Страница:
Крупномасштабная однородность Вселенной сохраняется по мере расширения Вселенной. Отсюда следует, что расширение происходит однородно и изотропно с очень высокой степенью точности. Это означает, что скорость расширения Вселенной не только одинакова по всем направлениям, но и постоянна в различных областях. Если бы Вселенная в одном направлении расширялась быстрее, чем в других, то это привело бы к уменьшению температуры фонового теплового излучения в этом направлении и изменило бы видимую с Земли картину движения галактик. Таким образом, эволюция Вселенной не просто началась со взрыва строго определенной силы — взрыв был четко «организован», т.е. произошел одновременно, точно с одинаковой силой во всех точках и по всем направлениям.
Крайне маловероятно, чтобы подобное одновременное и согласованное извержение могло произойти чисто самопроизвольно, и это сомнение усиливается в рамках традиционной теории Большого взрыва тем, что различные области первичного космоса причинно не связаны друг с другом. Дело в том, что, согласно теории относительности, никакое физическое воздействие не может распространяться быстрее света. Следовательно, различные области пространства могут оказаться причинно связанными друг с другом лишь по прошествии определенного промежутка времени. Например, спустя 1с после взрыва свет может пройти расстояние не более одной световой секунды, что соответствует 300 тыс. км. Области Вселенной, разделенные большим расстоянием, через 1с еще не будут оказывать влияния друг на друга. Но к этому моменту наблюдаемая нами область Вселенной уже занимала пространство не менее 10^14 км в поперечнике. Следовательно, Вселенная состояла примерно из 10^27 причинно не связанных друг с другом областей, каждая из которых, тем не менее, расширялась с точно одинаковой скоростью. Даже сегодня, наблюдая тепловое космическое излучение, идущее с противоположных сторон звездного неба, мы регистрируем совершенно одинаковые «дактилоскопические» отпечатки областей Вселенной, разделенных огромными расстояниями: эти расстояния оказываются в 90с лишним раз больше расстояния, которое мог бы пройти свет с момента испускания теплового излучения.
Как объяснить столь замечательную согласованность различных областей пространства, которые, очевидно, никогда не были связаны друг с другом? Как возникло столь сходное поведение? В традиционном ответе вновь звучит ссылка на особые начальные условия. Исключительная однородность свойств первичного взрыва рассматривается просто как факт: так возникла Вселенная.
Крупномасштабная однородность Вселенной выглядит еще более загадочной, если учесть, что в малых масштабах Вселенная отнюдь не однородна. Существование отдельных галактик и галактических скоплений свидетельствует об отклонении от строгой однородности, причем это отклонение к тому же повсеместно одинаково по масштабам и величине. Поскольку гравитация стремится увеличить любое начальное скопление вещества, степень неоднородности, необходимая для образования галактик, во время Большого взрыва была значительно меньше, нежели теперь. Однако в начальной фазе Большого взрыва должна была все-таки присутствовать небольшая неоднородность, иначе галактики никогда бы не образовались. В старой теории Большого взрыва эти неоднородности на ранней стадии также приписывались «начальным условиям». Таким образом, мы должны были поверить, что развитие Вселенной началось не из совершенно идеального, а из крайне необычного состояния.
Все сказанное можно суммировать следующим образом: если единственной силой во Вселенной является гравитационное притяжение, то Большой взрыв следует трактовать как «ниспосланный богом», т.е. не имеющий причины, с заданными начальными условиями. Кроме того, для него характерна поразительная согласованность; чтобы прийти к существующей структуре, Вселенная должна была с самого начала развиваться надлежащим образом. В этом и заключается парадокс возникновения Вселенной.
Чтобы избежать этой нелепости, Ньютон прибег к весьма любопытному рассуждению. Если бы Вселенная коллапсировала под действием собственной гравитации, каждая звезда «падала» бы в направлении центра скопления звезд. Предположим, однако, что Вселенная бесконечна и звезды распределены в среднем равномерно по бесконечному пространству. В этом случае вообще отсутствовал бы общий центр, по направлению к которому могли бы падать все звезды, — ведь в бесконечной Вселенной все области идентичны. Любая звезда испытывала бы воздействие гравитационного притяжения всех своих соседей, но вследствие усреднения этих воздействий по различным направлениям не возникло бы никакой результирующей силы, стремящейся переместить данную звезду в определенное положение относительно всей совокупности звезд.
Когда спустя 200 лет после Ньютона Эйнштейн создал новую теорию гравитации, он также был озадачен проблемой, каким образом Вселенной удается избежать коллапса. Его первая работа по космологии была опубликована до того, как Хаббл открыл расширение Вселенной; поэтому Эйнштейн, подобно Ньютону, предполагал, что Вселенная статична. Однако Эйнштейн пытался решить проблему устойчивости Вселенной гораздо более прямым путем. Он считал, что для предотвращения коллапса Вселенной под действием ее собственной гравитации должна существовать иная космическая сила, которая могла бы противостоять гравитации. Эта сила должна быть скорее силой отталкивания, а не притяжения, чтобы компенсировать гравитационное притяжение. В этом смысле подобную силу можно было бы назвать « антигравитационной », хотя правильнее говорить о силе космического отталкивания. Эйнштейн в этом случае не просто произвольно придумал эту силу. Он показал, что в его уравнения гравитационного поля можно ввести дополнительный член, который приводит к появлению силы, обладающей нужными свойствами.
Несмотря на то, что представление о силе отталкивания, противодействующей силе гравитации, само по себе достаточно просто и естественно, в действительности свойства такой силы оказываются совершенно необычными. Разумеется, никакой подобной силы на Земле не замечено, и никакого намека не нее не обнаружено на протяжении нескольких веков существования планетной астрономии. Очевидно, если сила космического отталкивания и существует, то она не должна оказывать сколько-нибудь заметного действия на малых расстояниях, но ее величина значительно возрастает в астрономических масштабах. Подобное поведение противоречит всему предшествующему опыту изучения природы сил: обычно они интенсивны на малых расстояниях и ослабевают с увеличением расстояния. Так, электромагнитное и гравитационное взаимодействия непрерывно убывают по закону обратных квадратов. Тем не менее, в теории Эйнштейна естественным образом появилась сила с такими довольно необычными свойствами.
Не следует думать о введенной Эйнштейном силе космического отталкивания как о пятом взаимодействии в природе. Это просто причудливое проявление самой гравитации. Нетрудно показать, что эффекты космического отталкивания можно отнести на счет обычной гравитации, если в качестве источника гравитационного поля выбрать среду с необычными свойствами. Обычная материальная среда (например, газ) оказывает давление, тогда как обсуждаемая здесь гипотетическая среда должна обладать отрицательнымдавлением, или натяжением. Чтобы более наглядно представить, о чем идет речь, вообразим, что нам удалось наполнить таким космическим веществом сосуд. Тогда в отличие от обычного газа, гипотетическая космическая среда будет не давить на стенки сосуда, а стремиться втянуть их внутрь сосуда.
Таким образом, мы можем рассматривать космическое отталкивание как своего рода дополнение гравитации или как явление, обусловленное обычной гравитацией, присущей невидимой газообразной среде, заполняющей все пространство и обладающей отрицательным давлением. Нет никакого противоречия в том, что, с одной стороны, отрицательное давление как бы всасывает внутрь стенки сосуда, а, с другой — эта гипотетическая среда отталкивает галактики, а не притягивает их. Ведь отталкивание обусловлено гравитацией среды, а отнюдь не механическим действием. В любом случае, механические силы создаются не самим давлением, а разностью давлений, но предполагается, что гипотетическая среда заполняет все пространство. Ее нельзя ограничить стенками сосуда, и находящийся в этой среде наблюдатель вообще не воспринимал бы ее как ощутимую субстанцию. Пространство выглядело бы и воспринималось совершенно пустым.
Несмотря на столь удивительные особенности гипотетической среды, Эйнштейн в свое время заявил, что построил удовлетворительную модель Вселенной, в которой поддерживается равновесие между гравитационным притяжением и открытым им космическим отталкиванием. С помощью несложных расчетов Эйнштейн оценил величину силы космического отталкивания, необходимую, чтобы уравновесить гравитацию во Вселенной. Ему удалось подтвердить, что отталкивание должно быть столь малым в пределах Солнечной системы (и даже в масштабах Галактики), что его невозможно обнаружить экспериментально. Какое-то время казалось, что вековая загадка блестяще решена.
Однако затем ситуация изменилась к худшему. Прежде всего, возникла проблема устойчивости равновесия. Основная идея Эйнштейна основывалась на строгом балансе сил притяжения и отталкивания. Но, как и во многих других случаях строгого баланса, здесь также выявились тонкие детали. Если бы, например, статическая вселенная Эйнштейна немного расширилась, то гравитационное притяжение (ослабевающее с расстоянием) несколько уменьшилась бы, тогда как сила космического отталкивания (возрастающая с расстоянием) слегка возросла бы. Это привело бы к нарушению баланса в пользу сил отталкивания, что вызвало бы дальнейшее неограниченное расширение Вселенной под действием всепобеждающего отталкивания. Если бы, напротив, статическая вселенная Эйнштейна слегка бы сжалась, то гравитационная сила возросла, а сила космического отталкивания уменьшилась, что привело бы к нарушению баланса в пользу сил притяжения и, как следствие, ко все более быстрому сжатию, а в конечном итоге — к коллапсу, которого, как казалось Эйнштейну, он избежал. Таким образом, при малейшем отклонении строгий баланс нарушился бы, и космическая катастрофа была бы неизбежна.
Позднее, в 1927 г., Хаббл открыл явление разбегания галактик (т.е. расширение Вселенной), что лишило смысла проблему равновесия. Стало ясно, что Вселенной не угрожает сжатие и коллапс, поскольку она расширяется.Если бы Эйнштейн не был отвлечен поиском силы космического отталкивания, он наверняка пришел бы к этому выводу теоретически, предсказав таким образом расширение Вселенной на добрый десяток лет раньше, чем его удалось открыть астрономам. Такое предсказание, несомненно, вошло бы в историю науки как одно из самых выдающихся (такое предсказание и было сделано на основе уравнения Эйнштейна в 1922—1923 гг. профессором Петроградского университета А. А. Фридманом). В конце концов Эйнштейну пришлось с досадой отречься от космического отталкивания, которое он впоследствии считал «самой большой ошибкой своей жизни». Однако на этом история отнюдь не закончилась.
Эйнштейн придумал космическое отталкивание для решения несуществующей проблемы статической вселенной. Но, как это всегда бывает, джинна, выпущенного из бутылки, невозможно загнать обратно. Идея о том, что и динамика Вселенной, возможно, обусловлена противоборством сил притяжения и отталкивания, продолжала жить. И хотя астрономические наблюдения не давали никаких свидетельств существования космического отталкивания, они не могли доказать и его отсутствие — оно могло быть просто слишком слабым, чтобы проявиться.
Уравнения гравитационного поля Эйнштейна, хотя и допускают наличие силы отталкивания: не накладывают ограничений на ее величину. Наученный горьким опытом, Эйнштейн был вправе постулировать, что величина этой силы строго равна нулю, тем самым полностью исключая отталкивание. Однако это было отнюдь не обязательно. Некоторые ученые сочли необходимым сохранить отталкивание в уравнениях, хотя в этом уже не было нужды с точки зрения первоначальной задачи. Эти ученые считали, что при отсутствии надлежащих доказательств нет оснований полагать силу отталкивания равной нулю.
Не составляло особого труда проследить последствия, к которым приводит сохранение силы отталкивания в сценарии расширяющейся Вселенной. На ранних этапах развития, когда Вселенная еще находится в сжатом состоянии, отталкиванием можно пренебречь. В течение этой фазы гравитационное притяжение замедляло темп расширения — в полной аналогии с тем, как притяжение Земли замедляет движение ракеты, запущенной вертикально вверх. Если принять без объяснений, что эволюция Вселенной началась с быстрого расширения, то гравитация должна постоянно уменьшать скорость расширения до величины, наблюдаемой в настоящее время. С течением времени по мере рассеяния вещества гравитационное взаимодействие ослабевает. Напротив, космическое отталкивание возрастает, поскольку галактики продолжают удаляться друг от друга. В конечном счете, отталкивание превзойдет гравитационное притяжение и скорость расширения Вселенной вновь начнет возрастать. Отсюда можно сделать вывод, что во Вселенной доминирует космическое отталкивание, и расширение будет происходить вечно.
Астрономы показали, что такое необычное поведение Вселенной, когда расширение сначала замедляется, а затем вновь ускоряется, должно было бы отразиться в наблюдаемом движении галактик. Но при самых тщательных астрономических наблюдениях не удалось выявить каких-либо убедительных свидетельств такого поведения, хотя время от времени высказываются и противоположные утверждения.
Интересно, что идею расширяющейся Вселенной голландский астроном Вилем де Ситтер выдвинул еще в 1916 г. — за много лет до того, как Хаббл экспериментально открыл это явление. Де Ситтер утверждал, что если из Вселенной удалить обычное вещество, то гравитационное притяжение исчезнет, и в космосе будут безраздельно господствовать силы отталкивания. Это вызовет расширение Вселенной — по тем временам это была новаторская идея.
Поскольку наблюдатель не в состоянии воспринимать странную невидимую газообразную среду с отрицательным давлением, ему просто будет казаться, будто расширяется пустое пространство. Расширение можно было бы обнаружить, повесив в различные места пробные тела и наблюдая их удаление друг от друга. Представление о расширении пустого пространства рассматривалось в то время как некий курьез, хотя, как мы увидим, именно оно оказалось пророческим.
Итак, какой же вывод можно сделать из этой историй? Тот факт, что астрономы не обнаруживают космического отталкивания, еще не может служить логическим доказательством его отсутствия в природе. Вполне возможно, что оно просто слишком слабое, чтобы его удалось зарегистрировать современными приборами. Точность наблюдения всегда ограничена, и потому можно оценить только верхний предел этой силы. Против этого можно было бы возразить, что с эстетической точки зрения законы природы выглядели бы проще в отсутствие космического отталкивания. Подобные обсуждения тянулись многие годы, не приводя к определенным результатам, пока внезапно на проблему не взглянули под совершенно новым ракурсом, который придал ей неожиданную актуальность.
Эта общая картина вырисовывается из последних работ по изучению поведения материи и сил на очень ранних этапах развития Вселенной. Стало ясно, что гигантское космическое отталкивание — неизбежный результат действия Суперсилы . Итак, « антигравитация », которую Эйнштейн прогнал в дверь, вернулась через окно!
Ключ к пониманию нового открытия космического отталкивания дает природа квантового вакуума. Мы видели, как такое отталкивание может быть обусловлено необычной невидимой средой, не отличимой от пустого пространства, но обладающей отрицательным давлением. Сегодня физики считают, что именно такими свойствами обладает квантовый вакуум.
В гл.7 отмечалось, что вакуум следует рассматривать как своего рода «фермент» квантовой активности, кишащий виртуальными частицами и насыщенный сложными взаимодействиями. Очень важно понять, что в рамках квантового описания вакуум играет определяющую роль. То, что мы называем частицами — всего лишь редкие возмущения, подобные «пузырькам» на поверхности целого моря активности.
В конце 70-х годов стало очевидно, что объединение четырех взаимодействий требует полного пересмотра представлений о физической природе вакуума. Теория предполагает, что энергия вакуума проявляется отнюдь не однозначно. Попросту говоря, вакуум может быть возбужденным и находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями, подобно тому как атом может возбуждаться, переходя на уровни с более высокой энергией. Эти собственные состояния вакуума — если бы мы могли их наблюдать — выглядели бы совершенно одинаково, хотя обладают совершенно разными свойствами.
Прежде всего, заключенная в вакууме энергия в огромных количествах перетекает из одного состояния в другое. В теориях Великого объединения, например, различие между самой низкой и самой высокой энергиями вакуума невообразимо велико. Чтобы получить какое-то представление о гигантских масштабах этих величин, оценим энергию, выделенную Солнцем за весь период его существования (около 5 млрд. лет). Представим себе, что все это коллоссальное количество испущенной Солнцем энергии заключено в область пространства, по размерам меньшую Солнечной системы. Достигнутые в этом случае плотности энергии близки к плотностям энергии, соответствующим состоянию вакуума в ТВО.
Наряду с потрясающими разностями энергий различным вакуумным состояниям соответствуют столь же гигантские разности давлений. Но здесь-то и кроется «фокус»: все эти давления — отрицательные.Квантовый вакуум ведет себя точно так же, как упомянутая ранее гипотетическая среда, создающая космическое отталкивание, только на этот раз численные значения давления столь велики, что отталкивание в 10^120 раз превосходит силу, которая понадобилась Эйнштейну для поддержания равновесия в статической Вселенной.
Теперь открыт путь и для объяснения Большого взрыва. Предположим, что вначале Вселенная находилась в возбужденном состоянии вакуума, которое называют «ложным» вакуумом. В этом состоянии во Вселенной действовало космическое отталкивание такой величины, которое вызвало бы безудержное и стремительное расширение Вселенной. По существу, в этой фазе Вселенная соответствовала бы модели де Ситтера, о которой шла речь в предыдущем разделе. Разница, однако, состоит в том, что у де Ситтера Вселенная спокойно расширяется в астрономических масштабах времени, тогда как «фаза де Ситтера » в эволюции Вселенной из «ложного» квантового вакуума в действительности далеко не спокойна. Занимаемый Вселенной объем пространства должен в этом случае удваиваться каждые 10^-34 с (или промежуток времени такого же порядка).
Подобное сверхрасширение Вселенной имеет ряд характерных особенностей: все расстояния возрастают по экспоненциальному закону (с понятием экспоненты мы уже встречались в гл.4). Это означает, что каждые 10^-34 с все области Вселенной удваивают свои размеры, а затем этот процесс удвоения продолжается в геометрической прогрессии. Такой тип расширения, впервые рассмотренный в 1980г. Аланом Гутом из МТИ (Массачусетский технологический институт, США), был назван им «инфляцией». В результате чрезвычайно быстрого и непрерывно ускоряющегося расширения очень скоро оказалось бы, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве. А это и есть Большой взрыв!
Однако так или иначе, но фаза инфляции должна прекратиться. Как и во всех возбужденных квантовых системах, «ложный» вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад происходит, отталкивание исчезает. Это в свою очередь ведет к прекращению инфляции и переходу Вселенной во власть обычного гравитационного притяжения. Разумеется, Вселенная и в этом случае продолжала бы расширяться благодаря первоначальному импульсу, приобретенному в период инфляции, однако скорость расширения неуклонно снижалась бы. Таким образом, единственный след, сохранившийся до настоящего времени от космического отталкивания, — это постепенное замедление расширения Вселенной.
Согласно «инфляционному сценарию», Вселенная начала свое существование из состояния вакуума, лишенного вещества и излучения. Но, если бы даже они присутствовали изначально, их следы быстро затерялись бы вследствие огромной скорости расширения в фазе инфляции. За чрезвычайно короткий отрезок времени, соответствующий этой фазе, область пространства, которую сегодня занимает вся наблюдаемая Вселенная, выросла от миллиардной доли размера протона до нескольких сантиметров. Плотность любого существовавшего первоначально вещества фактически стала бы равной нулю.
Итак, к концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Однако, когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Этот всплеск тепла, осветивший космос, обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Когда состояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную примерно до 10^27 К , что достаточно для протекания процессов в ТВО. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории «горячего» Большого взрыва. Благодаря тепловой энергии возникло вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать, и постепенно стали «вымораживаться» все ее элементы, наблюдаемые сегодня.
Таким образом, трудную проблему — чем вызван Большой взрыв? — удалось решить с помощью теории инфляции; пустое пространство самопроизвольно взорвалось под действием отталкивания, свойственного квантовому вакууму. Однако загадка по-прежнему остается. Колоссальная энергия первичного взрыва, пошедшая на образование вещества и излучения, существующих во Вселенной, должна была откуда-то взяться! Мы не сможем объяснить существование Вселенной, пока не найдем источник первичной энергии.
Вселенная родилась в процессе гигантского выброса энергии. Следы ее мы обнаруживаем до сих пор — это фоновое тепловое излучение и космическое вещество (в частности, атомы, из которых состоят звезды и планеты), хранящее определенную энергию в виде «массы». Следы этой энергии проявляются также в разбегании галактик и в бурной активности астрономических объектов. Первичная энергия «завела пружину» рождающейся Вселенной и по сей день продолжает приводить ее в действие.
Откуда же взялась эта энергия, вдохнувшая жизнь в нашу Вселенную? Согласно теории инфляции, это — энергия пустого пространства, иначе — квантового вакуума. Однако может ли такой ответ полностью удовлетворить нас? Естественно спросить, каким образом приобрел энергию вакуум.
Вообще, задавая вопрос о том, откуда возникла энергия, мы по существу делаем важное предположение о природе этой энергии. Одним из фундаментальных законов физики является закон сохранения энергии,согласно которому различные формы энергии могут изменяться и переходить одна в другую, однако полное количество энергии остается неизменным.
Крайне маловероятно, чтобы подобное одновременное и согласованное извержение могло произойти чисто самопроизвольно, и это сомнение усиливается в рамках традиционной теории Большого взрыва тем, что различные области первичного космоса причинно не связаны друг с другом. Дело в том, что, согласно теории относительности, никакое физическое воздействие не может распространяться быстрее света. Следовательно, различные области пространства могут оказаться причинно связанными друг с другом лишь по прошествии определенного промежутка времени. Например, спустя 1с после взрыва свет может пройти расстояние не более одной световой секунды, что соответствует 300 тыс. км. Области Вселенной, разделенные большим расстоянием, через 1с еще не будут оказывать влияния друг на друга. Но к этому моменту наблюдаемая нами область Вселенной уже занимала пространство не менее 10^14 км в поперечнике. Следовательно, Вселенная состояла примерно из 10^27 причинно не связанных друг с другом областей, каждая из которых, тем не менее, расширялась с точно одинаковой скоростью. Даже сегодня, наблюдая тепловое космическое излучение, идущее с противоположных сторон звездного неба, мы регистрируем совершенно одинаковые «дактилоскопические» отпечатки областей Вселенной, разделенных огромными расстояниями: эти расстояния оказываются в 90с лишним раз больше расстояния, которое мог бы пройти свет с момента испускания теплового излучения.
Как объяснить столь замечательную согласованность различных областей пространства, которые, очевидно, никогда не были связаны друг с другом? Как возникло столь сходное поведение? В традиционном ответе вновь звучит ссылка на особые начальные условия. Исключительная однородность свойств первичного взрыва рассматривается просто как факт: так возникла Вселенная.
Крупномасштабная однородность Вселенной выглядит еще более загадочной, если учесть, что в малых масштабах Вселенная отнюдь не однородна. Существование отдельных галактик и галактических скоплений свидетельствует об отклонении от строгой однородности, причем это отклонение к тому же повсеместно одинаково по масштабам и величине. Поскольку гравитация стремится увеличить любое начальное скопление вещества, степень неоднородности, необходимая для образования галактик, во время Большого взрыва была значительно меньше, нежели теперь. Однако в начальной фазе Большого взрыва должна была все-таки присутствовать небольшая неоднородность, иначе галактики никогда бы не образовались. В старой теории Большого взрыва эти неоднородности на ранней стадии также приписывались «начальным условиям». Таким образом, мы должны были поверить, что развитие Вселенной началось не из совершенно идеального, а из крайне необычного состояния.
Все сказанное можно суммировать следующим образом: если единственной силой во Вселенной является гравитационное притяжение, то Большой взрыв следует трактовать как «ниспосланный богом», т.е. не имеющий причины, с заданными начальными условиями. Кроме того, для него характерна поразительная согласованность; чтобы прийти к существующей структуре, Вселенная должна была с самого начала развиваться надлежащим образом. В этом и заключается парадокс возникновения Вселенной.
Поиск антигравитации
Парадокс возникновения Вселенной удалось разрешить лишь в последние годы; однако основную идею решения можно проследить в далекой истории, в те времена, когда еще не существовало ни теории расширения Вселенной, ни теории Большого взрыва. Ещё Ньютон понимал, сколь сложную проблему представляет устойчивость Вселенной. Каким образом звезды сохраняют свое положение в пространстве, не имея опоры? Универсальный характер гравитационного притяжения должен был привести к стягиванию звезд в скопления вплотную друг к другу.Чтобы избежать этой нелепости, Ньютон прибег к весьма любопытному рассуждению. Если бы Вселенная коллапсировала под действием собственной гравитации, каждая звезда «падала» бы в направлении центра скопления звезд. Предположим, однако, что Вселенная бесконечна и звезды распределены в среднем равномерно по бесконечному пространству. В этом случае вообще отсутствовал бы общий центр, по направлению к которому могли бы падать все звезды, — ведь в бесконечной Вселенной все области идентичны. Любая звезда испытывала бы воздействие гравитационного притяжения всех своих соседей, но вследствие усреднения этих воздействий по различным направлениям не возникло бы никакой результирующей силы, стремящейся переместить данную звезду в определенное положение относительно всей совокупности звезд.
Когда спустя 200 лет после Ньютона Эйнштейн создал новую теорию гравитации, он также был озадачен проблемой, каким образом Вселенной удается избежать коллапса. Его первая работа по космологии была опубликована до того, как Хаббл открыл расширение Вселенной; поэтому Эйнштейн, подобно Ньютону, предполагал, что Вселенная статична. Однако Эйнштейн пытался решить проблему устойчивости Вселенной гораздо более прямым путем. Он считал, что для предотвращения коллапса Вселенной под действием ее собственной гравитации должна существовать иная космическая сила, которая могла бы противостоять гравитации. Эта сила должна быть скорее силой отталкивания, а не притяжения, чтобы компенсировать гравитационное притяжение. В этом смысле подобную силу можно было бы назвать « антигравитационной », хотя правильнее говорить о силе космического отталкивания. Эйнштейн в этом случае не просто произвольно придумал эту силу. Он показал, что в его уравнения гравитационного поля можно ввести дополнительный член, который приводит к появлению силы, обладающей нужными свойствами.
Несмотря на то, что представление о силе отталкивания, противодействующей силе гравитации, само по себе достаточно просто и естественно, в действительности свойства такой силы оказываются совершенно необычными. Разумеется, никакой подобной силы на Земле не замечено, и никакого намека не нее не обнаружено на протяжении нескольких веков существования планетной астрономии. Очевидно, если сила космического отталкивания и существует, то она не должна оказывать сколько-нибудь заметного действия на малых расстояниях, но ее величина значительно возрастает в астрономических масштабах. Подобное поведение противоречит всему предшествующему опыту изучения природы сил: обычно они интенсивны на малых расстояниях и ослабевают с увеличением расстояния. Так, электромагнитное и гравитационное взаимодействия непрерывно убывают по закону обратных квадратов. Тем не менее, в теории Эйнштейна естественным образом появилась сила с такими довольно необычными свойствами.
Не следует думать о введенной Эйнштейном силе космического отталкивания как о пятом взаимодействии в природе. Это просто причудливое проявление самой гравитации. Нетрудно показать, что эффекты космического отталкивания можно отнести на счет обычной гравитации, если в качестве источника гравитационного поля выбрать среду с необычными свойствами. Обычная материальная среда (например, газ) оказывает давление, тогда как обсуждаемая здесь гипотетическая среда должна обладать отрицательнымдавлением, или натяжением. Чтобы более наглядно представить, о чем идет речь, вообразим, что нам удалось наполнить таким космическим веществом сосуд. Тогда в отличие от обычного газа, гипотетическая космическая среда будет не давить на стенки сосуда, а стремиться втянуть их внутрь сосуда.
Таким образом, мы можем рассматривать космическое отталкивание как своего рода дополнение гравитации или как явление, обусловленное обычной гравитацией, присущей невидимой газообразной среде, заполняющей все пространство и обладающей отрицательным давлением. Нет никакого противоречия в том, что, с одной стороны, отрицательное давление как бы всасывает внутрь стенки сосуда, а, с другой — эта гипотетическая среда отталкивает галактики, а не притягивает их. Ведь отталкивание обусловлено гравитацией среды, а отнюдь не механическим действием. В любом случае, механические силы создаются не самим давлением, а разностью давлений, но предполагается, что гипотетическая среда заполняет все пространство. Ее нельзя ограничить стенками сосуда, и находящийся в этой среде наблюдатель вообще не воспринимал бы ее как ощутимую субстанцию. Пространство выглядело бы и воспринималось совершенно пустым.
Несмотря на столь удивительные особенности гипотетической среды, Эйнштейн в свое время заявил, что построил удовлетворительную модель Вселенной, в которой поддерживается равновесие между гравитационным притяжением и открытым им космическим отталкиванием. С помощью несложных расчетов Эйнштейн оценил величину силы космического отталкивания, необходимую, чтобы уравновесить гравитацию во Вселенной. Ему удалось подтвердить, что отталкивание должно быть столь малым в пределах Солнечной системы (и даже в масштабах Галактики), что его невозможно обнаружить экспериментально. Какое-то время казалось, что вековая загадка блестяще решена.
Однако затем ситуация изменилась к худшему. Прежде всего, возникла проблема устойчивости равновесия. Основная идея Эйнштейна основывалась на строгом балансе сил притяжения и отталкивания. Но, как и во многих других случаях строгого баланса, здесь также выявились тонкие детали. Если бы, например, статическая вселенная Эйнштейна немного расширилась, то гравитационное притяжение (ослабевающее с расстоянием) несколько уменьшилась бы, тогда как сила космического отталкивания (возрастающая с расстоянием) слегка возросла бы. Это привело бы к нарушению баланса в пользу сил отталкивания, что вызвало бы дальнейшее неограниченное расширение Вселенной под действием всепобеждающего отталкивания. Если бы, напротив, статическая вселенная Эйнштейна слегка бы сжалась, то гравитационная сила возросла, а сила космического отталкивания уменьшилась, что привело бы к нарушению баланса в пользу сил притяжения и, как следствие, ко все более быстрому сжатию, а в конечном итоге — к коллапсу, которого, как казалось Эйнштейну, он избежал. Таким образом, при малейшем отклонении строгий баланс нарушился бы, и космическая катастрофа была бы неизбежна.
Позднее, в 1927 г., Хаббл открыл явление разбегания галактик (т.е. расширение Вселенной), что лишило смысла проблему равновесия. Стало ясно, что Вселенной не угрожает сжатие и коллапс, поскольку она расширяется.Если бы Эйнштейн не был отвлечен поиском силы космического отталкивания, он наверняка пришел бы к этому выводу теоретически, предсказав таким образом расширение Вселенной на добрый десяток лет раньше, чем его удалось открыть астрономам. Такое предсказание, несомненно, вошло бы в историю науки как одно из самых выдающихся (такое предсказание и было сделано на основе уравнения Эйнштейна в 1922—1923 гг. профессором Петроградского университета А. А. Фридманом). В конце концов Эйнштейну пришлось с досадой отречься от космического отталкивания, которое он впоследствии считал «самой большой ошибкой своей жизни». Однако на этом история отнюдь не закончилась.
Эйнштейн придумал космическое отталкивание для решения несуществующей проблемы статической вселенной. Но, как это всегда бывает, джинна, выпущенного из бутылки, невозможно загнать обратно. Идея о том, что и динамика Вселенной, возможно, обусловлена противоборством сил притяжения и отталкивания, продолжала жить. И хотя астрономические наблюдения не давали никаких свидетельств существования космического отталкивания, они не могли доказать и его отсутствие — оно могло быть просто слишком слабым, чтобы проявиться.
Уравнения гравитационного поля Эйнштейна, хотя и допускают наличие силы отталкивания: не накладывают ограничений на ее величину. Наученный горьким опытом, Эйнштейн был вправе постулировать, что величина этой силы строго равна нулю, тем самым полностью исключая отталкивание. Однако это было отнюдь не обязательно. Некоторые ученые сочли необходимым сохранить отталкивание в уравнениях, хотя в этом уже не было нужды с точки зрения первоначальной задачи. Эти ученые считали, что при отсутствии надлежащих доказательств нет оснований полагать силу отталкивания равной нулю.
Не составляло особого труда проследить последствия, к которым приводит сохранение силы отталкивания в сценарии расширяющейся Вселенной. На ранних этапах развития, когда Вселенная еще находится в сжатом состоянии, отталкиванием можно пренебречь. В течение этой фазы гравитационное притяжение замедляло темп расширения — в полной аналогии с тем, как притяжение Земли замедляет движение ракеты, запущенной вертикально вверх. Если принять без объяснений, что эволюция Вселенной началась с быстрого расширения, то гравитация должна постоянно уменьшать скорость расширения до величины, наблюдаемой в настоящее время. С течением времени по мере рассеяния вещества гравитационное взаимодействие ослабевает. Напротив, космическое отталкивание возрастает, поскольку галактики продолжают удаляться друг от друга. В конечном счете, отталкивание превзойдет гравитационное притяжение и скорость расширения Вселенной вновь начнет возрастать. Отсюда можно сделать вывод, что во Вселенной доминирует космическое отталкивание, и расширение будет происходить вечно.
Астрономы показали, что такое необычное поведение Вселенной, когда расширение сначала замедляется, а затем вновь ускоряется, должно было бы отразиться в наблюдаемом движении галактик. Но при самых тщательных астрономических наблюдениях не удалось выявить каких-либо убедительных свидетельств такого поведения, хотя время от времени высказываются и противоположные утверждения.
Интересно, что идею расширяющейся Вселенной голландский астроном Вилем де Ситтер выдвинул еще в 1916 г. — за много лет до того, как Хаббл экспериментально открыл это явление. Де Ситтер утверждал, что если из Вселенной удалить обычное вещество, то гравитационное притяжение исчезнет, и в космосе будут безраздельно господствовать силы отталкивания. Это вызовет расширение Вселенной — по тем временам это была новаторская идея.
Поскольку наблюдатель не в состоянии воспринимать странную невидимую газообразную среду с отрицательным давлением, ему просто будет казаться, будто расширяется пустое пространство. Расширение можно было бы обнаружить, повесив в различные места пробные тела и наблюдая их удаление друг от друга. Представление о расширении пустого пространства рассматривалось в то время как некий курьез, хотя, как мы увидим, именно оно оказалось пророческим.
Итак, какой же вывод можно сделать из этой историй? Тот факт, что астрономы не обнаруживают космического отталкивания, еще не может служить логическим доказательством его отсутствия в природе. Вполне возможно, что оно просто слишком слабое, чтобы его удалось зарегистрировать современными приборами. Точность наблюдения всегда ограничена, и потому можно оценить только верхний предел этой силы. Против этого можно было бы возразить, что с эстетической точки зрения законы природы выглядели бы проще в отсутствие космического отталкивания. Подобные обсуждения тянулись многие годы, не приводя к определенным результатам, пока внезапно на проблему не взглянули под совершенно новым ракурсом, который придал ей неожиданную актуальность.
Инфляция: объяснение Большого взрыва
В предыдущих разделах мы говорили, что если сила космического отталкивания и существует, то она должна быть очень слабой, настолько слабой, чтобы не оказать сколько-нибудь значительного влияния на Большой взрыв. Однако такой вывод основывается на предположении, что величина отталкивания не изменяется со временем. Во время Эйнштейна это мнение разделяли все ученые, поскольку космическое отталкивание вводилось в теорию «рукотворно». Никому не приходило в голову, что космическое отталкивание может вызыватьсядругими физическими процессами, возникающими по мере расширения Вселенной. Если бы подобная возможность предусматривалась, то космология могла оказаться иной. В частности, не исключается сценарий эволюции Вселенной, допускающий, что в экстремальных условиях ранних стадий эволюции космическое отталкивание какое-то мгновение преобладало над гравитацией, заставив Вселенную взорваться, после чего его роль практически свелась к нулю.Эта общая картина вырисовывается из последних работ по изучению поведения материи и сил на очень ранних этапах развития Вселенной. Стало ясно, что гигантское космическое отталкивание — неизбежный результат действия Суперсилы . Итак, « антигравитация », которую Эйнштейн прогнал в дверь, вернулась через окно!
Ключ к пониманию нового открытия космического отталкивания дает природа квантового вакуума. Мы видели, как такое отталкивание может быть обусловлено необычной невидимой средой, не отличимой от пустого пространства, но обладающей отрицательным давлением. Сегодня физики считают, что именно такими свойствами обладает квантовый вакуум.
В гл.7 отмечалось, что вакуум следует рассматривать как своего рода «фермент» квантовой активности, кишащий виртуальными частицами и насыщенный сложными взаимодействиями. Очень важно понять, что в рамках квантового описания вакуум играет определяющую роль. То, что мы называем частицами — всего лишь редкие возмущения, подобные «пузырькам» на поверхности целого моря активности.
В конце 70-х годов стало очевидно, что объединение четырех взаимодействий требует полного пересмотра представлений о физической природе вакуума. Теория предполагает, что энергия вакуума проявляется отнюдь не однозначно. Попросту говоря, вакуум может быть возбужденным и находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями, подобно тому как атом может возбуждаться, переходя на уровни с более высокой энергией. Эти собственные состояния вакуума — если бы мы могли их наблюдать — выглядели бы совершенно одинаково, хотя обладают совершенно разными свойствами.
Прежде всего, заключенная в вакууме энергия в огромных количествах перетекает из одного состояния в другое. В теориях Великого объединения, например, различие между самой низкой и самой высокой энергиями вакуума невообразимо велико. Чтобы получить какое-то представление о гигантских масштабах этих величин, оценим энергию, выделенную Солнцем за весь период его существования (около 5 млрд. лет). Представим себе, что все это коллоссальное количество испущенной Солнцем энергии заключено в область пространства, по размерам меньшую Солнечной системы. Достигнутые в этом случае плотности энергии близки к плотностям энергии, соответствующим состоянию вакуума в ТВО.
Наряду с потрясающими разностями энергий различным вакуумным состояниям соответствуют столь же гигантские разности давлений. Но здесь-то и кроется «фокус»: все эти давления — отрицательные.Квантовый вакуум ведет себя точно так же, как упомянутая ранее гипотетическая среда, создающая космическое отталкивание, только на этот раз численные значения давления столь велики, что отталкивание в 10^120 раз превосходит силу, которая понадобилась Эйнштейну для поддержания равновесия в статической Вселенной.
Теперь открыт путь и для объяснения Большого взрыва. Предположим, что вначале Вселенная находилась в возбужденном состоянии вакуума, которое называют «ложным» вакуумом. В этом состоянии во Вселенной действовало космическое отталкивание такой величины, которое вызвало бы безудержное и стремительное расширение Вселенной. По существу, в этой фазе Вселенная соответствовала бы модели де Ситтера, о которой шла речь в предыдущем разделе. Разница, однако, состоит в том, что у де Ситтера Вселенная спокойно расширяется в астрономических масштабах времени, тогда как «фаза де Ситтера » в эволюции Вселенной из «ложного» квантового вакуума в действительности далеко не спокойна. Занимаемый Вселенной объем пространства должен в этом случае удваиваться каждые 10^-34 с (или промежуток времени такого же порядка).
Подобное сверхрасширение Вселенной имеет ряд характерных особенностей: все расстояния возрастают по экспоненциальному закону (с понятием экспоненты мы уже встречались в гл.4). Это означает, что каждые 10^-34 с все области Вселенной удваивают свои размеры, а затем этот процесс удвоения продолжается в геометрической прогрессии. Такой тип расширения, впервые рассмотренный в 1980г. Аланом Гутом из МТИ (Массачусетский технологический институт, США), был назван им «инфляцией». В результате чрезвычайно быстрого и непрерывно ускоряющегося расширения очень скоро оказалось бы, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве. А это и есть Большой взрыв!
Однако так или иначе, но фаза инфляции должна прекратиться. Как и во всех возбужденных квантовых системах, «ложный» вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад происходит, отталкивание исчезает. Это в свою очередь ведет к прекращению инфляции и переходу Вселенной во власть обычного гравитационного притяжения. Разумеется, Вселенная и в этом случае продолжала бы расширяться благодаря первоначальному импульсу, приобретенному в период инфляции, однако скорость расширения неуклонно снижалась бы. Таким образом, единственный след, сохранившийся до настоящего времени от космического отталкивания, — это постепенное замедление расширения Вселенной.
Согласно «инфляционному сценарию», Вселенная начала свое существование из состояния вакуума, лишенного вещества и излучения. Но, если бы даже они присутствовали изначально, их следы быстро затерялись бы вследствие огромной скорости расширения в фазе инфляции. За чрезвычайно короткий отрезок времени, соответствующий этой фазе, область пространства, которую сегодня занимает вся наблюдаемая Вселенная, выросла от миллиардной доли размера протона до нескольких сантиметров. Плотность любого существовавшего первоначально вещества фактически стала бы равной нулю.
Итак, к концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Однако, когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Этот всплеск тепла, осветивший космос, обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Когда состояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную примерно до 10^27 К , что достаточно для протекания процессов в ТВО. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории «горячего» Большого взрыва. Благодаря тепловой энергии возникло вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать, и постепенно стали «вымораживаться» все ее элементы, наблюдаемые сегодня.
Таким образом, трудную проблему — чем вызван Большой взрыв? — удалось решить с помощью теории инфляции; пустое пространство самопроизвольно взорвалось под действием отталкивания, свойственного квантовому вакууму. Однако загадка по-прежнему остается. Колоссальная энергия первичного взрыва, пошедшая на образование вещества и излучения, существующих во Вселенной, должна была откуда-то взяться! Мы не сможем объяснить существование Вселенной, пока не найдем источник первичной энергии.
Космический бутстрэп
Англ. bootstrapв буквальном смысле означает « зашнуровка », в переносном — самосогласование, отсутствие иерархии в системе элементарных частиц.Вселенная родилась в процессе гигантского выброса энергии. Следы ее мы обнаруживаем до сих пор — это фоновое тепловое излучение и космическое вещество (в частности, атомы, из которых состоят звезды и планеты), хранящее определенную энергию в виде «массы». Следы этой энергии проявляются также в разбегании галактик и в бурной активности астрономических объектов. Первичная энергия «завела пружину» рождающейся Вселенной и по сей день продолжает приводить ее в действие.
Откуда же взялась эта энергия, вдохнувшая жизнь в нашу Вселенную? Согласно теории инфляции, это — энергия пустого пространства, иначе — квантового вакуума. Однако может ли такой ответ полностью удовлетворить нас? Естественно спросить, каким образом приобрел энергию вакуум.
Вообще, задавая вопрос о том, откуда возникла энергия, мы по существу делаем важное предположение о природе этой энергии. Одним из фундаментальных законов физики является закон сохранения энергии,согласно которому различные формы энергии могут изменяться и переходить одна в другую, однако полное количество энергии остается неизменным.