Современная космология: философские горизонты - Коллектив авторов

Инфляционный процесс в расширении Вселенной происходит на самых ранних её стадиях, и поэтому вполне очевидно, что, так же, как и в случае с релятивистской космологией, инфляционная космология «зависла» в стадии эмпирической невесомости. На первых порах были совершенно не ясны «механизмы» выхода этой теории на эмпирический материал, однако открытие анизотропии и поляризации реликтового излучения сделанное сначала советскими, а затем американскими учёными, предоставило возможность косвенной эмпирической проверки инфляционной теории, по крайней мере, в подтверждении самого факта инфляционного расширения Вселенной на самых ранних этапах. В 1983–1984 годах на орбите работал специализированный советский спутник «Реликт», исследовавший реликтовое излучение, а с 1989 — американский специализированный спутник СОВЕ (Cosmic Background Explorer). Результаты обработки данных советского спутника, показывающих анизотропию реликтового излучения, были получены в конце 1991 г, а опубликованы[327] в июле 1992 г. в журнале Monthly Notices of Royal Astronomical Society, тогда как пресс-конференция по результатам работы спутника СОВЕ состоялась в апреле 1992 г. За это открытие Нобелевскую премию по физике за 2006 год получили только участники американского проекта Джон Мазер и Джордж Смут, о советском (российском) проекте, показавшем те же результаты, «мировое сообщество» даже не вспомнило. Это открытие стало возможным только с развитием и усовершенствованием наблюдательной техники, радиотехники, повышением её чувствительности в сотни тысяч раз, поскольку сама анизотропия (отклонение от среднего температурного фона реликтового излучения) составляет порядка 10-5° Кельвина. По работам двух спутников были составлены карты анизотропии излучения, которые совпали. Физическая «связь» с процессом инфляции достаточна проста — температурные отклонения от общего фона реликтового излучения являются «следами» тех квантовых флуктуаций, происходивших в первичном высокоэнергетическом физическом вакууме, которые в процессе инфляции «растянулись» вместе с раздувающимся по экспоненциальному закону пространством. Принципиальным является тот факт, что численные параметры этих «следов» совпали с теми, которые предсказывала инфляционная теория. Таким образом, стадия «эмпирической невесомости» инфляционной космологии закончилась, и она обрела эмпирическую базу. Инфляционное расширение нашей Вселенной на самых ранних этапах её эволюции стало, как считают многие космологи, эмпирическим фактом.

Несмотря на столь значительный успех инфляционной космологии, как уже говорилось выше, она сама ещё далека от завершения и находится в состоянии активной теоретической разработки. Одна из её серьёзных проблем — квантовые процессы, происходящие в высокоэнергетическом физическом вакууме, где и пространство, и время носят квантовый характер, и соответственно физические процессы происходят в масштабах, равных или меньших, чем квантовые (планковские) масштабы пространства (10-33 см) и времени (10-43 с). Необходима теория, которая описывала бы состояния, виды и формы материи в подобных масштабах и соответствующие физические процессы, приводящие к инфляционному расширению. Кроме кванто-вой теории поля, исследованием подобных состояний материи занимается и теория струн, к которой всё чаще «обращается» инфляционная космология. В результате этих «обращений» в научной литературе появился даже новый термин — «струнная космология» или «космология струн»[328]. Её задача — решать сугубо физические и даже в определённой мере «технические» проблемы, связанные, в первую очередь, с проблемой сингулярности и «механизмом» инфляции. Преимущества такого подхода заключаются в возможности использовать все специфические моменты теории струн и М-теории, в частности, многомерность пространства, а также свойства дуальности (особенно Т-дуальность). В самых общих чертах механизм инфляции может быть объяснён взаимодействием струн в многомерном пространстве, при котором три из десяти (или одиннадцати) измерений начинают экспоненциально расширяться, а другие остаются компактифицироваными на квантовом уровне. Существенную роль в компактификации одних измерений и раздувании других может играть и Т-дуальность, именно в силу своего свойства эквивалентности в описании физических процессов в масштабах r и 1/r для разных теорий струн. Принципиальное отсутствие в теории струн нулевых размеров, а также свойство Т-дуальности также может помочь в разрешении проблемы сингулярности. Взаимодействие космологии и теории струн (М-теории) носит взаимовыгодный характер. Не только теория струн «подсказывает» способы решения космологических проблем, но и космология выступает определённым эмпирическим «тестом» для теории струн. Это касается не только наблюдаемой «постинфляционной Вселенной», в том числе и различных астрофизических форм материи[329], но и полученных от наблюдений анизотропии реликтового излучения количественных «параметров» инфляции[330]. Однако все они носят характер именно ограничений, позволяющий выбирать из множества возможных теорий и подходов только некоторые. Говорить в настоящее время о том, что космология струн позволит в ближайшее время провести «решающее наблюдение», которое подтвердит или даже опровергнет какую-либо законченную теорию в её рамках, не представляется возможным. В целом в струнной космологии существуют только некоторые общие подходы и методологические наработки, фундаментальными прорывами она ещё похвастаться не может (как и в целом теория струн). Однако взаимодействие теории струн и космологии будет продолжаться, и надо надеяться, что рано или поздно, но результат будет получен.

Гораздо лучше в этом смысле обстоят дела с теми областями современной космологии, которые исследуют не далёкое прошлое, а настоящее нашей Вселенной, поскольку именно эта «часть» космологии богата эмпирическим материалом, который нуждается в теоретическом осмыслении. Речь идёт о проблеме скрытой массы и тёмной энергии.

Своими корнями эта проблема восходит ещё к первым работам Фридмана и его моделям, физическая реализация которых зависит от средней плотности материи во Вселенной (её отличия от критической плотности). Величина плотности, отнесённая к критической (относительная плотность равная Ω. = ρ/ρкрит), является одним из основных космологических параметров современной космологии.

После получения решений Фридманом и отказа космологов от Λ-члена под плотностью материи подразумевалась, прежде всего, плотность её вещественных форм. Доступные наблюдения ещё в 70-х годах XX столетия давали величину плотности, по крайней мере, в несколько раз меньше критической, что соответствовало фридмановской открытой модели. «… Значение критической плотности ρкрит ~ 10-29 / 5х10-30 г/см-3 (в настоящее время эта величина оценивается в ρкрит ~ 8x10-30 г/м-3 — Т. Я.). Достаточно надёжно установлено, что средняя плотность материи во Вселенной ρ0 не меньше, чем ρ0 = 3х10-31 г/см-3. Эта величина ρ0 определяется массой материи, входящей в галактики, и не учитывает массы межгалактического вещества… Не исключено, однако, что на самом деле плотность вещества больше — в частности, за счёт межгалактического ионизированного водорода или других труднонаблюдаемых видов материи[331]. В дальнейшем действительно такие вещественные формы материи были обнаружены и получили название «тёмного вещества» или «скрытой массы». Однако в оценку современной плотности материи во Вселенной даже не они дают основной вклад. Впервые о возвращении в космологию Λ-члена заговорили ещё в конце 60-х — начале 70-х годов XX столетия в связи с обнаружением концентрации квазаров на определённом, достаточно большом от нас расстоянии[332]. Для объяснения этого феномена и было предложено рассматривать космологиче-ские модели с Λ-членом, который в качестве физического содержания предполагает наличие «сил» отталкивания, «противодействующих» гравитационному притяжению. На протяжении почти трёх десятилетий такие модели фигурировали в теоретических работах, однако «не делали» в теоретической космологии «погоды», проблема квазаров предполагала и другие решения, а космологические модели с Λ-членом удовлетворяли не всем наблюдательным данным.

Ситуация коренным образом изменилась в 1998 г. В этом году две группы учёных, одна из Италии, другая из США, работая независимо, сообщили об одном и том же открытии — ускоренном расширении Вселенной[333]. И та, и другая группы наблюдали удалённые сверхновые, т. н. стандартные свечи. Процесс энерговыделения в них хорошо изучен, и на любом расстоянии они легко отождествляются. Расстояние до этих «свечей» (сверхновые Iа) было установлено по яркости вспышки, однако оно не совпало с расстоянием, вычисленным по эффекту Доплера. А это могло быть только в том случае, если они, принимая участие в крупномасштабном расширении Вселенной, удаляются от нас не с замедлением, как считалось ранее, а с ускорением. Отсюда как будто следовало, что во Вселенной присутствует некий феномен, «сила», которая не притягивает, как гравитация, а отталкивает друг от друга, и соответственно ускоряет космологические объекты. Эта «сила» отталкивания получила название «тёмной энергии». «Энергия» — из-за способности отталкивать и ускорять формы материи, а «тёмная» — потому, что этот феномен не проявлял себя никаким другим образом. На протяжении ближайших нескольких лет после этого наличие во Вселенной тёмной энергии было протестировано ещё несколькими способами — по анизотропии реликтового микроволнового излучения, по гравитационному линзированию, нуклеосинтезу теории горячей Вселенной, оценки постоянной Хаббла, и все они подтвердили её наличие. Стало очевидно, что плотность Вселенной имеет две компоненты: плотность вещества и плотность тёмной энергии Ω = ΩВ + ΩE. Были сделаны и численные оценки вклада плотности тёмной энергии в общую плотность. Различные оценки[334] дают величину ΩE порядка 0,7 с небольшими погрешностями, что означает, что около 70 % плотности Вселенной составляет причина ускоренного расширения Вселенной — тёмная энергия. Природа тёмной энергии к настоящему времени не ясна, и эта проблема является одной из наиболее актуальных проблем современной физики[335]. Изначально была надежда объяснить ускоренное расширение Вселенной, и соответственно 70 % вклада в её плотность физическим вакуумом с уравнением состояния p = — ω∙ε, где p — давление, ε — плотность энергии, а ω — коэффициент пропорциональности, для вакуума ω = -1. Однако результаты дальнейших исследований показали, что коэффициент ω может оказаться отличным от -1: это означает, что тёмная энергия может иметь более сложную природу, чем физический вакуум. Определение точного значения со в современную эпоху является одной из основных задач наблюдательной космологии. Факт нынешнего ускоренного расширения означает[336], что с необходимостью ω <-1/3. Этот коэффициент не является величиной постоянной, а зависит от времени (и соответственно от Н). В ранней Вселенной он был больше -1/3, и, Вселенная расширялась с замедлением. Наблюдения показывают, что преобладание тёмной энергии и, соответственно, ускоренное расширение Вселенной началось около 5–6 миллиардов лет назад[337]. В случае, если -1 < ω < -1/3, предлагается модель «квинтэссенции» — формы материи, представляющее собой частицеподобные возбуждения нового, не сводящегося к известным видам полей скалярного поля. Однако, в настоящий момент неточность определения достаточна высока, и по одной из оценок[338] со лежит в пределах -1.18 < ω < -0.93. В случае если ω < -1, то в качестве «кандидата» на тёмную энергию предлагается фантомная энергия — до сих пор неизвестная форма материи, которым может быть новый тип поля[339]. В случае, если же ω будет строго равна -1, то тёмная энергия будет отождествлена с физическим вакуумом. Кроме того, во Вселенной могут существовать и другие формы материи, описываемые другими уравнениями состояния: ω = -2/3 — доменные стенки (специфическая форма материи, отделяющая одну вселенную от другой, ω = 0 — обычное вещество, ω =1/3 — излучение и релятивистское вещество, ω >1/3 — мало обсуждаемое сверхсветовая форма энергии[340], причём значения ω могут принимать не только дискретные величины, кратные 1/3, но могут существовать «переходные» формы материи с ω, не кратной 1/3. Такое многообразие потенциальных возможностей существования различных форм материи позволяет сделать предположение о том, что значение ω, получаемое из наблюдений, может быть обусловлено многокомпонентной природой и тёмной энергии, и в целом физического «содержания» Вселенной. Впрочем, это всё не более, чем гипотезы, наравне с которыми существуют и другие, менее принятые, например, о том, что эффект тёмной энергии может быть связан со свойствами гравитации[341].