Вселенная.Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

Да, конечно, на первый взгляд мы просто играем с формулами, так что, вероятно, вам станет спокойнее, если мы скажем, что этот аффект уже пронаблюдали. В 1948 году Хэнк Казимир из Лейденского университета отметил, что если взять две металлические пластины в вакууме и держать их на небольшом расстоянии друг от дуга, они, как ни странно, начнут притягивать друг друга. А если пластины не заряжены электричество!!!, такого быть не должно. Все это обретает смысл, если мы предположим, что всю Вселенную пронизывает вакуумное поле. Поскольку электрические поля исчезают внутри металлов, вакуумное поле между пластинами окажется слабее, чем снаружи, и в результате пластины притянутся друг к другу.

«Эффект Казимира» — одно из самых ярких и прямых свидетельство, что энергия вакуума и в самом деле существует и обладает в точности теми качествами, которые мы искали в темной энергии.

Это нас радует.

А огорчает нас другое — ответ на вопрос, сколько во Вселенной темной энергии. Поскольку материя и энергия эквивалентны (как мы видели в главе 1), мы можем спросить, какова плотность темной энергии, и выясним, что ΩDE составляет около 72% от космологических измерений. Мы написали DE, так как хотим напомнить, что говорим о темной энергии — Dark Energy. Это число должно нас обрадовать, поскольку если сложить плотность обычного вещества (ΩB, около 5%), темной материи (ΩDM, около 23%) и темной энергии (ΩDE, около 72%), то окажется, что общая энергетическая плотность во Вселенной обладает критическим Ωтот в 100%. Из этого проистекает несколько пикантнейших следствий.

Так вот что нас должно огорчать! Если мы правильно понимаем эксперимент с металлическими пластинами в вакууме, значит, и лабораторные эксперименты, и большинство теорий показывают, что энергии вакуума во Вселенной должно быть примерно 10100 раз больше, чем показывают космологические измерения.

Вот что для нас, физиков, и является «проблемой».

Мы придаем столько значения ΩTOT, поскольку плотность Вселенной не только говорит нам о том, как Вселенная будет развиваться, но и показывает, какой она формы.

Вот что мы имеем в виду. И Земля, и Тентакулюс VII, как мы уже говорили, занимают во Вселенной более или менее неподвижное положение. Далеко-далеко, в миллиарде световых лет от обеих планет, расположена цивилизация гиперразумных роботов кланконов под предводительством царя-астронома ХР-4. По чудесному совпадению в один прекрасный день Хаббл, ХР-4 и доктор Калачик одновременно получают изображения других двух звездных систем и измеряют угол между ними.

Погодите! При чем тут углы? Наверное, вы заметили, что, когда смотришь в ночное небо, трехмерной картины Вселенной не получается. Две соседние звезды могут быть действительно соседками, а могут оказаться рядом по случайности, потому что одна от нас далеко, а другая близко. На земле эти загадки легко решаются при помощи нашего волшебного бинокулярного зрения (благодаря тому что у нас два глаза, мы воспринимаем глубину пространства), но когда имеешь дело с далекими галактиками» то ничего не разобрать, поэтому единственное измерение, которое мы можем сделать при помощи простого наблюдения,— это угол, под которым расположены две звезды или галактики.

Продолжим наш извращенный эксперимент: все три цивилизации передают свои данные об углах друг другу. Теперь (ну, или через миллиард с чем-то лет) каждая из них знает величину внутренних углов равностороннего треугольника в пространстве.

Если нарисовать такой треугольник на листе бумаги, то заранее ясно, что каждый угол будет равен 60 градусам. Это схема того, что произошло бы в плоском мире, а мир был бы именно плоским, если бы Ωтот составляла ровно 100%.. Хорошо жить в плоских вселенных — там вполне можно положиться на интуицию.

Однако вселенная не обязательно должна быть плоской. Помните, что сказал нам Уилер, — что материя диктует пространству, как искривляться? Если Ωтот больше, чем 100%, как это было бы, если бы во вселенной имелось гораздо больше вещества, космологи говорят, что вселенная «замкнута». На самом деле представить себе замкнутую геометрию проще простого. Она ведет себя практически как поверхность Земли. Если соединить три точки в треугольник, станет видно, что сумма его углов больше 180 градусов.

Извините за такое заумное геометрическое объяснение — просто нам хочется рассказать про наши треугольники еще одну пикантную сплетню. Возьмите галактику и поместите ее подальше от Земли в плоской вселенной, а затем (если существуют параллельные вселенные) проделайте то же самое в замкнутой вселенной. В замкнутой вселенной галактика покажется крупнее.

Пора устроить небольшой опрос. Если вселенные, в которых Ωтот больше 100%, замкнутые, как вы думаете, как называются вселенные, в которых Ωтот меньше 100% ? Если вы ответили: «Открытые», мы завтрашней же почтой вышлем вам диплом кандидата наук. Как и ожидается, открытые вселенные обладают таким качеством, что далекие объекты в них кажутся меньше, чем в плоской вселенной.

В какой же вселенной мы живем? Если верить нашим космологическим наблюдениям, то в плоской или со крайней мере в почти совсем плоской. На практике нет никакой разницы между плоской и почти плоской вселенной. Это все равно что находиться на поверхности Земли. Земля, конечно, круглая, но в повседневной жизни об этом запросто можно забыть.

Замкнутые вселенные — единственный тип вселенных, имеющий границы. Мы не хотим сказать, что можно дойти до конца такой вселенной. Просто она как сфера — если долго-долго идти по ней, то в конце концов придешь туда, откуда вышел, но ни в какую границу при этом не упрешься.

С другой стороны, плоские (и открытые) вселенные принято считать бесконечными. Объяснить, что это на самом деле значит, не так-то просто, но в этом случае края у вселенной точно нет. Кроме того, это, вероятно, означает, что вселенная именно что бесконечна — в буквальном смысле. То есть по ней можно путешествовать вечно и не побывать дважды в одном и том же месте.

А может быть, и нет.

Общая теория относительности, в сущности, описывает так называемую геометрию вселенной. Если свернуть лист бумаги в трубку, он останется листом бумаги, то есть с геометрической точки зрения он по-прежнему «плоский». Все, что мы тут наговорили о треугольниках, справедливо для листа бумаги, скатанного в шар.

Не исключено, что вселенная свернута сама на себя, примерно как лист бумаги в трубку. Это называется «топология вселенной», и у нас нет ни одной физической теории, которая говорила бы, свернута вселенная или нет и если да, то как именно.

В принципе, доктор Калачик мог бы посмотреть в ночное небо и увидеть кланконскую звезду на противоположных сторонах небосвода. В 1998 году Нил Корниш из Университета штата Монтана и его сотрудники решили посмотреть, не наблюдается ли подобный феномен в виде сигналов на микроволновом уровне — то есть на уровне отголосков Большого взрыва. Нет, таких сигналов обнаружено не было. Это не означает, что вселенная не свернута, но если она свернута, то это происходит на масштабах куда дальше горизонта.

Может показаться, будто все эти разговоры о геометрии и динамике к делу не относятся. Однако теперь мы готовы разобраться, куда же на самом деле расширяется Вселенная. Беда в том, что общая теория относительности и наши наблюдения на этот вопрос не отвечают. Помните: физика говорит нам только о том, что происходит при определенных обстоятельствах, а не о том, как на самом деле устроена Вселенная на фундаментальном уровне. А у космологии вообще свои проблемы. Мы же в принципе наблюдаем только одну Вселенную. И если ответы вам не нравятся, вероятно, вы задаете неправильные вопросы.

Так вот, к сожалению, мы не можем дать вам определенного ответа на этот вопрос. Зато можем предоставить уйму поводов для размышления.

Итак, куда расширяется Вселенная? Выбирайте.

А. Никуда.

По нашему мнению, это самый лучший ответ. Если вспомнить о том, как устроена общая теория относительности, единственное, что определяет устройство пространства,— это метрика, то есть то, насколько отстоят друг от друга две точки. В результате никакого «вне вселенной» не существует. С этой точки зрения мы и писали данную главу. Можно лететь сколько угодно и так и не добраться до края. Даже ограниченная вселенная может быть свернута сама на себя.