65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Существует, однако, и другой сценарий, при котором темная энергия со временем может ослабеть. Тогда во Вселенной начнет преобладать гравитация, которая вынудит пространство начать сжиматься обратно в исходное сингулярное состояние. Такой сценарий называется Большое сжатие.
Какой из сценариев будет реализован, могут сказать только более точные космические измерения, а также новые теории, которые еще предстоит разработать.
Но давайте вернемся к теме нашей главы. Ведь во Вселенной есть еще одна темная субстанция, поведение которой не менее загадочно и непонятно – это темная материя. Изначально ее присутствие было обнаружено при наблюдении за вращением галактик. Оказалось, что все они вращаются совсем не как планетные системы. Согласно закону всемирного тяготения, чем дальше планета находится от звезды, тем меньше скорость ее обращения. Но поведение галактик больше похоже на вращение диска – при удалении от центра угловая скорость звезд очень слабо меняется. Как будто галактики заполнены каким-то невидимым веществом, которое своим гравитационным полем влияет на их вращение.
Это вещество не участвует в электромагнитных взаимодействиях, поскольку не излучает и не поглощает электромагнитные волны. А значит, мы не можем его увидеть. Поэтому эту загадочную субстанцию назвали темной материей или темным веществом. Тем не менее мы можем судить о ее существовании по тем гравитационным эффектам, которые она оказывает на окружающие ее тела, а также по тому гравитационному линзированию, которое испытывает свет, проходя сквозь галактики[143]. На сегодняшний день по данным наблюдения галактик астрофизики научились строить картины распределения темной материи. Т. е. нам даже не нужно ее видеть, чтобы понять, как она распределена в пространстве. Оказалось, что темная материя довольно широко распространена во Вселенной. Более того, она принимала активнейшее участие в формировании галактик и их скоплений. Без нее было бы невозможно существование каких-либо сложных структур во Вселенной, поскольку гравитационного поля обычного вещества недостаточно для того, чтобы собрать столько материи вместе для образования галактик.
Астрофизики подсчитали общее количество темной материи. Оказалось, что она составляет порядка 25 % от всей материи и энергии во Вселенной. Получается, что на обычное барионное вещество (состоящее из привычных нам протонов, нейтронов, электронов) приходится всего лишь 5 % материи-энергии Вселенной. Оставшиеся 95 % приходятся на темную энергию и темное вещество, природа которых остается неясна. Как появляется темная материя, из чего она состоит, каковы свойства частиц темной материи? На все эти вопросы еще предстоит ответить. Физики построили множество теорий, претендующих на описание этих темных субстанций, но ни одна их них не получила окончательного экспериментального подтверждения. На современных ускорителях пытаются найти следы частиц темной материи. Но тоже пока безрезультатно. Возможно, новые астрономические наблюдения прольют свет на темные стороны нашей Вселенной, и мы узнаем, что собой представляют темная материя и темная энергия. А пока эти вопросы остаются открытыми.
Вопрос 65. Как в теории инфляции появляются параллельные Вселенные?
Несмотря на то, что теория Большого взрыва находит многочисленные подтверждения в наблюдательной астрономии, есть у нее и ряд проблем. Во-первых, она ничего не говорит о том, что же было до Большого взрыва. Во-вторых, из нее невозможно понять, почему наша Вселенная однородна и изотропна, т. е. одинакова всюду и по всем направлениям. Ведь изначально разные области Вселенной ничего «не знали» друг о друге (т. е. могли быть причинно не связаны). Почему же тогда все свойства Вселенной одинаковы в несвязанных областях? Почему эти несвязанные области пространства начали расширяться одновременно? В-третьих, почему Вселенная плоская? Не в смысле «двухмерная», а в смысле «кривизна трехмерного пространства Вселенной равна нулю». Для ответа на эти и многие другие вопросы была разработана теория инфляции или инфляционная модель Вселенной (от лат. inflatio – раздувание).
Основные идеи этой теории сформулировали в конце 1970‐х – начале 1980‐х годов физики Алексей Александрович Старобинский (1948–2023), Андрей Дмитриевич Линде (род. в 1948 г.), Вячеслав Федорович Муханов (род. в 1956 г.) и Алан Гус (род. в 1947 г.). Они предположили, что на самой ранней стадии эволюции Вселенной, с 10–36 до 10–32 секунд (разные модели дают разную оценку характерного времени), она была заполнена веществом особого типа (или инфлатонным полем), которое за счет отрицательного давления создавало антигравитацию и вынуждало пространство Вселенной расширяться с огромным ускорением. За эти микроскопические доли секунды Вселенная раздулась как минимум в 1026 раз. А затем энергия инфлатонного поля преобразовалась в энергию обычного вещества, которое за счет этого приобрело огромную температуру, и начались все те процессы, которые описывает уже теория Большого взрыва.
Благодаря такому быстрому расширению вся наша Вселенная «вырастает» из очень малой области пространства. А следовательно, все ее части оказываются причинно связаны друг с другом. Поэтому сегодня мы видим, что Вселенная однородна и изотропна. Кроме того, даже если изначально пространство Вселенной и было кривым, при столь колоссальном расширении радиус кривизны увеличился настолько, что все доступное нам для наблюдения пространство представляется абсолютно плоским. Точно так же, как поверхность Земли кажется нам плоской – мы не замечаем ее кривизны, потому что наши размеры чрезвычайно малы по сравнению с размерами нашей планеты и нам доступна для наблюдения лишь малая часть ее поверхности.
И еще один бонус, который мы получаем от стадии инфляции, – это флуктуации плотности вещества в ранней Вселенной, возникшие из квантовых флуктуаций инфлатонного поля. Именно из этих флуктуаций, «раздутых» за время инфляционного расширения в триллионы и триллионы раз, сформировалась крупномасштабная структура Вселенной со всеми планетами, звездами, галактиками и скоплениями галактик. Без этих флуктуаций вещество было бы равномерно распределено по всей Вселенной, и оно бы не смогло собраться в одном месте, чтобы образовать хоть какое-то макроскопическое тело. Это была бы очень скучная Вселенная, заполненная отдельными хаотично летающими частицами космического газа. Никаких планет, звезд и тем более галактик.
Помимо перечисленных достоинств, есть у теории инфляции еще одно очень важное следствие, дающее ответ на очень сложные вопросы о том, почему наша Вселенная выглядит именно так, почему в ней именно три пространственных измерения, почему базовые физические константы имеют именно такие значения и т. д. Ведь стоит хоть немного изменить значение элементарного электрического заряда, или скорость света, или постоянную Планка, и станет невозможным существование стабильных атомов, не смогут протекать термоядерные реакции, а звезды просто не смогут образоваться. Все выглядит так, будто кто-то специально настолько точно подобрал все параметры нашего мира, что стало возможно не только возникновение планет, звезд и галактик,
