Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

Пропавшие 70%

Если вы мысленно перенесётесь в 1917 г., когда Эйнштейн ввёл космологическую постоянную, у вас будет достаточно информации, чтобы выдвинуть предположение о том, почему Вселенная ускоряется. Обычные материя и энергия вызывают обычную притягивающую гравитацию, которая замедляет расширение пространства. Но по мере того как Вселенная расширяется и разные объекты всё более отдаляются друг от друга, это космическое гравитационное притяжение, хотя и продолжает замедлять расширение, становится слабее. И это приводит нас к новому и неожиданному повороту. Если бы Вселенная имела космологическую постоянную — и если бы её значение имело точно нужную, маленькую величину, — то на протяжении примерно 7 млрд лет с Большого взрыва её гравитационное отталкивание перекрывалось бы гравитационным притяжением обычной материи, приводя к общему замедлению расширения, в соответствии с результатами наблюдений. Но затем, когда обычная материя рассеялась в пространстве и её гравитационное притяжение ослабло, отталкивающее воздействие космологической постоянной (величина которого не изменяется, по мере того как материя рассеивается) должно было постепенно взять верх, и эра замедленного расширения пространства должна была смениться эрой ускоренного расширения.

В конце 1990-х гг. такие рассуждения и углублённый анализ экспериментальных данных привели обе группы, Перлмуттера и Шмидта, к мысли, что Эйнштейн не ошибся восемьдесят лет назад, когда ввёл космологическую постоянную в уравнения гравитации. Вселенная, как предположили обе группы, на самом деле имеет космологическую постоянную.{146} Она имеет не ту величину, которую предлагал Эйнштейн, поскольку он искал возможность существования статической Вселенной, где гравитационное притяжение и отталкивание точно уравновешивались бы, но эти исследователи обнаружили, что уже миллиарды лет отталкивание доминирует. Но несмотря на эти детали и на то, что открытие групп Перлмуттера и Шмидта должно тщательно изучаться и должны быть доведены до конца необходимые исследования, нельзя не удивляться предвидению Эйнштейна, которое подтверждается спустя 80 лет.

Скорость убегания сверхновых зависит от разницы между гравитационным притяжением обычной материи и гравитационным отталкиванием «тёмной энергии», которую даёт космологическая постоянная. Допуская, что количество материи, как видимой, так и тёмной, составляет около 30% от критической плотности, исследователи сверхновых пришли к заключению, что ускоренное расширение, которое они наблюдали, требует отталкивающего эффекта космологической постоянной, тёмная энергия которой составляет около 70% от критической плотности.

Это поразительное число. Если оно верно, тогда не только обычная материя — протоны, нейтроны, электроны — составляют жалкие 5% от материи/энергии Вселенной, и не только некоторая, на сегодня неидентифицированная тёмная материя составляет по меньшей мере в пять раз большее количество, но также бо́льшую часть материи/энергии во Вселенной составляет совершенно отличающаяся и ещё более таинственная тёмная энергия, которая распределена по всему пространству. Если эти идеи верны, они самым невероятным образом углубляют революционный переворот в мировоззрении человечества, произведённый Коперником: мы не только не являемся центром Вселенной, но даже материя, из которой мы состоим, подобна обломкам, плавающим в космическом океане. Если бы протоны, нейтроны и электроны не были включены в замысел великого творения, полная материя/энергия Вселенной почти не уменьшилась бы.

Но имеется вторая, равно важная причина, почему 70% является удивительным числом. Космологическая постоянная, которая даёт 70% в критической плотности, будет вместе с 30%, приходящимися на обычную материю и тёмную материю, давать полную материю/энергию Вселенной, точно равную всем 100%, предсказываемым инфляционной космологией! Так что отталкивание, продемонстрированное результатами изучения сверхновых, может быть объяснено в точности тем количеством тёмной энергии, которое необходимо для объяснения невидимых 70% Вселенной, о которых чесали затылки инфляционные космологи. Измерения сверхновых и инфляционная космология изумительно дополняют друг друга. Они друг друга подтверждают. Каждое даёт подтверждающее второе независимое мнение для другого.{147}

Объединяя наблюдательные результаты по сверхновым с теоретическими представлениями инфляции, мы, таким образом, получаем набросок космической эволюции, который представлен на рис. 10.6. Сначала энергия Вселенной была заключена в поле инфлатона, которое находилось вне своего состояния минимальной энергии. Вследствие своего отрицательного давления поле инфлатона вызвало гигантский взрыв инфляционного расширения. Затем, примерно через 10−35 с, когда поле инфлатона соскользнуло на дно своей чаши потенциальной энергии, взрыв расширения подошёл к концу и инфлатон высвободил свою энергию, отдав её на производство обычной материи и излучения. Много миллиардов лет эти привычные составляющие Вселенной создавали обычное притягивающее гравитационное действие, которое замедляло расширение пространства. Но когда Вселенная выросла и стала более разреженной, гравитационное притяжение уменьшилось. Около 7 млрд лет назад обычное гравитационное притяжение стало настолько слабым, что гравитационное отталкивание космологической постоянной стало доминировать, и с тех пор темп расширения пространства постоянно растёт.

Рис. 10.6. Шкала времени космической эволюции: (а) Инфляционный взрыв. (б) Эволюция по стандартной модели Большого взрыва. (в) Эра ускоренного расширения

Примерно через 100 млрд лет от сегодняшнего дня все галактики, за исключением самых близких, будут раскиданы в разные стороны раздувающимся пространством со скоростями больше световой, так что мы не сможем их увидеть независимо от мощности используемых телескопов. Если эти идеи верны, то в далёком будущем Вселенная будет безбрежным, пустым и уединённым местом.

Загадки и прогресс

Кажется, что эти открытия разложили кусочки космического паззла по местам. Вопросы, оставленные без ответа стандартной теорией Большого взрыва, — Что заставило расширяться пространство? Почему температура микроволнового фонового излучения так однородна? Почему пространство кажется имеющим плоскую форму? — были решены инфляционной теорией. Несмотря на это, остаются нерешённые вопросы относительно фундаментальных первооснов. Была ли некоторая эра перед инфляционным взрывом, и, если была, на что она была похожа? Откуда взялось поле инфлатона, смещённое относительно его конфигурации с наименьшей энергией, которое инициировало инфляционное расширение? И самый новый из всех вопросов: почему Вселенная составлена из такой мешанины ингредиентов — 5% представлены привычной материей, 25% — тёмной материей, 70% — тёмной энергией? Несмотря на безмерно радующий факт, что эта космическая рецептура согласуется с инфляционными предсказаниями, согласно которым плотность Вселенной должна составлять 100% от критической плотности, и хотя это одновременно объясняет ускоренное расширение, найденное при исследовании сверхновых, многим физикам этот винегрет кажется явно непривлекательным. Почему, спрашивают многие, состав Вселенной оказался таким сложным? Почему имеется целая горсть мало похожих друг на друга ингредиентов, смешанных в такой, кажущейся случайной, пропорции? Есть ли в основании этого какой-то осмысленный план, который теоретические исследования ещё должны обнаружить?

Никто пока не предложил убедительных ответов на эти вопросы; они находятся среди неотложных научных проблем, направляя текущие космологические исследования, и они призваны напоминать нам о многих запутанных узлах, которые мы ещё должны распутать, прежде чем мы сможем сказать, что имеем полное понимание рождения Вселенной. Но несмотря на всё ещё остающиеся существенные проблемы инфляция является исключительно продвинутой перспективной космологической теорией. Несомненно, доверие физиков к инфляции основывается на достижениях, которые мы до сих пор обсуждали. Но уверенность в инфляционной космологии имеет ещё более глубокие корни. Как мы увидим в следующей главе, целый ряд других аргументов — связанных как с наблюдениями, так и с теоретическими открытиями, — убедили многих физиков, которые работают в этой области, что идея инфляции является самым важным и самым прочным вкладом нашего поколения в космологическую науку.

Глава 11. Кванты на небе в алмазах

Инфляция, квантовая дрожь и стрела времени