Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее - Александр Потупа

Замкнутая Вселенная похожа на поверхность расширяющегося воздушного шарика, но, разумеется, это лишь двухмерная аналогия. Со временем такая Вселенная должна достичь максимального размера, после чего она будет сжиматься. Для наблюдателя это выглядело бы как постепенное исчезновение красных смещений в спектрах галактик. В какой-то момент они сменились бы постепенно усиливающимися фиолетовыми смещениями.

Температура Вселенной начинает возрастать, что неизбежно ведет к распаду структур — от живых организмов до галактик. Разогревшееся реликтовое излучение вступит во взаимодействие с веществом, обдирая электронные оболочки атомов, распадутся атомные ядра, снова образуется горячая смесь из электронов, фотонов, нейтрино и протонов, появится заметное количество античастиц, потом фотон-лептон-кварковый бульон, и, наконец, за миллионную долю секунды Вселенная уйдет в Сингулярность[107].

Другой вариант — безграничное расширение Вселенной, когда она будет все более и более остывать, стремясь превратиться в холодное море фотонов и нейтрино с небольшой примесью других частиц. Видимо, сколь-нибудь сложная организация материи должна исчезнуть, и единственной отрадой в этой картине является то, что переход в состояние полного вымораживания будет длиться довольно долго: по разным оценкам от 1030 до 1070 лет.

Выбор между двумя вариантами будущего сводится к оценке современной плотности вещества, вернее, соотношения этой величины с так называемой критической плотностью (½ кр = 3H2/8πG B 4,7.10-30 г/см3 (при Н = 50 км/сМпс =1,62.10–18 с-1)[108]. Если ½ > ½кр, то имеет место первый вариант, и расширение неизбежно сменится сжатием. Если ½ меньше ½кр, расширение будет неограниченным.

Для пояснения разницы можно использовать аналогию со снарядом, запущенным с Земли. Если начальная скорость не очень велика (не достигает второй космической скорости), то кинетической энергии снаряда не хватит на преодоление тяготения, и он упадет назад или превратится в искусственный спутник. Наоборот, при достаточно большой скорости он будет (без учета влияния других тел Солнечной системы) неограниченно удаляться от Земли. При использовании этой аналогии важно только помнить, что разбегание галактик связано с расширением самого пространства, тогда как «разбегание снаряда и Земли» рассматривается в обычном Ньютоновом пространстве…

Сделать окончательный выбор между двумя вариантами горячего или холодного будущего очень трудно — точность измерения Н и, следовательно, ½кр невелика. Но еще сложней оценить наблюдаемую плотность. Совсем еще недавно данные сводились к (совр. ~ (2?5).10–31 г/см3, то есть Вселенная скорее соответствовала открытой модели. Однако эта плотность оценивалась преимущественно по запасам звездного вещества в галактиках. Считалось, что реликтовый фон фотонов и нейтрино дает вклад в плотность массы на 3 порядка меньше, и этим вкладом фактически можно пренебречь.

С открытием массы нейтрино ситуация может резко измениться. Если число нейтрино, приходящихся на один протон, сохранится на уровне одного миллиарда, то окажется, что в современную эпоху именно нейтрино дают основной вклад в массу Вселенной, и наблюдаемая плотность подскочит до критической черты[109]. С другой стороны, немалая доля массы должна быть сосредоточена в темных объектах — выгоревших звездах. Особые надежды возлагаются на черные дыры, которыми могли завершить свой путь многие звезды первого поколения. Систематическое обнаружение такого рода объектов опять-таки позволило бы поднять оценку наблюдаемой плотности. Но, как мы видели в главе 6, независимо от природы скрытой от наблюдения массы, ее уже обнаружили, и ее плотность, скорее всего, в десятки раз превышает ½совр.

Вообще, наметившаяся тенденция такова, что экспериментальное значение «константы Хаббла» (а значит, и критической плотности) систематически снижалось — в 10 раз за 50 лет! — а оценка средней плотности росла за счет обнаружения новых объектов или новых свойств. Поэтому сейчас закрытая модель с горячим финалом Вселенной представляется наиболее вероятным итогом исследований.

Обобщением закрытой модели является так называемая пульсирующая (или осциллирующая) Вселенная, где циклы расширения и сжатия бесконечно повторяются. Вселенная каждый раз возрождается из Сингулярности и, прожив несколько десятков миллиардов лет, гибнет в ней: что-то вроде буддийских эр, не так ли?

На самом деле выбор между одним или несколькими циклами существования Вселенной может иметь экспериментальный смысл лишь в том случае, если Сингулярность — нечто более сложное, чем в стандартной модели. Иными словами, она должна хоть что-нибудь пропускать из одной эры в другую, скажем, определенный тип элементарных частиц. Было бы очень приятно обнаружить в современном мире следы иных циклов и убедиться, что хоть какие-то объекты способны пережить Большой Взрыв. К сожалению, пока на это нет никаких указаний…

Однако изучение и очень раннего прошлого и финиша в закрытой модели показывает, что именно в Сингулярности кроются наиболее принципиальные проблемы современной космологии.

Сингулярность — классические проблемы

В сущности, Сингулярность, и с физической и с философской точки зрения, объект неудовлетворительный. Мир с бесконечной плотностью материи, стиснутый в одну единственную точку, — сугубо математическая абстракция. Скорее всего, Сингулярность отражает наше незнание истинных законов эволюции в моменты, близкие к Первовзрыву.

Глубокие теоретические исследования последних десятилетий показали, что Сингулярность в рамках эйнштейновской теории тяготения неизбежна — она содержится в общих решениях уравнений классической теории гравитации, а не является следствием каких-либо чрезмерных ее упрощений.

Одно время была надежда, что сингулярное состояние возникает просто из-за неаккуратного описания вещества. Ведь гипотеза о том, что в очень ранние моменты оно представляет собой идеальный релятивистский газ, отнюдь не самоочевидна. Оказалось, что учет так называемой объемной вязкости[110] действительно позволяет убрать Сингулярность. Можно даже представить дело так, что вся эволюция Вселенной выглядит как переход между двумя состояниями с постоянными и вполне конечными плотностями материи в начале и в конце.

Такая точка зрения легко бы вытеснила представления о Сингулярности, если бы за ее торжество не приходилось платить непомерную цену. Дело в том, что само предположение о выдающейся роли объемной вязкости в начальной фазе сверхгорячего вещества очень трудно оправдать данными о вязких средах. То, что вязкость может выйти на первый план в поздние космологические эпохи и даже определить будущее Вселенной, гораздо правдоподобней. Не слишком сильным, но приятным утешением для программы вязких моделей служит вытекающее из них предсказание, что благодаря почти незаметной в начале вязкости открытая Вселенная должна в далеком будущем перейти в стационарный режим с постоянной и, возможно, не слишком малой плотностью вещества.

Однако главным тормозом на пути такого рода борьбы с Сингулярностью оказались так называемые анизотропные модели.

Изотропия (равноправие всех трех направлений в пространстве) принята в стандартной фридмановской картине просто на основе того факта, что наблюдаемые на больших расстояниях галактики распределены равномерно по всем направлениям. Изотропно, согласно современным данным, и реликтовое излучение. Значит, можно предположить, что, по крайней мере, с момента отрыва излучения выделенных направлений не было. Но сохранялось ли такое положение вплоть до Сингулярности — вот в чем вопрос!

А вдруг непосредственно после Первовзрыва Вселенная была резко анизотропной, и за какие-то доли первой секунды следы неэквивалентности направлений затерялись? Уравнения Эйнштейна или какие-то общие соображения такую возможность вовсе не исключают. Ясно, что она не самая простая, но простота — не тот аргумент, когда речь идет о весьма серьезном обобщении.

Отнюдь не обязательно, чтобы пространство вышло из точки сразу в привычной 3-мерной форме, одно или два независимых направления в нем сначала могли быть заметно подавлены. Это порождает очень интересные и глубокие исследования ранней Вселенной, даже независимо от несколько фантастической гипотезы эволюции размерности физического пространства.

Анизотропия начисто забивает сколь угодно сильную вязкость в пределе t (0, и Сингулярность восстанавливается. Именно с помощью анизотропных моделей удалось выяснить характер общих решений эйнштейновских уравнений в самые ранние моменты и показать, что особая точка из них не устраняется. Это в какой-то степени возвращает проблему Сингулярности к исходным позициям, однако с очень важным дополнением, судя по всему, решить ее в рамках классической теории гравитации вообще нельзя.