Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Что этому может помешать? Прежде всего, есть вероятность, что теория инфляции неверна. Идея инфляции очень убедительна и подтверждается наблюдениями, но, конечно, далеко не в той мере, как, например, теория относительности Эйнштейна.

Далее, можно допустить, что даже если наша Вселенная является продуктом инфляции, сама инфляция не вечна. Это сразу же потребует довольно серьезных натяжек в теории. Чтобы избежать вечной инфляции, «энергетический ландшафт» соответствующего ложного вакуума должен быть специальным образом подогнан под наши требования.

Большая цена! Теория инфляции — это самое лучшее из имеющихся у нас объяснений Большого взрыва. Если мы не станем ее калечить, добавляя совершенно произвольные свойства, у нас не будет иного выбора, кроме как признать инфляцию вечной, со всеми вытекающими из этого последствиями, нравятся они нам или нет.

Ладно. Но не является ли банальностью, что в бесконечной Вселенной должно случиться абсолютно все? Нет, не является! Бесконечность пространства сама по себе не гарантирует, что реализуются все возможности. Например, по всему пространству могла бы бесконечно повторяться одна и та же галактика.

Существование наших копий в нашей вселенной, таким образом, не самоочевидно, а опирается на предположение о пространственной бесконечности и о квантовой обязательности осуществления всех мало-мальски возможных событий во Вселенной. Важно, что в случае бесконечной инфляции эти свойства не нужно вводить как дополнительные предположения. Из самой теории вытекает, что локальные вселенные бесконечны и что начальные условия в момент Большого взрыва задаются случайными квантовыми процессами во время инфляции. Существование клонов, таким образом, является неизбежным следствием физической теории.

Для оценки межзвездных расстояний применяют две единицы измерения: световой год и парсек. Световой год равен расстоянию, которое проходит свет за год, то есть приблизительно 9460 млрд км. Парсек определяется как такое расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в одну секунду дуги. Это очень маленький угол: под таким углом монета в одну копейку видна с расстояния в 3 км. Один парсек (пк) составляет около 3,26 светового года, то есть приблизительно 30 трлн км.

Пустота имеет вес

Теория инфляции объясняет, как видимая область нашей вселенной может получиться плоской (то есть пространство должно иметь всем нам хорошо знакомую из средней школы эвклидову геометрию). Если вы летите над Землей на очень большой высоте, вы видите, что Земля — шар. Но когда вы стоите на поверхности Земли, она представляется вам плоской, насколько глаз хватает, вплоть до горизонта, ведь Земля очень большая, и ее шарообразности с высоты человеческого роста не заметишь.

Теоретически «эвклидовость» пространства равнозначна тому, что плотность массы или энергии во вселенной с очень высокой точностью равняется некоторому критическому значению.

Из чего же складывается этот необходимый критический уровень энергии? Обычное вещество дает только несколько процентов! Есть, конечно, так называемая «темная материя». Название довольно зловещее, но оно никак не связано с «темными силами», «нечистым» и тому подобным «злом». Просто эту материю нельзя наблюдать непосредственно — она проявляется в гравитационном воздействии на наблюдаемые объекты: звездные скопления, галактики и т. д. Согласно современным данным, «темной материи» во вселенной примерно в 10 раз больше, чем обычного вещества. Однако если сложить плотность массы или энергии того и другого, получится всего лишь порядка 30 % нашего критического значения. 70 % не хватает!

В 1998 году две независимые исследовательские группы, измерявшие яркость взрывов сверхновых в далеких галактиках и с помощью этих данных уточнявшие темп космологического расширения, объявили о поразительном открытии. Оказалось, что вместо замедления под действием гравитации (звезды и галактики ведь притягиваются друг к другу!) скорость расширения в действительности возрастает. Это открытие говорило о том, что Вселенная заполнена некой гравитационно отталкивающей субстанцией. Проще всего было предположить, что истинный вакуум, в котором мы обитаем, имеет ненулевую плотность массы. (Как нам сообщил Эйнштейн, вакуум является гравитационно отталкивающим, и если плотность превышает половину плотности массы вещества, суммарным результатом будет отталкивание.)

Плотность массы истинного вакуума — это то, что Эйнштейн называл космологической постоянной, идея, которую он сам (мы помним) признал величайшей ошибкой своей жизни. Подчеркнем, речь идет об истинном, именно об истинном вакууме. Физика высокоэнергетичного ложного вакуума — дело сейчас довольно понятное, но совсем другое. А то, что абсолютная пустота обладает ненулевой энергией, было полным удивлением для научного сообщества. Но не для теории инфляции. Для инфляционной теории это был настоящий триумф! Ведь, согласно данным наблюдений, плотность массы пустого пространства оказалась в точности такой, какая необходима, чтобы оправдать недостающие 70 % критической плотности и тем самым объяснить предсказанную плоскую геометрию видимой области нашей вселенной. Конечно, вряд ли это могло быть простым совпадением.

Однако проблема была гораздо более серьезной. Дело в том, что вся теоретическая физика элементарных частиц базировалась на том условии, что энергия пустоты скомпенсирована некоторыми противоположными влияниями, так что в сумме строго должна равняться нулю. Из теории следовало, что на микроскопическом уровне флуктуации (то есть случайные всплески энергии) квантовых полей дают мощный вклад в энергию вакуума, но таким образом, что в сумме точно уравновешивают друг друга. Данные о ненулевом значении космологической постоянной рушили все здание физики элементарных частиц (а оно было очень недурно построено)! Более десяти лет напряженных поисков выхода ни к чему не привели. То обстоятельство, что эти же данные являются подтверждением какого-то там инфляционного сценария в космологии, никак не могло служить компенсацией. Дело доходило до того, что физики (причем физики «первого дивизиона») просто отказывались верить им и даже заключали пари с коллегами о том, что энергия вакуума — сплошное недоразумение и это очень скоро выяснится. Но время шло, пари проигрывались, и все мало-помалу понимали, что «ошибка» Эйнштейна превратилась в проблему. Ее назвали «проблема космологической постоянной». Однако мало кто ожидал, что космологическая постоянная очень скоро станет триумфом Эйнштейна!

Космическое радиоизлучение было открыто в декабре 1931 года американским физиком Карлом Янским, который изучал природу шумов, мешающих радиосвязи, а также причины помех в дальних телефонных линиях. С помощью 30-метровой антенны он неожиданно обнаружил радиоизлучение на волне 14,7 м, исходящее из обширной области в центре Млечного Пути. Астроном-любитель и радиолюбитель Грот Ребер, узнав о работах Янского, сконструировал параболическую антенну диаметром 9 м и открыл источники радиоизлучения в созвездиях Стрельца, Лебедя, Кассиопеи, Малого Пса, Кормы и Персея. Он же установил, что Солнце также является источником радиоволн. Так родилась радиоастрономия, позволившая открыть радиогалактики, пульсары, межзвездный газ и реликтовое излучение.

Из данных новых наблюдений выходило, что энергия вакуума, в котором мы живем, или космологическая постоянная не просто не равняется в точности нулю, но что она сравнима с плотностью вещества во Вселенной. А это выглядело очень странным! Всякому даже без физики понятно, что пустота — это одно, а материя — это совсем другое. И действительно, в процессе расширения Вселенной плотность энергии вакуума не должна изменяться, тогда как плотность вещества, конечно, падает (объем-то Вселенной растет). Причем диапазон изменения плотности материи оказывается ну очень большим. Приблизительные оценки говорят, что если сегодня две обсуждаемые плотности примерно равны, то через секунду после Большого взрыва плотность материи была в 1045 раз выше! С другой стороны, через триллион лет она будет в 1050 раз меньше. Сорок пять или пятьдесят нулей после десятки… Одна из величин постоянна, другая изменяется в таких «сумасшедших» пределах. Но мы наблюдаем Вселенную как раз в тот самый момент, когда эти величины одинаковы. Можно просто «не заметить» этого обстоятельства. Но для настоящего ученого это «точка остановки». Здесь нужно остановиться и думать, ибо таких совпадений не бывает! Здесь, скорее всего, зашифровано нечто важное и глубокое.

Фундаментальные постоянные, или Слава тебе, Господи!

Есть переменные величины, есть постоянные. Но существует особый класс величин, которые называют фундаментальными постоянными. Почему наука их выделяет? Потому что эти несколько чисел определяют, так сказать, «общую схему» всех возможных в природе явлений. К числу этих постоянных относятся массы некоторых элементарных частиц и параметры, характеризующие четыре фундаментальных взаимодействия — сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Соотношение масс протона и электрона равно 1/1836 — ни больше, ни меньше. Нейтрон тяжелее протона на 0,14 %. Если мы возьмем два протона, то их взаимная гравитация будет в 1040 раз слабее их электрического отталкивания.