Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Время удвоения для Вселенной, заполненной ложным вакуумом, невероятно короткое. И чем выше энергия вакуума, тем оно короче. В случае электрослабого вакуума Вселенная расширится в гугол раз за 0,333 × 10–5 с (одна тридцатая микросекунды), а в случае вакуума Великого объединения это случится в 1026 раз быстрее.

Поскольку ложный вакуум нестабилен, он в конце концов распадается, и его энергия зажигает огненный шар из частиц. Это событие обозначает конец инфляции и начало классической космологической эволюции. Тем самым, из крошечного исходного зернышка мы получаем горячую расширяющуюся Вселенную громадных размеров.

А в качестве бонуса в инфляционном сценарии удивительным образом исчезают проблемы горизонта и плоской геометрии, характерные для классической космологии!

Во Вселенной с ложным вакуумом гравитация отталкивающая. Вместо того чтобы замедлять расширение, она очень сильно ускоряет его. А если расширение ускоряющееся, то те области, которые сейчас абсолютно не связаны, вначале могли взаимодействовать и, следовательно, могли быть равными по температуре и плотности. Проблемы горизонта просто не возникает!

Проблема плоского пространства разрешается столь же легко. Поскольку инфляция увеличивает Вселенную в колоссальное число раз, нам видна лишь крошечная ее часть. Эта наблюдаемая область выглядит плоской подобно Земле, которая тоже кажется плоской, если стоять на ее поверхности. Но это совсем не значит, что пространство всегда было плоским. Как раз наоборот!

Итак, короткий период инфляции делает Вселенную большой, горячей, однородной и плоской, создавая как раз такие начальные условия, которые требуются для классической или, как говорят ученые, стандартной космологии Большого взрыва. Правда, для того, чтобы инфляционная теория работала, нужен специальный тип ложного вакуума, и он должен распадаться особым образом. В противном случае инфляционное раздувание Вселенной никогда не могло бы закончиться. Эта проблема даже получила в кругах специалистов собственное имя: проблема изящного выхода. Но она была с успехом решена в 1982 году «универсальным солдатом» современной космологии Андреем Линде, который тогда еще работал в Москве, а не в Стэнфорде. Так инфляционная стадия заняла свое незаменимое и почетное место в летописи эволюции Вселенной.

Но и это еще не все! В стандартной модели понятия Большого взрыва и сингулярности означали, по существу, одно и то же. Теперь, с учетом инфляционной стадии, их можно терминологически строго различать. Под Большим взрывом теперь можно понимать просто саму инфляционную стадию; это действительно похоже на колоссальный взрыв: Вселенная молниеносно и очень-очень сильно увеличивается в размерах по отношению к начальному сверхплотному вакуумоподобному состоянию, затем вакуум распадается, и она становится очень горячей. Большой взрыв перестает быть таинственным, хотя не становится от этого менее удивительным и поражающим воображение событием. Что же касается космологической сингулярности — «нулевого» момента времени, когда пространство стягивается в точку, когда плотность энергии стремится к бесконечности и перестают работать законы физики этого мира, — ее тайна так и остается неразгаданной.

2520 — самое маленькое число, которое можно делить без остатка на любое число от 1 до 10.

Ни в сказке сказать…

До сих пор мы предполагали, что начальной точкой инфляции была маленькая замкнутая Вселенная в состоянии ложного вакуума. Но почему бы не начать с небольшого кусочка ложного вакуума в бесконечной Вселенной? Такое начало тоже приводит к инфляции. К инфляции, которая порождает удивительную картину Вселенной. Как говорится, ни в сказке сказать!

Ложный вакуум имеет огромное натяжение, которое вызывает его отталкивающую гравитацию. Если он заполняет все пространство, то натяжение повсюду одинаково и нет никаких физических проявлений, кроме гравитационных. Но если ложный вакуум окружен истинным вакуумом? Тогда натяжение внутри больше не уравновешивается никакой внешней силой и заставляет кусочек ложного вакуума сжиматься. Можно подумать, что натяжению противостоит отталкивающая гравитация, но на самом деле это не так.

С помощью все той же ОТО Эйнштейна можно показать, что гравитационное отталкивание является чисто «внутренним». Так что, если вы выложите на стол кусочек ложного вакуума, предметы не будут отталкиваться от него. Вместо этого они станут притягиваться. Иными словами, снаружи от ложного вакуума сила гравитации проявляется как обычное тяготение.

Общий результат зависит от размеров кусочка. Если он меньше некоторой критической величины, побеждает натяжение и кусочек съеживается, как растянутая резинка. Затем, после нескольких колебаний, он распадается на элементарные частицы. Если размер больше критического, побеждает отталкивающая гравитация, и тогда ложный вакуум начинает раздуваться. В ходе этого процесса он искривляет пространство наподобие воздушного шарика. Во Вселенной, заполненной истинным вакуумом, появляется «приросток»: быстро-быстро раздувающаяся область!

Расширяющийся шар соединен с внешним пространством узкой «кротовой норой». Снаружи она видна как черная дыра, и внешний наблюдатель никогда не сможет увидеть, что внутри этой черной дыры скрывается огромная раздувающаяся вселенная. Аналогично, наблюдатель, который находится внутри раздувающейся вселенной-пузыря, увидит только крошечную часть всего пространства и никогда не узнает, что его вселенная имеет границу, за которой имеется другая большая вселенная.

Судьба пузыря из ложного вакуума принципиально зависит от того, превышает ли его радиус критическое значение. Его, как всегда, определяет энергия вакуума: чем больше плотность энергии, тем меньше критический радиус. Для электрослабого вакуума он составляет около 1 мм, а для вакуума Великого объединения — в 10 трлн раз меньше.

А что же дальше? Когда пузырь достаточно раздуется, в нем станет возможным образование новых областей с разными типами ложных вакуумов. Некоторые из них «сожмутся», и их энергия превратится в вихрь элементарных частиц. Но в некоторых начнется процесс инфляции, и они превратятся в громадные вселенные. Однако извне пузыря никто, увы, не сможет их увидеть: они будут выглядеть как темная пасть черной дыры.

Делом управляют два конкурирующих процесса: распад ложного вакуума и его «воспроизведение» в результате расширения инфляционно раздувающихся областей. Эффективность распада можно охарактеризовать временем, в течение которого распадается половина ложного вакуума. Эффективность воспроизведения задается «временем удвоения» — периодом, за который объем расширяющегося пространства, заполненного ложным вакуумом, увеличивается в два раза. Объем ложного вакуума будет сокращаться, если период полураспада короче времени удвоения, и расти — если ситуация противоположна.

Но анализ показывает, что период полураспада много превышает время удвоения. А значит, во Вселенной в целом инфляция никогда не заканчивается и рост инфлирующих областей продолжается беспредельно! Прямо сейчас, когда вы читаете эти строки, далеко-далеко в мановение ока раздуваются миры, заполненные ложным вакуумом. Но вместе с этим постоянно формируются области, подобные нашей, где инфляция закончилась. Там начинается классическая эволюция, подобная той, которую описали Фридман и Гамов. Там из огненной кутерьмы элементарных частиц образуются ядра атомов, складывающиеся в элементы, звезды, галактики. Там вокруг звезд кружат планеты, и на некоторых из них кипит жизнь. И мысль. В этом описании нет никакой фантастики, как может показаться. Только строгая наука!

Здесь теория инфляции вносит еще одну поправку в классическую космологическую картину. Если Большой взрыв — это просто инфляционная стадия, то нам уже не надо считать его одномоментным событием в нашем прошлом. Множество больших взрывов отгремело до него в отдаленных частях Вселенной, и бессчетное число других еще произойдет повсюду в будущем. Поэтому становится довольно нелогичным обозначать нашу область как Вселенную — с прописной буквы. Множество таких классических вселенных продолжают свою эволюцию, окруженные бездной ложного вакуума. Но из-за инфляции пространство между этими локальными вселенными быстро расширяется, создавая место для рождения все новых, подобных им. И вот вся эта грандиозная бесконечная картина называется Вселенной — Вселенной с большой буквы, Вселенная в целом.

В 1997 году шведские и американские астрономы, изучая туманность Бумеранг с помощью крупного телескопа, установленного в Чили, обнаружили, что окраины этой туманности — самое холодное место во Вселенной. Температура газа составляет здесь менее 3 К, то есть ниже –270 °C. В земных лабораториях получены и более низкие температуры, но в природе большего холода не найдено. Туманность Бумеранг представляет собой облако газа и пыли, выбрасываемое умирающей звездой со скоростью более 150 км/с. Это облако охлаждается по тому же принципу, что и камера компрессионного холодильника — в результате быстрого расширения газа.