспертов по этому поводу:

--Все модели связаны с вопросом, стабильна ли Темная энергия,--говорит Владимир Лукаш.--Если стабильна, то все будет разлетаться, другие галактики уйдут за горизонт событий, то есть свет оттуда не прилетит к нам никогда. А наша Галактика будет такой: в центре--черная дыра, а вокруг--мертвые звезды. Но если Темная энергия нестабильна, то возникают и другие варианты.

--За несколько десятков миллиардов лет ничего особенного со Вселенной не случится. Она будет продолжать расширяться,--утверждает Алексей Старобинский.--А что будет потом? Трудно сказать. Мы не понимаем физической природы Темной энергии. Мы не знаем начальных условий уравнений, а что более важно--мы не знаем самих уравнений. Мы ничего не можем сказать о том, устойчива она или нет и как поведет себя со временем.

--Завтра ничего не произойдет,--подытожил Рубаков,--а через 20--30 миллиардов лет у Вселенной могут быть законы, отличные от современных.

Тему номера подготовил
Алексей ТОРГАШЕВ