Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев
Со всей остротой встал вопрос: что заставляет Вселенную расширяться с ускорением? Что это за сила? Эта неизвестная доселе сущность получила название темная энергия, которое с удовольствием подхватили журналисты. Предположения о возможной природе темной энергии появились сразу. Были использованы многочисленные наработки концепции инфляции.
Какова основная идея инфляции? В основе лежит гипотетическое поле инфлатон, которое обеспечило экспоненциальное расширение, развертывание, раздувание крошечного фрагмента пространства-времени, содержащего это поле. Раздувание произошло благодаря энергии самого поля. Применяя другой набор терминов, мы говорили, что инфляцию обеспечил крошечный пузырек физического вакуума, содержащий в себе гигантскую энергию. Этот пузырек стремительно расширялся из-за собственного внутреннего натяжения. Поскольку высокоэнергичный вакуум нестабилен, он вскоре неизбежно перешел в другое состояние. Энергия, принадлежавшая высокоэнергичному вакууму, превратилась в другие типы материи: в частицы вещества и темной материи, обладающие гравитацией, а также в энергичное электромагнитное излучение при очень высокой температуре.
Этот переход мы называем Большим взрывом. Важно, что высокоэнергичный вакуум, растратив свою энергию на создание вещества и излучения, перешел в состояние так называемого истинного вакуума, который (вероятно) наполняет Вселенную сейчас. Согласно теории Большого взрыва, современный вакуум должен содержать либо нулевую либо пренебрежимо малую энергию.
Однако факт ускоренного расширения Вселенной говорит, что это не совсем так. Даже после Большого взрыва сегодняшний вакуум содержит в себе ненулевую энергию, и, возможно, именно она и проявляет себя в ускорении расширения нашего мира.
Такой вакуум мы называем сегодня физическим вакуумом, чтобы подчеркнуть, что это не просто пустота. Какими же свойствами обладает таинственная темная энергия или, как предполагается, физический вакуум?
В рамках идеи о физическом вакууме получается, что это и есть та самая космологическая постоянная, которую сначала предложил, а потом отменил Эйнштейн. Согласно этой концепции, темная энергия в виде физического вакуума находится везде. Она есть в любой точке нашего пространства-времени. Она в кабинете автора этой книги и в комнате, где находится читатель. Она не замечает нашего присутствия, она не вытесняется, подобно воде, если в комнату кто-то вошел. Возьмем ли мы кубический метр межгалактического пространства внутри войда, где, скорее всего, можно обнаружить всего лишь считаные элементарные частицы, либо кубический метр пространства в недрах нейтронной звезды, где вещество сжато до чудовищной плотности, — физический вакуум всюду один и тот же, его плотность всюду одинакова и не меняется никогда. Это среда, заполняющая все пространство-время нашей Вселенной. Он не реагирует на изменения скорости вещественных объектов в этой среде. Летя на звездолете либо сидя у себя дома на Земле, наблюдатель обнаружит одну и ту же неизменную плотность этой загадочной среды. Вакуум всегда и везде одинаков.
Физический вакуум заполняет все пространство-время нашей Вселенной. Его плотность неизменна и не зависит от плотности содержащегося в этом же объеме вещества.
Как он себя проявляет? Можем ли мы как-то почувствовать его существование? В рамках этой концепции мы уже его чувствуем. Сто лет назад де Ситтер анализировал, что будет со Вселенной, если из нее исчезнет все вещество, но останется только среда, подобная физическому вакууму. Возможно, именно эта среда описана Эйнштейном как космологическая постоянная. Согласно модели де Ситтера, в такой Вселенной должна возникать сила натяжения, которая проявляет себя как отрицательное давление, обладающее отталкивающей силой. Если ввести в такую Вселенную два пробных тела (например, две далеких галактики), они станут отталкиваться, причем сила отталкивания должна нарастать пропорционально расстоянию между ними. Чем больше расстояние, тем сильнее отталкивание.
Анализ наблюдений показал, при каком расстоянии сила отталкивания оказывается равной силе притяжения. Напомним, что, согласно теории инфляции, Вселенная стремительно раздулась до гигантских размеров, и когда произошел Большой взрыв, во всей Вселенной энергия высокоэнергичного вакуума превратилась в энергию вещества и излучения. Пространство продолжало расширяться, плотность вещества и излучения падала, крошечные флуктуации вещества привели к возникновению сначала протогалактик, а затем галактик, плотность которых на единицу объема продолжала падать. Но огромная гравитация галактик притормаживала расширение, и до определенного момента Вселенная расширялась замедленно. В постоянной борьбе притяжения и отталкивания сначала побеждало притяжение.
Когда плотность вещества и излучения во Вселенной оказалась меньше плотности темной энергии (это произошло примерно 7–8 миллиардов лет назад), сила отталкивания победила, и победила окончательно. С этого времени Вселенная расширяется ускоренно.
На сегодняшний день определены вклады всех известных видов материи в плотность Вселенной. Получается следующее.
Плотность темной материи и привычного нам вещества составляет сейчас примерно 3×10−30 г/см3. Это невероятно низкая плотность. Мы можем спросить: как же так? Есть огромные звезды с гигантской плотностью, эти звезды собраны в огромные галактики, где таких звезд — сотни миллиардов. Есть гигантские молекулярные облака, есть облака пыли между звездами. Ну а темной материи должно быть (как сказано выше) впятеро больше, чем обычного вещества. Откуда же такие низкие плотности?
Ответ кроется в гигантском объеме, в котором распределено вещество Вселенной. Расстояние между звездами внутри галактик огромно, расстояние между галактиками — тем более. Значительная часть пространства Вселенной — это пустота (точнее, почти пустота), где можно найти лишь отдельные частицы, мизерные по массе. Если же вспомнить огромные, совершенно пустые пространства войдов протяженностью в сотни миллионов световых лет, где нет ни звезд, ни планет, ни пыли, ни газа, то получается, что средняя плотность вещества во Вселенной чрезвычайно мала.
Барионная материя — это вещество в составе звезд, планет, астероидов, облаков газа и пыли, а также межгалактический газ.
Если же оценить среднюю плотность темной энергии (она, в отличие от плотности вещества, везде равна среднему значению во всей Вселенной и всюду одинакова), получается несколько больше: 7 × 10−30 г/см3. Это соответствует плотности энергии, которую обеспечивают всего три атома водорода в кубическом метре. Кажется, что это очень мало. Но это существенно больше средней плотности обычного вещества во Вселенной!
Приведем современные (по состоянию на 2018 год, хотя, наверно, не окончательные) данные о том, что же содержится в нашей Вселенной:
Темная энергия — примерно 6,9×10−30 г/см3, или 68,89 %.
Темная материя — примерно 2,6×10−30 г/см3, или 26,07 %.
Барионная материя (вещество) — примерно 0,49×10−30 г/см3, или 4,9 %.
Электромагнитное изучение плюс нейтрино — малые доли
