Вселенная. Путешествие во времени и пространстве - Сергей Арктурович Язев

А что, если сначала было движение с ускорением? Тогда проблема горизонта решается: сначала вся материя Вселенной была сконцентрирована в одном ­месте, в пределах возможности обмена сигналами, и поэтому могла находиться примерно в одном состоянии, а уже потом стала ускоренно разлетаться, расходясь на такие расстояния, где обмен сигналами со скоростью света и меньше уже становится невозможным.

Но что могло бы обеспечить разлет с ускорением? Оказывается, уже сто лет назад такие соображения появились.

Во-первых, вспомним о космологической постоянной λ. Эйнштейн добавил в свои уравнения эту сущность для того, чтобы противостоять скучиванию всей материи в сверхплотный ком под влиянием гравитации. Это было сделано для того, чтобы космологическая постоянная уравновесила гравитацию и сделала бы Вселенную стационарной. Но это означало, что новая сущность должна работать как антигравитация. А что, если она окажется больше гравитации? Тогда Вселенная должна расширяться!

Более ста лет назад, в 1917 году, голландский астроном Виллем де Ситтер (1872–1934) сделал такие ­оценки. Он рассмотрел модель гипотетической ситуации, когда во Вселенной нет никакого вещества — ни звезд, ни планет, ни газа, но есть та самая космологическая постоянная, обеспечивающая отталкивающую силу. Если мы поместим в такую «пустую» Вселенную два пробных тела с небольшой массой, антигравитация заставит их двигаться друг от друга. При этом двигаться они будут ускоренно, и ускорение должно быть пропорционально расстоянию между ними.

Мы впервые сталкиваемся с такой странной силой. Действие привычных сил, изучаемых в школе (например, силы гравитации и кулоновской силы), уменьшается с расстоянием, причем уменьшается быстро — пропорционально квадрату расстояния. ­Антигравитация, порожденная космологической ­постоянной, наоборот, увеличивается с расстоянием. Чем дальше друг от друга находятся тела, тем сильнее должна действовать сила отталкивания. Не может ли эта сила объяснить разлет материи после Большого взрыва, а заодно решить проблемы теории?

Нельзя забывать, что ни Эйнштейн, ни де Ситтер, вводя в свои варианты теории космологическую постоянную, не объясняли, что это такое. Никакие наблюдения не говорили о том, какая физическая сущность (если она есть) должна порождать антитяготение в нашей Вселенной. Введение в теорию слагаемого

Это было странно. Раньше мы считали, что пространство — это всего лишь вместилище вещества, состоящего из мельчайших материальных частиц, которые мы называем элементарными частицами. Если убрать все частицы, не останется ничего — будет просто пустота.

Но уже достаточно давно мы поняли, что это не совсем так. В пространстве присутствует нечто, что может воздействовать на частицы, если они туда попадут. Физики назвали это «нечто» полями (в качестве общеизвестного примера снова можно указать гравитационное и электромагнитное поля).

Все пространство Вселенной заполнено полями. Это означает, что каждая точка пространства нашего мира обладает некими свойствами — например, свойством притягивать или отталкивать пробные электрически заряженные частицы. Но из этого следует, что даже в пустом (без частиц) пространстве содержится некая энергия. Пустое пространство (пустоту) физики издавна называли словом вакуум. Получается, что вакуум — это не просто пустота. Строго говоря, «просто пустоты», как мы сейчас понимаем, не бывает. Вакуум — среда, заполненная полями, а поля содержат энергию.

Представим себе кубический сантиметр пространства. В комнате, где находится читатель, кубический сантиметр наполнен воздухом: в этом маленьком (для нас) объеме присутствуют примерно 1021 молекул газа, которые, в свою очередь, состоят из атомов и молекул азота, кислорода и некоторых других. Этот кубический сантиметр — целый мир. Если убрать оттуда все атомы, а также постоянно пролетающие сквозь него крошечные частицы малой массы — нейтрино, а также частицы темной материи, которые (скорее всего) тоже здесь присутствуют, внутри этого объема останется гравитационное поле. Это, прежде всего, поле Земли, а также поля, порожденные Солнцем, ­Луной и другими небесными телами, — вклад полей этих тел в суммарное поле будет меньше земного, поскольку они либо обладают меньшей массой, либо расположены дальше.

Не будем забывать, что гравитационное поле по Эйнштейну — это проявления искривленности пространства-времени. Если мы будем определять свойства пространства-времени в выделенном объеме, обнаружится, что оно хоть и незначительно, но все же искривлено, и величина этого искривления определяется запасом гравитационной энергии (гравитационного поля), содержащейся в этом элементе пространства.

Кроме того, оказывается, что выделенный объем заполнен электромагнитным полем. Помимо электромагнитных волн Большого взрыва, которые со скоростью света непрерывно проходят через этот кубический сантиметр пространства со всех сторон, мы зафиксируем здесь излучение от небесных тел, от люстры, от настольной лампы, от холодильника, от электронагревателя, от передающих телевизионных и радиостанций, от многочисленных мобильных телефонов и от самого читателя. Все это излучение, каждое на своей длине волны, со скоростью света со всех сторон проходит сквозь наш кубический сантиметр объема. Несет ли это излучение энергию? Безусловно, и физики давно научились ее рассчитывать. Таким образом, любой объем пространства, даже если мы уберем оттуда материю в виде вещества (элементарных частиц), будет содержать в себе материю в виде полей, а значит, тут будет присутствовать и некоторое количество энергии.

Но все ли поля мы знаем? Не может ли во Вселенной существовать еще один (а может быть, и не один) тип поля, который «отвечает» за антигравитацию?

Советский физик Алексей Александрович Старобинский, сотрудник Института теоретической физики, в 1979 году опубликовал первый вариант такой идеи. Но считается, что новая теория появилась в 1981 году, когда американский физик Алан Гут предложил модель, в которой Вселенная начала развиваться с кратковременного этапа ускоренного расширения. Гут предположил, что сначала каким-то образом появилась маленькая порция специфического вида материи, ­обладающей свойствами антигравитации. Это мог быть вакуум с очень высокой плотностью энергии (другими словами, можно говорить об особом гипотетическом типе поля, которое получило название инфлатон).

Излагать эту (и многие иные) теорию непросто. Дело в том, что теория построена на математических выкладках, которые используют известные законы фи­зики. Решения уравнений (в большинстве случаев достаточно сложных) интерпретируются физиками, откуда и появляется словесное описание сценария событий, а также численные значения различных параметров, описывающих физические модели. Надо особо подчеркнуть, что инфляционный сценарий — это не умозрительные рассуждения об устройстве мира, стоящего на слонах и черепахах. Каждый пункт теории — это жесткое следствие математических расчетов. Но, конечно, в основе этой теории лежит допущение: о существовании хотя бы крошечного пузырька, маленькой порции необычной материи — высокоэнергичного вакуума.

Когда речь идет о «маленькой порции», это означает действительно крошечный элемент пространства (точнее, пространства-времени) размером порядка