Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев
К этому поразительному выводу нужно добавить следующее. В последние десятилетия выяснилось, что мы серьезно недооценивали массу газа (преимущественно водорода) в межгалактическом пространстве. Это означает, что от общей плотности энергии во Вселенной, падающих на вещество, большая часть (4,5 % из 5 %) принадлежит межгалактическому газу, а привычная нам материя, из которой состоят звезды, планеты, астероиды, пыль, газопылевые облака внутри галактик, составляет не более 0,5 %.
Если взять воображаемый шар с радиусом, равным радиусу орбиты Луны (около 400 тысяч км), то внутри этого шара можно было бы обнаружить темную энергию, соответствующую массе 1,6 кг. На первый взгляд это немного. Но за счет гигантских областей Вселенной, где темная энергия есть, а обычного вещества нет, обеспечивается указанное процентное соотношение. Темная энергия сегодня превалирует во Вселенной, и это превалирование будет усиливаться: плотность обычного вещества будет только падать, тогда как плотность темной энергии всегда остается постоянной.
Итак, мир, который астрономы исследуют, начиная с древних греков, на протяжении последних двух с половиной тысяч лет, — это всего лишь полпроцента от всей энергии/массы, которая присутствует в наблюдаемой (а скорее всего, и не только наблюдаемой) части Вселенной!
Замечательный итог длительных исследований.
При этом получается, что недавно обнаруженные темная энергия и темная материя, составляющие в совокупности 95 % всего, что есть во Вселенной, нами совершенно не изучены.
Мы не знаем, что такое темная материя.
Мы не знаем, что такое темная энергия.
У нас есть гипотезы (в том числе довольно убедительные и обоснованные) по поводу того, что бы это могло быть. Некоторые свойства и темной материи, и темной энергии мы уже знаем, но тем не менее, если говорить честно, а в науке принято вести себя именно так, громадная часть устройства Вселенной для нас пока почти неизвестна, и мы только начинаем нащупывать основные очертания этого неисследованного мира[66].
Надо заметить, что темная энергия — это не единственная гипотеза, пытающаяся объяснить феномен ускоренного расширения Вселенной. Но, несомненно, это наиболее популярная и обоснованная идея. Кроме того, надо заметить, что идея проявлений физического вакуума хорошо смыкается с идеей инфляции. В некоторых вариантах теории, рассматривающей в основе Вселенной физический вакуум, ускоренное расширение в начале, специально придуманное в рамках теории инфляции, получается естественным путем и не требует специальных обоснований.
Итак, как же выглядит сегодня история Вселенной в рамках наиболее популярной сегодня теории? Еще раз рассмотрим предлагаемый наукой сценарий.
Все начинается с крошечного кусочка высокоэнергичного вакуума. В нем содержалась гигантская энергия. В нашем сегодняшнем мире не существует таких объектов. Это была материя в особом, крайне маловероятном состоянии. Внутри такого клочка материи действует чудовищная сила гравитации (не забываем, что E = mc2, и огромная содержащаяся здесь энергия означает возможность образования огромной массы). Но здесь же действует и громадная сила отталкивания — она втрое мощнее. В итоге клочок материи начал раздуваться. Скрученное, сжатое до минимально возможных размеров внутреннее пространство-время, присущее этому клочку материи, стремительно развернулось, расширяясь с огромной, все нарастающей скоростью. Растяжение раздувающейся Вселенной можно было наблюдать (изнутри) в любой точке растущего объема.
В ходе растяжения неизбежно возникали крошечные флуктуации — слабые локальные отклонения от среднего значения (плотность становится чуть больше или чуть меньше). Эти флуктуации быстро растягивались в ходе общего расширения.
Процесс раздувания происходил совсем недолго — фантастически короткие доли секунды. Теория подсказывает, что материя в таком состоянии нестабильна. Высокоэнергичный вакуум должен был распасться. Материя в форме высокоэнергичного вакуума превратилась в обычный (стабильный, нераспадающийся) сегодняшний физический вакуум, который содержит гораздо меньше энергии в единице объема. Значительная доля энергия первичного вакуума во всем стремительно растущем объеме Вселенной трансформировалась в энергию вещества — темного и барионного (часть энергии пошла на возникновение огромного количества разнообразных частиц), и на энергию электромагнитного излучения. Мы уже говорили, что неистребимый наблюдатель внутри развивающейся Вселенной должен был обнаружить вокруг себя безграничный огненный океан из коротковолнового излучения и раскаленного вещества (то есть быстро движущихся частиц).
Этот распад первичного вакуума, рождение частиц и излучения мы и называем Большим взрывом.
Большой взрыв породил частицы огромной суммарной массы во всем объеме растущей Вселенной. Возникли частицы вещества и частицы антивещества, которые тут же аннигилировали, превращаясь опять-таки в электромагнитное излучение. Но слабая асимметрия (пока что нет окончательного понимания, почему возникла эта асимметрия) привела к тому, что частиц вещества оказалось несколько больше, чем частиц антивещества. Поэтому не все частицы аннигилировали, зато частиц одного из типов (античастиц) в природе практически не осталось[67].
С появлением частиц включилась гравитация, а с распадом высокоэнергичного вакуума отключилось его натяжение (отрицательное давление, или антигравитация). Но теперь мы знаем, что если возникший в ходе Большого взрыва низкоэнергичный физический вакуум все-таки обладает не нулевой, а некой конечной энергией, значит, антигравитация (расталкивающая сила) не упала до нуля! Расширение сначала продолжалось не благодаря антигравитации, а благодаря огромной кинетической энергии расширения, набранной на предыдущем этапе. Пространство вместе с его содержимым продолжало расширяться по инерции, но теперь гравитация вещественного содержимого Вселенной стала работать как тормоз, поэтому скорость расширения стала понемногу уменьшаться. Тем не менее она (скорость расширения) оставалась огромной, в результате чего плотность материи всех типов (кроме физического вакуума) неуклонно падала.
Начальные флуктуации плотности проявлялись все сильнее. Во-первых, распад высокоэнергичного вакуума мог происходить не абсолютно одновременно во всем объеме Вселенной — где-то чуть раньше, где-то чуть позже, и разные области начинали свое развитие в немного разных условиях. Начальные флуктуации плотности привели к развитию сгущений и разрежений, где гравитационная неустойчивость приводила к формированию уплотнений газа частиц темной материи, породивших протогалактики.
Что происходило с частицами? Высокая температура среды позволяла им сталкиваться. Казалось бы, так должна была сразу сформироваться вся таблица Менделеева, весь набор возможных ядер атомов (так сначала думал Гамов), но интенсивное электромагнитное излучение (энергичные фотоны) этому препятствовали: в то время плотность фотонов была куда выше плотности вещества. Реализовались только самые простые реакции, в ходе которых 12 ядер атомов водорода (протонов) превращались в ядро атома гелия[68]. Двенадцатая часть протонов превратилась в ядра атомов гелия.
Вселенная продолжала расширяться, плотность и температура падали. Наконец ядра водорода и гелия смогли присоединить к себе электроны, сформировав нейтральные атомы (процесс рекомбинации, обратный ионизации). В нейтральном газе электромагнитное излучение смогло свободно распространяться сквозь среду — газ стал прозрачным. Мы уже упоминали, что это произошло через 380 тысяч лет после Большого взрыва, и этот момент породил реликтовое излучение[69]. Возникнув
