Какое будущее ждет Вселенную? Будущее вселенной

Наука выделяет четыре основных пути, на которых может встретить свою судьбу. Это Большое Замерзание, Большой Хруст, Большое Изменение и Большой Разрыв. Если вам эти названия ничего не говорят, сейчас все поймете. Вас не должен удивить факт того, что наша планета обречена. Пройдет немного времени, всего 6 миллиардов лет, и , скорее всего, испарится, когда расширится до и поглотит нашу .

Но Земля - это просто планета в , Солнце - одна из сотен миллиардов в , и в наблюдаемой Вселенной скрываются сотни миллиардов галактик. Что уготовлено для них для всех? Как закончит свои дни Вселенная?

Наука может только догадываться о том, как это произойдет. Мы даже не уверены, как именно Вселенная погибнет, определенным образом или просто медленно сойдет на нет. Наше лучшее понимание физики приводит нас к нескольким вариантам глобального апокалипсиса. Также оно дает нам несколько советов о том, как это в принципе можно было бы пережить.

Первый намек на возможный конец Вселенной приходит к нам из термодинамики, науке о тепле. Термодинамика - это такой проповедник физики с дикими глазами, который держит картонный транспарант с простым предупреждением: «Тепловая смерть грядет».

Несмотря на свое название, тепловая смерть Вселенной не представляется огненным адом. Напротив, это смерть всех уровней тепла. Звучит не очень страшно, но тепловая смерть - это хуже, чем запечься до корочки. Это потому, что почти все в повседневной жизни требует определенных разниц температур, прямо или косвенно.

К примеру, ваш автомобиль работает, потому что внутри двигателя он теплее, чем снаружи. Компьютер работает на электричестве от местной электростанции, которая, вероятно, работает путем нагрева воды и отвода тепла к турбине. Вы питаетесь едой, которая своим существованием обязана гигантской разнице температур между Солнцем и остальной частью Вселенной.

Когда Вселенная достигнет тепловой смерти, везде будет одна температура. Это означает, что ничего интересного больше никогда не произойдет. Все звезды умрут, вся материя распадется, все превратится в редкий бульон из частиц и излучения. Даже энергия этого бульона будет уменьшаться с течением времени в результате расширения Вселенной, оставляя все с температурой едва ли выше абсолютного нуля.

В этом процессе Большого Замерзания Вселенная станет равномерно холодной, мертвой и пустой.

После разработки теории термодинамики в начале 1800-х годов, тепловая смерть выглядит как единственным возможным путем конца Вселенной. Но через 100 лет общая теория относительности Эйнштейна провозгласила, что у Вселенной может быть куда более интересная судьба.

Общая теория относительности говорит, что материя и энергия искривляют пространство и время. Это отношение между пространством-временем и материей-энергии - между сценой и актерами на ней - распространяется на всю Вселенную. Все, что есть во Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяет конечную судьбу самой Вселенной.

Теория предсказывает, что Вселенная в целом должна либо расширяться, либо сжиматься. Она не может оставаться в прежнем размере. Эйнштейн понял это в 1917 году и так не хотел это признавать, что отказался от собственной теории.

Тогда в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил неопровержимые доказательства того, что Вселенная расширяется. Эйнштейн изменил свое мнение, назвав свою предыдущую настойчивость относительно статической Вселенной «величайшей ошибкой» своей карьеры.

Если Вселенная расширяется, когда-то она должна была быть меньше, чем сейчас. Понимание этого привело к появлению теории Большого Взрыва: идеи о том, что Вселенная началась с невероятно малой точки и быстро расширилась. Мы можем увидеть это по «послесвечению» Большого Взрыва - в качестве космического микроволнового фона - постоянного потока радиоволн, идущих со всех направлений в небе.

Получается, судьба Вселенной зависит от очень простого вопроса: будет ли Вселенная расширяться дальше и как быстро?

Для Вселенной, содержащей обычную «начинку» - материю и свет, - ответ на вопрос зависит от количества этой начинки. Больше начинки - значит, больше гравитации, которая стягивает все назад и замедляет расширение. Пока количество начинки не превосходит критический порог, Вселенная будет расширяться вечно и в конечном итоге умрет тепловой смертью.

Но если начинки будет слишком много, расширение Вселенной замедлится и остановится. Тогда Вселенная начнет сжиматься. Сокращающаяся Вселенная будет становиться все меньше и меньше, плотнее и горячее, пока все не закончится в красочном компактном аду, противоположном Большому Взрыву и известном как Большое Сжатие.

На протяжении большей части 20 века астрофизики не были уверены, какой из этих сценариев возымеет действие. Большое Замерзание или Большое Сжатие? Лед или огонь? Они пытались провести космическую перепись, подсчитав количество начинки в нашей Вселенной. Оказалось, что мы до странного близко находимся к критическому порогу, и наша судьба остается под вопросом.

В конце 20 века все изменилось. В 1998 году две соперничающих группы астрофизиков сделали невероятное заявление: расширение вселенной ускоряется.

Обычная материя и энергия не могли бы повлиять на Вселенную таким образом. Это стало первым свидетельством существования нового фундаментального вида энергии, « », поведение которой совершенно загадочно для нас.

Темная энергия расталкивает Вселенную в стороны. Мы пока не понимаем, что это такое, но порядка 70% энергии Вселенной приходится на темную энергию, и это число растет день ото дня. Существование темной энергии означает, что количество начинки во Вселенной не определяет ее конечную судьбу. Космосом управляет темная энергия, она ускоряет расширение Вселенной. Следовательно, сценарий Большого Сжатия маловероятен.

Но это не означает, что и Большое Замерзание неизбежно. Есть и другие возможные исходы.

Один из них произошел не в процессе изучения космоса, а из мира субатомных частиц. Это, пожалуй, наиболее странная из возможных судеб Вселенной: что-то фантастическое и при этом вероятное.

В классическом научно-фантастическом романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки», «лед-девять» представляет собой новую форму водяного льда с интересными свойствами: он образуется при температуре 46 градусов, а не 0. Если кристалл льда-девять уронить в стакан с водой, вода вокруг кристалла примет его форму, так как его энергия ниже, чем у жидкой воды. Новые кристаллы льда-девять будут проделывать то же самое с водой вокруг себя, и в мгновение ока цепная реакция превратит всю воду в стакане - или в океанах Земли - в твердый лед-девять.

То же самое может случиться в реальной жизни с нормальным льдом и нормальной водой. Если вы наберете в очень чистый стакан очень чистой воды и охладите ее ниже нуля градусов, вода станет переохлажденной: она будет оставаться жидкой ниже естественной точки замерзания. В воде нет никаких примесей, а в стакане нет неровностей, чтобы начал образовываться лед. Но если вы уроните кристалл льда в воду, вода быстро замерзнет, как лед-девять.

Лед-девять и переохлажденная вода могут показаться мало связанными с судьбой Вселенной. Но что-то похожее происходит с самим пространством. Квантовая физика гласит, что даже в абсолютном вакууме присутствует небольшое количество энергии. Но тогда должен существовать другой тип вакуума, содержащий меньше энергии. Если это так, тогда вся Вселенная похожа на стакан с переохлажденной водой. И будет оставаться таковой, пока не покажется «пузырь» вакуума с низкой энергией.

К счастью, мы не знаем таких пузырей. К несчастью, квантовая физика утверждает, что если низкоэнергетический вакуум возможен, пузырь с таким вакуумом неизбежно появится где-то во Вселенной. Когда это произойдет, то подобно истории со льдом-девять новый вакуум «преобразует» старый вакуум вокруг себя. Пузырь будет расти со скоростью света, и мы никогда не увидим его приближения. Внутри пузыря все будет совершенно другим и явно не гостеприимным. Свойства фундаментальных частиц вроде электронов и кварков могут быть совершенно другими, переписывающими правила химии и, возможно, препятствующими образованию атомов. Люди, планеты и даже сами звезды могут быть уничтожены в процессе этого Большого Изменения. В работе 1980 года физики Сидни Коулман и Франк де Люччия назвали его «глобальной экологической катастрофой».

Есть и четвертая возможность, и опять темная энергия занимает центральное место. Эта идея очень спорная и невероятная, но не стоит сбрасывать ее со счетов. Темная энергия может быть намного мощнее, чем мы думаем, и сама по себе привести Вселенную к концу без всяких Больших Изменений, Замерзаний и Сжатий.

У темной энергии есть своеобразное свойство. Когда Вселенная расширяется, ее плотность остается постоянной. Это означает, что со временем она разрастается, чтобы идти в ногу с увеличением объема Вселенной. Это необычно, хотя и не нарушает законы физики.

Тем не менее все может быть намного страннее. Что, если плотность темной энергии увеличивается по мере расширения Вселенной? Точнее, что, если количество темной энергии во Вселенной увеличивается быстрее, чем расширяется сама Вселенная?

Эту идею выдвинул Роберт Колдуэлл из Дартмутского колледжа в Ганновере, Нью-Гемпшир. Он назвал это «фантомной темной энергией». И она приводит нас к невероятно странной судьбе Вселенной.

Если фантомная темная энергия существует, тогда нас ждет темная сторона силы, выражаясь языком «Звездных войн». Сейчас плотность темной энергии чрезвычайно низка, намного ниже плотности материи на Земле или даже плотности галактики Млечный Путь, которая намного менее плотная, чем Земля. Однако с течением времени плотность фантомной темной энергии может нарастать и разрывать Вселенную на части. В работе 2003 года Колдуэлл и его коллеги представили сценарий под названием «космический конец света». Как только фантомная темная энергия становится более плотной, чем конкретный объект, этот объект разрывается в клочья.

Сначала фантомная темная энергия разорвет Млечный Путь, отправив его звезды в полет. Затем разорвется Солнечная система, поскольку притяжение темной энергии станет мощнее, чем притяжение Солнца относительно Земли. Наконец, за несколько минут Земля просто взорвется. Сами атомы начнут распадаться, и уже через секунду Вселенная будет разорвана. Колдуэлл называет это Большим Разрывом. Большой Разрыв, по признанию самого Колдуэлла, «весьма диковинный» сценарий.

Фантомная темная энергия бросает вызов фундаментальным идеям Вселенной, вроде допущения о том, что материя и энергия не могут двигаться быстрее скорости света. Это хорошие аргументы против Большого Разрыва. Наблюдения за расширением Вселенной, а также эксперименты с физикой частиц показывают, что в качестве конца света более вероятно Большое Замерзание, за которым последует Большое Изменение, а затем и Большое Сжатие.

Но это довольно мрачный портрет будущего - века холодной пустоты, которые ждут вакуумного распада и финального взрыва, переходящего в небытие. Есть ли какой-нибудь другой вариант? Или мы обречены?

Очевидно, конкретно у нас нет причин переживать о конце Вселенной. Все эти события произойдут через триллионы лет в будущем, за исключением разве что Большого Изменения, так что пока все идет по плану. Также нет причин беспокоиться за человечество. Если не случится иное, генетический разрыв изменит наших потомков до неузнаваемости задолго до этого. Однако смогут ли разумные существа любого вида, люди или нет, выжить в принципе?

Физик Фримен Дайсон из Института перспективных исследований в Принстоне, Нью-Джерси, рассмотрел этот вопрос в классической работе 1979 года. В то время он пришел к выводу, что жизнь сможет изменить себя, чтобы пережить Большое Замерзание, которое, как считал физик, будет менее проблемным, чем ад Большого Сжатия. Но в наши дни он менее оптимистичен, благодаря открытию темной энергии.

«Если Вселенная ускоряется, это плохие новости, - говорит Дайсон. Ускоренное расширение означает, что мы в конечном итоге потеряем контакт со всем, кроме горстки галактик, что резко ограничит количество доступной нам энергии. - В долгосрочной перспективе такая ситуация будет весьма печальной».

Однако положение вещей может измениться. «Мы на самом деле не знаем, будет ли расширение продолжаться и почему оно ускоряется, - говорит Дайсон. - Оптимистичный взгляд на вещи состоит в том, что ускорение будет замедляться по мере расширения Вселенной. Если это произойдет, будущее будет более благоприятным».

Но что, если расширение не будет замедляться или станет известно, что грядет Большое Изменение? Некоторые физики предлагают решение, безумное в принципе. Чтобы избежать конца Вселенной, мы должны построить собственную Вселенную в лаборатории и удрать в нее.

«Не могу сказать, что законы физики допускают возможность такого, - говорит Гут. - Если это возможно, потребуются технологии, выходящие за пределы всего, что мы можем представить. Это потребует гигантского количества энергии, которую еще нужно будет добыть и удержать».

Первый шаг, по мнению Гута, заключается в создании невероятной плотной формы материи - такой плотной, что она будет на грани коллапса в . Если сделать это правильно, а затем быстро убрать материю за пределами этого сгустка, можно получить регион пространства, который начнет быстро расширяться.

По сути, вы провоцируете скачок создания совершенно новой Вселенной. По мере расширения области пространства, граница будет сокращаться, создавая пузырь искривленного пространства внутри чего-то большего. Фанатам «Доктора Кто» это может показаться знакомым, и по словам Гута, TARDIS это довольно точная аналогия того, о чем идет речь. В конце концов, «снаружи» сожмется до нуля, и новорожденная Вселенная начнет собственное существование, независимое от судьбы предыдущей Вселенной. Очевидно, как эта схема сработает на самом деле, совершенно непонятно. Мы даже не знаем, возможно это или нет.

Впрочем, у Гута есть другой источник надежды на лучшую судьбу для нашего мира - проблеск надежды. Гут первым предположил, что в самой юности Вселенная расширилась чрезвычайно быстро за долю секунды, эта идея известна как «инфляция». Многие космологи считают, что инфляция является самым точным описанием расширения юной Вселенной, и Гут предлагает создать новую Вселенную, опираясь именно на этот процесс быстрого расширения.

Инфляция имеет интригующие последствия для конечной судьбы Вселенной. Согласно этой теории, наша Вселенная - это малая часть мультивселенной, множества карманных вселенных, которые плавают вокруг.

«В таком случае, даже если мы убедимся, что наша отдельная Вселенная умрет в процессе замерзания, мультивселенная будет жить вечно, и новая жизнь будет рождаться в каждой отдельной карманной Вселенной, - говорит Гут. - Мультивселенная воистину бесконечная, а в бесконечном будущем отдельные Вселенные могут жить и умирать сколько им вздумается».

В общем, ничего хорошего нас не ждет.

Если расширение Вселенной будет ускоряться, то она может стать пустынной. Оранжевые шары – это видимая часть Вселенной, которая растет со скоростью света, а голубые – расширяющаяся часть пространства. По мере того как скорость расширения растет, все меньшее число скоплений галактик остается видимым.

В 1917 г., пытаясь согласовать общую теорию относительности с природой Вселенной, Эйнштейн столкнулся с неразрешимой на первый взгляд проблемой. Как и большинство его современников, он был уверен, что Вселенная должна быть стационарной (не расширяться и не сжиматься), но такое состояние было несовместимо с его уравнениями тяготения. Отчаявшись, Эйнштейн ввел дополнительный космологический член, который был призван обеспечить стационарность Вселенной, противодействуя гравитации.

Однако через 12 лет американский астроном Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) обнаружил, что Вселенная отнюдь не стационарна. Он убедился, что далекие галактики быстро удаляются от нашей, причем скорости их движения прямо пропорциональны расстоянию от нас. Для объяснения расширяющейся Вселенной космологический член был не нужен, и Эйнштейн отказался от него. Американский физик российского происхождения Георгий Гамов писал: «…когда я обсуждал с Эйнштейном космологические проблемы, он заметил, что введение космологического члена было величайшей ошибкой в его жизни».

Однако космологическая постоянная, вновь появившись в уравнениях после того, как было доказано, что расширение Вселенной ускоряется, по иронии судьбы появилась в процессе изучения принципов квантовой механики – того направления физики, которое Эйнштейн так не любил. Сегодня многие ученые предполагают, что космологический член позволит выйти за рамки теории Эйнштейна, что приведет к более глубокому пониманию пространства, времени, гравитации, а возможно, и квантовой теории, которая объединяет гравитацию с другими силами природы. Это может изменить наши представления о Вселенной.

Рождение постоянной

Общая теория относительности появилась как результат работы Эйнштейна по развитию его ключевого открытия в 1907 г. – эквивалентности гравитации и ускоренного движения. Эйнштейн показал, что физика в неподвижном лифте в гравитационном поле напряженностью g ничем не отличается от той, что в лифте, движущемся в пустом пространстве с постоянным ускорением g.

На Эйнштейна оказали большое влияние философские воззрения австрийского ученого Эрнста Маха (Ernst Mach), который отказался от идеи абсолютной системы отсчета для пространства-времени. В физике Ньютона инерция определяется как стремление тела двигаться с постоянной скоростью, если на него не действует сила. Понятие постоянной скорости требует инерциальной (т.е. не испытывающей ускорения) системы отсчета. Но ускорения по отношению к чему? Ньютон постулировал существование абсолютного пространства – неподвижной системы отсчета, определяющей все местные инерциальные, которые, по мнению Маха, определяются распределением материи в пространстве, и общая теория относительности вобрала в себя это представление.

ОБЗОР: ВОЗВРАЩАЯСЬ К ПРОШЛОМУ

1. Квантовая механика и теория относительности, а также полученные недавно свидетельства ускорения расширения Вселенной привели к тому, что ученые вновь вспомнили про космологический член, который сначала ввел, а потом отбросил Эйнштейн. Сегодня он представляет таинственную форму энергии, которая пронизывает пустое пространство и вызывает ускорение расширения Вселенной.

2. Попытки понять природу загадочной энергии могут вывести физиков за пределы эйнштейновской теории, что может изменить наше представление о Вселенной.

Теория Эйнштейна стала первой концепцией, которая позволила бы дать согласованную картину Вселенной и описать не только то, как движутся тела в пространстве и времени, но и динамические изменения самих пространства и времени. Пытаясь использовать новую теорию для описания Вселенной, ученый хотел получить конечное стационарное решение, связанное с принципом Маха (например, конечное распределение материи, разлетающейся в пустом пространстве, не соответствовало представлению Маха о том, что для определения пространства необходима материя). Это побудило Эйнштейна ввести в уравнения космологический член и получить стационарное решение, не имеющее границ, – его Вселенная искривлялась подобно поверхности шара. В масштабе Солнечной системы космологический член не поддавался физическому обнаружению, но в более крупных масштабах он должен был создавать космическое «расталкивание», препятствующее гравитационному притяжению удаленных тел.

Однако интерес Эйнштейна к космологическому члену быстро погас. В 1917 г. голландский ученый Виллем де Ситтер (Willem de Sitter) показал, что он может получить для пространства-времени решение с космологическим членом даже в отсутствие материи. В 1922 г. советский физик Александр Фридман построил модели расширяющейся и сжимающейся вселенных, обойдясь без космологической постоянной. В 1930 г. британский астрофизик Артур Эддингтон (Arthur Eddington) показал, что вселенная Эйнштейна не стационарна: раз гравитационный и космологический члены так точно согласованы, малейшее возмущение должно привести к ее стремительному сжатию или расширению. В 1931 г., когда Хаббл убедительно доказал расширение Вселенной, Эйнштейн отказался от космологического члена.

Открытие Хаббла устранило необходимость в космологической постоянной для противодействия гравитации, которая в расширяющейся вселенной замедляет расширение. Но достаточно ли сильна гравитация, чтобы остановить расширение вселенной и заставить ее сжиматься и, в конце концов, коллапсировать? Или космос будет расширяться вечно? В моделях Фридмана ответ зависит от средней плотности материи: с высокой она коллапсирует, а с малой – будет расширяться вечно. Пограничным случаем станет вселенная критической плотности, которая будет расширяться, но с постоянно уменьшающейся скоростью. Поскольку в теории Эйнштейна средняя кривизна вселенной определяется средней плотностью материи, геометрия и конечная ее судьба связаны между собой. Вселенная высокой плотности имеет положительную кривизну, как поверхность шара, малой – отрицательную, как поверхность седла, а Вселенная критической плотности – пространственно плоская. В итоге космологи пришли к заключению, что определение геометрии Вселенной и ее плотности позволит судить о ее конечной судьбе.

Энергия пустоты

В течение 60 лет космологический член был выброшен из космологии (кроме периода, когда он был включен в предложенную в конце 40-х гг. теорию стационарной вселенной, решительно отвергнутую в 60-х гг.). Если бы Эйнштейн не ввел эту постоянную после разработки общей теории относительности, ее присутствие все равно было бы неизбежным. Сегодня космологический член возник не из теории относительности, которая описывает природу в самых крупных масштабах, а из квантовой механики, физики самых малых масштабов.

Новая концепция космологического члена совершенно отлична от введенной Эйнштейном. Его первоначальное уравнение поля $G_{\mu\nu} =8\pi G T_{\mu\nu}$, где $G$ – гравитационная постоянная, характеризующая интенсивность гравитационного поля, связывает кривизну $G_{\mu\nu}$ пространства с распределением $T_{\mu\nu}$ материи и энергии. Когда Эйнштейн добавил космологический член, он поместил его в левой части уравнения, считая его свойством самого пространства. Но если переставить этот член в правую часть, он получит совершенно иное значение – то самое, которое ему приписывают сегодня. Теперь он представляет загадочную новую форму плотности энергии, которая остается постоянной даже при расширении Вселенной, а итоговая гравитация оказывается силой отталкивания, а не притяжения.

В соответствии с лоренц-инвариантностью, фундаментальной симметрией, связанной как с частной, так и с общей теориями относительности, такой вид энергии может существовать только в пустом пространстве. Поэтому космологический член представляется еще более загадочным. На вопрос, чему равна энергия пустого пространства, большинство людей ответит – ничему. В конце концов, это единственное интуитивно понятное значение.

К сожалению, квантовая механика отнюдь не интуитивна. В очень малых масштабах, где квантовые эффекты становятся ощутимыми, даже пустое пространство не является таковым. В нем из вакуума появляются виртуальные пары частица-античастица, пролетают небольшое расстояние и вновь исчезают, причем все это происходит в столь незначительном промежутке времени, что их невозможно наблюдать. Однако косвенные эффекты очень важны и могут быть измерены. В частности, виртуальные частицы влияют на спектр водорода, причем расчеты экспериментально подтверждены.

Приняв данное положение, мы должны рассмотреть возможность того, что виртуальные частицы могут наделять пустое пространство некоторой ненулевой энергией. Таким образом, квантовая механика заставляет учитывать эйнштейновскую космологическую постоянную, которая не может быть отвергнута как «теоретически неудовлетворительная». Однако все расчеты и оценки величины энергии пустого пространства приводят к абсурдно большим значениям – на 55–120 порядков превышающим энергию всей материи и излучения в наблюдаемой области Вселенной. Будь плотность энергии вакуума действительно столь большой, все вещество во Вселенной мгновенно разлетелось бы в разные стороны.

СМЕНА ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

В основе общей теории относительности лежит уравнение поля, которое утверждает, что геометрия пространства-времени (Эйнштейнов тензор кривизны $G_{\mu\nu}$) зависит от распределения вещества и энергии (тензора $T_{\mu\nu}$ энергии-импульса). [Тензор – это геометрическая или физическая величина, которая может быть представлена совокупностью (матрицей) чисел.] Иными словами, кривизну поля определяют вещество и энергия: $$G_{\mu\nu} =8\pi G T_{\mu\nu},$$ где $G$ – ньютоновская постоянная, определяющая интенсивность гравитационного поля.

Чтобы получить модель стационарной Вселенной, Эйнштейн ввел космологическую постоянную $\Lambda$ для компенсации гравитационного притяжения в космических масштабах. Он добавил ее (умноженную на метрический тензор $g_{\mu\nu}$, определяющий расстояния) к левой части уравнения поля, полагая, что эта постоянная является свойством самого пространства-времени: $$G_{\mu\nu}+\Lambda g_{\mu\nu} =8\pi G T_{\mu\nu}.$$

Когда выяснилось, что Вселенная расширяется, Эйнштейн отказался от нее. Необходимость в новой космологической постоянной, которую сегодня рассматривают физики, обусловлена квантовой теорией, согласно которой вакуум (пустое пространство) может обладать некоторой небольшой плотностью энергии. Плотность энергии вакуума $\rho_{VAC}$, умноженная на gμν, должна находиться в правой части уравнения вместе с другой формой энергии: $$G_{\mu\nu} =8\pi G(T_{\mu\nu} + \rho_{VAC} g_{\mu\nu}).$$

Хотя в математическом отношении космологическая постоянная Эйнштейна и энергия вакуума эквивалентны, концептуально они различны: первая является свойством пространства, а вторая – формой энергии, обусловленной виртуальными парами частица-античастица. Квантовая теория утверждает, что частицы постоянно появляются в вакууме, существуют очень короткое время и исчезают (см. схему).

Эта проблема появилась еще в 30-х гг., когда были проведены первые расчеты свойств виртуальных частиц. Однако во всех областях физики, не связанных с гравитацией, абсолютная энергия системы не имеет значения, существенна только разность энергий различных состояний. Если ко всем значениям энергии добавить некоторую константу, из результатов вычислений она выпадет, так что ею легко пренебречь. Кроме того, в те времена немногие физики относились к космологии настолько серьезно, чтобы подумать о приложении к ней квантовой теории.

Однако теория относительности требует, чтобы в качестве источников гравитации рассматривались все формы энергии, включая энергию пустоты. В конце 60-х гг. советский физик Яков Борисович Зельдович предпринял первые попытки оценить плотность энергии вакуума. С тех пор теоретики и бьются над вопросом, почему их расчеты дают такие абсурдно большие значения энергии. Они полагают, что подавляющую часть энергии, если не всю ее, должен аннулировать какой-то механизм. Они считают, что самым правдоподобным значением плотности энергии вакуума должен быть ноль: ничто, даже квантовое, не должно ни на что влиять.

Пока теоретики в глубине души верили, что такой механизм компенсации энергии может существовать, они могли отложить решение проблемы космологической постоянной на будущее, так как ею можно было пренебречь. Однако вмешалась природа.

Шаг назад

Первое свидетельство неких несообразностей было получено в результате исследований замедления расширения Вселенной. Как мы помним, Хаббл обнаружил, что относительные скорости удаления далеких галактик пропорциональны их расстояниям от нашей Галактики. С точки зрения общей теории относительности, соотношение обусловлено расширением самого пространства, которое должно замедляться из-за гравитационного притяжения. Но поскольку очень далекие галактики видны такими, какими они были миллиарды лет назад, замедление должно приводить к нарушению линейности соотношения Хаббла. Наиболее далекие галактики должны удаляться быстрее, чем предсказывает его закон. Сложность, однако, представляют точные измерения расстояний до очень далеких вселенных и их скоростей.

Данные вычисления основываются на поиске эталонных «свечей» – объектов известной собст- венной светимости, достаточно ярких, чтобы их можно было видеть через всю Вселенную. Прорыв наступил в 1990-х гг. в результате калибровки сверхновых типа Ia, которые считаются взрывами белых карликов с массами около 1,4 массы Солнца. Для измерения замедления расширения Вселенной были созданы: Космологический проект «Сверхновая» во главе с Солом Перлмутером (Saul Perlmutter) в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли и Группа поиска сверхновых с большими z, возглавляемая Брайаном Шмидтом (Brian Schmidt) в обсерваториях Маунт-Стромло и Сайдинг-Спринг. В начале 1998 г. обе группы сделали одно и то же открытие: последние 5 млрд. лет расширение Вселенной не замедлялось, а ускорялось. Выяснилось, что до нынешней была фаза замедления (см. «От замедления к ускорению» , «В мире науки», № 5, 2004).

Однако на существование некой неизвестной формы энергии, обусловливающей расширение Вселенной, указывают не только данные наблюдений сверхновых. Сегодня самую точную картину ранней Вселенной дали измерения космического микроволнового фона (МКФ) – остаточного излучения Большого взрыва, которое позволяет выявить свойства Вселенной в возрасте около 400 тыс. лет. К 2000 г. измерения угловых размеров неоднородностей МКФ достигли точности, которая позволила ученым установить, что геометрия Вселенной является плоской. Открытие было подтверждено данными космического аппарата WMAP (Уилкинсоновский зонд анизотропии микроволн) и другими экспериментами, проведенными в 2003 г.

Чтобы геометрия Вселенной была пространственно плоской, средняя плотность материи в ней должна быть равна критической. Однако многочисленные измерения всех ее форм, включая гипотетическое холодное темное вещество – море медленных частиц, которые не испускают свет, но обладают гравитационным притяжением, – показали, что плотность материи составляет лишь 30% критической. Для того чтобы Вселенная была плоской, необходимо существование иной формы однородно распределенной энергии, не оказывающей заметного влияния на местную кластеризацию, но способной составить недостающие 70% критической плотности. Нужный эффект может дать энергия вакуума или что-то подобное.

Есть еще и третий ряд доводов в пользу того, что ускорение расширения Вселенной было недостающей частью космологической головоломки. В течение двух десятков лет основным объяснением структуры Вселенной были парадигма инфляции в сочетании с холодным темным веществом. Теория инфляции утверждает, что в первые моменты своего существования Вселенная мгновенно расширилась до огромных размеров, что обусловило плоскостность ее геометрии и вызвало квантовые флуктуации плотности энергии в масштабах от субатомного до космического. Быстрое расширение привело к наблюдаемой неоднородности МКФ и способствовало формированию нынешней структуры Вселенной. Образованием этих структур управляла гравитация холодного темного вещества, которого намного больше, чем обычного.

Однако к середине 90-х гг. данные наблюдений поставили эту парадигму под сомнение. Предсказанный уровень кластеризации вещества значительно отличался от измеренного, и Вселенная оказалась младше самых старых звезд. В 1995 г. авторы данной статьи указали, что расхождения исчезают, если принять, что около 2/3 критической плотности составляет энергия вакуума. (Предложенная модель отличается от замкнутой Вселенной Эйнштейна, в которой значение плотности космологической постоянной составляла половину плотности вещества.) Наше предположение было по меньшей мере дерзким.

МОДЕЛИ КОСМОСА: РАНЬШЕ И ТЕПЕРЬ

Космологическая модель Эйнштейна описывает конечную в пространстве, но бесконечную во времени вселенную. Ее размер постоянен, а пространственные границы отсутствуют. Она искривляется, замыкаясь подобно окружности (слева). После того как было обнаружено расширение Вселенной, космологи сосредоточились на модели бесконечной вселенной, расширение которой постоянно замедляется под действием сил тяготения (в середине).

В 1980-х гг. теоретики доработали модель, дополнив ее начальной фазой очень быстрого расширения (инфляцией). Наблюдения последних шести лет показали, что около 5 млрд. лет назад расширение Вселенной начало ускоряться (справа). Что ждет Вселенную в конечном итоге – продолжение расширения, коллапс или сверхбыстрое расширение, называемое Большим разлетом, – зависит от природы таинственной темной энергии, ускоряющей расширение Вселенной.

Однако теперь, спустя почти 10 лет, все сошлось. Возрожденная космологическая постоянная позволила не только объяснить нынешнее ускорение расширения Вселенной и предшествовавшее ему замедление, но и увеличить возраст Вселенной до 14 млрд. лет и добавить ровно столько энергии, чтобы довести ее плотность до критического значения. Однако физики все еще не знают, действительно ли источником такой энергии служит квантовый вакуум. Поскольку необходимо было установить природу космологической постоянной, ученые стали заниматься количественным определением энергии вакуума, и головоломка стала еще более запутанной, чем тогда, когда физики пытались построить теорию, которая исключала бы энергию вакуума. Сегодня ученым необходимо понять, почему она может быть отличной от нуля, но настолько малой, что ее влияние на космос стало существенным лишь несколько миллиардов лет назад.

Эйнштейн, рассматривая несовместимость частной теории относительности с теорией гравитации Ньютона, сделал открытие. Так же и современные физики, рассматривая теорию Эйнштейна, стремятся включить в нее законы квантовой механики. Возможно, космологические наблюдения позволят выявить связи гравитации с квантовой механикой. Эйнштейну помогла эквивалентность гравитации и физики ускоренных систем отсчета. Возможно, что сегодня путеводной звездой станет другой вид ускорения – ускорение расширения Вселенной.

Мир суперсимметрии

Многие физики считают, что объединить квантовую механику с гравитацией может теория струн (М-теория). Одно из ее основных положений – существование суперсимметрии, т.е. симметрии между частицами с полуцелым спином (такие фермионы, как кварки и лептоны) и частицами с целочисленным спином (такие бозоны, как фотоны, глюоны и другие носители сил взаимодействия). Там, где проявляется суперсимметрия, массы частицы и ее партнеры должны быть одинаковыми. Например, суперсимметричный электрон (сэлектрон) должен быть таким же легким, как электрон, и т.д. Кроме того, можно доказать, что в «супермире» квантовое ничто не будет иметь никакой массы, а вакуум должен иметь нулевую энергию. Предполагается, что в реальном мире сэлектрона с массой, равной массе электрона, не существует, иначе физики бы его обнаружили. Теоретики считают, что частицы-суперпартнеры в миллионы раз тяжелее электрона и поэтому, чтобы их обнаружить, нужны супермощные ускорители элементарных частиц. Возможно, что суперсимметрия – это нарушенная симметрия, при которой квантовое ничто может иметь некоторую массу.

Физики построили модели нарушенной суперсимметрии, в которых плотность энергии вакуума намного меньше абсурдно завышенных оценок, полученных ранее. Но даже эти значения намного больше тех, на которые указывают данные космологических наблюдений. Недавно выяснилось, что М-теория допускает бесконечное множество различных решений, которые приводят к слишком большим значениям плотности энергии вакуума. Но есть и такие, при которых она оказывается достаточно малой, чтобы согласовать ее с результатами космологических наблюдений (см. «Ландшафт теории струн», «В мире науки», №12, 2004 г.).

Еще одна особенность теории суперструн – постулирование существования большего числа пространственных измерений. К трем обычным измерениям добавляются еще 6 или 7 скрытых, и появляется еще одно объяснение ускорения расширения Вселенной. Георгий Двали (Georgi Dvali) из Нью-Йоркского университета и его коллеги предположили, что влияние этих дополнительных измерений может проявляться в виде дополнительного члена в эйнштейновском уравнении поля, который и может обусловливать ускорение расширения Вселенной. Ранее считалось, что различия между общей теорией относительности и последующими теориями проявляются в условиях малых, а не космических расстоянияй. Подход Двали противоречит этому мнению.

Возможно, что объяснение ускорения расширения Вселенной никак не будет связано с тем, что космологический член так мал, или с обобщением теории Эйнштейна для включения в нее квантовой механики. Общая теория относительности утверждает, что гравитация объекта пропорциональна сумме плотности его энергии и утроенного внутреннего давления. Любой форме энергии с отрицательным внутренним давлением соответствует расталкивающая гравитация. Поэтому ускорение расширения Вселенной может быть вызвано просто существованием необычного вида энергии, называемого темной энергией, которая не предсказывается ни квантовой механикой, ни теорией суперструн.

Геометрия и конечная судьба Вселенной

Как бы то ни было, факт ускоренного расширения Вселенной навсегда изменил наши представления о будущем. Мы больше не связываем конечную судьбу мира с геометрией. Плоская вселенная, в которой доминирует положительная энергия вакуума, будет расширяться вечно и со все увеличивающейся скоростью, а вселенная, в которой преобладает отрицательная энергия вакуума, в конце концов коллапсирует. Если же темная энергия вообще не является энергией вакуума, ее влияние на расширение Вселенной остается неясным. Возможно, что в отличие от космологической постоянной плотность темной энергии может со временем расти или уменьшаться. Если она будет увеличиваться, расширение Вселенной будет ускоряться, разрывая на части сначала галактики, потом планетные системы звезд, затем планеты и в конце концов атомы. Если же плотность темной энергии уменьшится, ускорение расширения может прекратиться. А если эта плотность станет отрицательной, Вселенная рано или поздно коллапсирует. Без знания деталей происхождения энергии, вызывающей расширение Вселенной, никакая совокупность космологических наблюдений не позволит определить ее конечную судьбу.

ИСТОРИЯ

90 лет назад Эйнштейн впервые ввел космологическую постоянную, затем она была отвергнута, модифицирована и воскрешена.

ФЕВРАЛЬ 1917 г . Эйнштейн ввел космологический член для компенсации гравитационного притяжения, что позволило ему построить теоретическую модель конечной стационарной Вселенной.
МАРТ 1917 г. Голландский космолог Виллем де Ситтер предложил модель с космологическим членом. Позже было показано, что ей соответствует ускоряющееся расширение Вселенной.
1922 г. Советский физик Александр Фридман построил модели расширяющейся и сжимающейся вселенных без использования космологической постоянной.
1929 г. Американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется. Двумя годами позже Эйнштейн отказался от космологического члена, назвав его «теоретически неудовлетворительным».
1967 г. Советский физик Яков Борисович Зельдович оценил плотность энергии квантового вакуума и нашел, что ей соответствует колоссальный космологический член.
1998 г. Две группы охотников за сверхновыми, возглавляемые Солом Перлмутером и Брайаном Шмидтом, сообщили, что расширение Вселенной ускоряется. Этот эффект мог быть описан модифицированным космологическим членом. После 1998 г. были получены более весомые подтверждения ускорения расширения Вселенной.

Будущее нашей Вселенной будет определять физика пустого пространства. Потребуются новые измерения расширения Вселенной и космических структур, которые укажут теоретикам направления работы. Планируются эксперименты, в том числе с использованием космического телескопа, предназначенного для наблюдения далеких сверхновых, и наземных телескопов для исследования темной энергии, а также ее влияния на крупномасштабные структуры.

Туман неизвестности привел Эйнштейна к тому, что он, пытаясь построить стационарную маховскую Вселенную, стал рассматривать космологический член. Сегодня неразбериха в отношении ускорения расширения Вселенной побуждает физиков использовать все возможные пути, чтобы понять природу энергии, ускоряющей расширение. Утешает лишь факт, что в итоге это может привести исследователей к объединению сил гравитации с другими силами природы, что и было самой заветной мечтой Эйнштейна.

(«В мире науки», №12, 2004)

ОБ АВТОРАХ:
Лоренс Кросс (Lawrence M.Krauss) и Майкл Тэрнер (Michael S. Turner) первыми предположили, что во Вселенной доминирует космологический член. Их прогноз (1995 г.) об ускорении расширения Вселенной был подтвержден данными астрономических наблюдений. Декан физического факультета Университета Западного резервного района (Case Western Reserve University) в Кливленде (шт. Огайо), Кросс написал семь популярных книг, включая «Физику звездного пути» (The Physics of Star Trek) и готовящуюся к печати «Спрятанные в зазеркалье: Таинственное очарование дополнительных измерений» (Hiding in the Mirror: The Mysterious Allure of Extra Dimensions). Тэрнер, профессор Чикагского университета, работает заместителем директора Национального научного фонда США по математическим и физическим наукам.

Комментарии (116):

>Оранжевые шары - это видимая часть Вселенной, которая растет со скоростью света, а голубые - расширяющаяся часть пространства.

Не вполне точное утверждение, суть которого, на мой взгляд, заключалась в том, что в ускоренно расширяющейся Вселенной скорость роста хаббловской сферы уменьшается со временем $$ \frac{d}{{dt}}(R_{H}) = c\frac{d}{{dt}}\left({\frac{1}{H}} \right) = \frac{{c\dot H}}{{H^2 }} = \frac{c}{{H^2 }}\left({\frac{{\ddot a}}{a} - \frac{{\dot a^2 }}{{a^2 }}} \right) = c(1 + q), $$ где $q$ - параметр замедления $q=-\frac{\ddot a}{aH^2 }$. Галактики, лежащие на хаббловской сфере, удаляются от нас со скоростью света. Во Вселенной с замедленным расширением $(q>0)$ хаббловская сфера, имея скорость, превосходящую скорость света на величину $cq$, перегонит эти галактики. Таким образом, галактики, первоначально находившиеся вне хаббловской сферы, окажутся внутри неё.

В ускоренно расширяющейся Вселенной параметр замедления отрицателен ($q

А если отбросить в сторону антропный центризм, то всё станет на свои места.

Наша Вселенная (НВ) есть малая часть Нашей Чёрной Дыры (НЧД).

НЧД, поглащая материю_вещество из внешней вселенной, увеличивает свою массу, свои размеры, что и является причиной расширения НЧД и, как следствие, причиной расширения НВ.

скорость изменения размеров НЧД есть абослютно максимальная скорость всех эволюционных процессов внутри НЧД (это наша скорость света), и первопричина всех этих процессов.

Нет необходимости вводить и искать "тёмную" материю... "тёмную" энергию...

Смысл в том, что любая мат. модель описывает реальный обЪект с конечной точностью. Если точность мат. модели приемлема, то ей можно пользоваться.

Но если мат. модель даёт ошибку, не соизмеримую с приемлемой (приемлемая ошибка - ошибка не превышаюшая точности измерения), то Это верный сигнал к тому что модель не соответствует реалиям, к тому что мат. аппарат требует, если не доработки, то полной замены (как бы не оспаривалась бы сия позиция).

Согласно статье "Происхождение Вселенной" (на этом сайте) ошибка модели более чем в 20 раз превышает оценку реального заполнения НВ.

Сия ошибка кроется именно в антропном центризме:

НВ единственна в мироустройстве. Все внешние вселенные никак не влияют на НВ.

Но есть простой вопрос:

Если НВ расширяется, то КУДА?, Каковы свойства пространства в которое расширяется НВ?

Простая экстраполяция рассуждений снимает ограничения в понятиях на причины расширения НВ-Это работа внешних по отношению к НВ сил.

Теория инфляции даёт ответ и на второй вопрос: при катастрофическом расширение в период инфляции Вселенная расширились в $10^{10^{100}}$ раз. При таком расширении любая геометрия будет неотличима от плоской. К примеру если "кривизну" яблока вы увидеть можете, то с кривизной Земли, всё гораздо сложнее, а при инфляции -- в $10^{10^{100}}$ раз сложность увеличивается пропорционально.

Теория струн (дальнейшим развитием которой стала теория суперструн и М-теория) считается одновременно и одной из самых многообещающих (кандидатом в "теорию всего"), и одной из самых спорных идей в современной физике. Весь набор элементарных частиц в струнной теории описывается в виде стоячих волн разной частоты в многомерном пространстве (представляемых в виде вибрирующих "струн" или "петель"). Самая большая проблема, связанная с этой теорией, заключается в том, что она, судя по всему, способна описывать какой угодно мир (каким бы ни был наш реальный мир, всегда можно подобрать правильно описывающие его параметры суперструнной теории), а значит, не способна ничего предсказывать (то есть не отвечает критерию фальсифицируемости в попперовском смысле). Попытки выхода из этого тупика, конечно, не прекращаются, и вот одна из таких попыток была предпринята недавно группой ученых из Принстонского университета (Princeton University), которую возглавлял наш бывший соотечественник профессор кафедры физики Игорь Клебанов. Возможно, им удастся наконец отыскать давно разыскиваемую связь между гравитацией и силами, доминирующими в масштабах атомного ядра, реальность которой можно будет проверить в будущем в лабораторных условиях.

Исследователи из Принстона нашли математическое доказательство того, что некоторые из предсказаний струнной теории определенным образом связаны со следствиями из вполне почтенного и уважаемого раздела физики, именуемого "квантовой хромодинамикой" (КХД), которая описывает взаимодействия между "цветными" кварковыми и глюонными полями - то есть субатомными объектами, формирующими в результате сильного взаимодействия те самые "кирпичики" (адроны), из которых состоит все окружающее нас вещество - протоны, нейтроны (плюс более экзотичные частицы вроде мезонов и гиперонов). Это открытие в принципе может открыть путь для использования струнной теории при решении практических задач физики.

"Раньше мы могли изучать такие взаимодействия лишь при самых высоких энергиях, обеспечиваемых, например, ускорителями частиц, однако в дальнейшем сможем описывать и то, что происходит в обычных условиях - то есть атомы, которые составляют окружающие нас камни и деревья. Пока мы еще не преодолели этот разрыв, но математический аппарат струнной теории, вероятно, на это способен",

Соответствующая статья была опубликована в научном журнале Physical Review Letters (PRL) 30 марта. Соавторами Клебанова стали аспирант Маркус Бенна (Marcus Benna) и постдоки Серджио Бенвенути (Sergio Benvenuti) и Антонело Скардиккьо (Antonello Scardicchio).

При высоких энергиях (среди частиц, взаимодействующих друг с другом при околосветовых скоростях) сила, скрепляющая кварки, настолько ослабевает, что экспериментаторы могут как бы "разорвать" частицы на составные части и изучать их какое-то мгновение "по отдельности". К сожалению, эти наблюдения неприменимы для протонов и нейтронов, находящихся в привычных нам условиях - тогда связь между кварками становится слишком прочной (все это ученые поняли еще в 1970-х гг.). В 1997-1998 гг. появилась этапная работа физиков из Принстона, занимавшихся калибровочными полями: Александра Полякова (члена-корреспондента РАН), Стивена Габсера (Steven Gubser) и Клебанова, - а так же аргентинского теоретика Хуана Малдасены (Juan Maldacena) и Эдварда Уиттена (Edward Witten) из принстонского Института передовых исследований (Institute for Advanced Study - IAS), которая позволила несколько сблизить КХД и теорию струн. Важным развитием этого направления послужила работа доцента из Принстона Никласа Байзерта (Niklas Beisert), издавшего свою статью в конце октября прошлого года, что позволило группе Клебанова в дальнейшем навести "мост" между уже установленными уравнениями субатомной физики и теорией струн.

Конечно, разрыв между известными признанными теориями вроде КХД и "новой физикой" еще не исчез полностью, однако надежда на заполнение промежутка между слабо и сильно взаимодействующими режимами калибровочной теории с помощью новых

Воспроизведение эффектного результата Бекенштайна-Хокинга, согласно которому энтропия черной дыры равна четверти площади ее горизонта, стало вызовом и «делом чести» для всякой теории квантовой гравитации, претендующей на серьезное место в истории. Более того, поскольку энтропия предполагается соотносящейся с мерой информации, надо отвечать и на следующий вопрос: что это за информация, которую учитывает энтропия черной дыры при поглощении материи? LQG на этот вопрос отвечает тем, что дает подробное описание микроскопической структуры горизонта черной дыры. Это описание построено, в свою очередь, на основе элементарного описания пространственной геометрии, из которого следует, что площадь горизонта черной дыры тоже квантована - как и пространство, она состоит из дискретных единиц, и каждая квантованная единица площади горизонта может иметь лишь конечное число состояний. Подсчитывая их, получают в точности результат Бекенштайна - с одной четвертой площади. К этому выводу разработчики LQG пришли совсем недавно - во второй половине 1990-х и начале 2000-х годов.

С середины 1990-х годов отмечается заметный прогресс и на другом, более известном обществу направлении движения к «Теории Всего» - в теории струн. Используя чрезвычайно нетривиальную математику, эта теория оперирует моделью микроскопических струн, вибрирующих в многомерном пространстве и порождающих все известные частицы вместе с их взаимодействиями. В количественном отношении физиков-«струнников» раз в десять больше, нежели сторонников LQG. Отчасти популярность теории струн объясняется успешным пиаром, но есть, конечно, и куда более глубокие причины. Каждая из пяти разных теорий струн предсказывает структуру, которая включает в себя не только гравитационные эффекты ОТО на больших расстояниях, но и эффекты квантовой механики на расстояниях малых. Уже одно это является важнейшей причиной для интенсивного изучения теории струн, если учесть, что общепринятая сегодня Стандартная модель теории квантового поля делает гравитацию невозможной… Еще большее внимание теория струн привлекает с тех пор, как в 1995 году Эдварду Уиттену (Edward Witten) из Института передовых исследований в Принстоне удалось построить единую концепцию (М-теорию), которая свела в общую картину пять теорий, прежде предполагавшихся совершенно разными.

Чуть раньше Джо (Joe Polchinski) из Калифорнийского университета Санта-Барбары открыл и развил в теории струн математический аппарат микроскопических объектов, именуемых D-бранами (обобщение понятия вибрирующей мембраны для разных размерностей). Вскоре этот аппарат и опирающаяся на него М-теория позволили Эндрю Стромингеру и Кумруну Вафе из Гарварда (Andrew Strominger, Cumrun Vafa) дать описание физики черных дыр в терминах струн и D-бран, то есть в терминах фундаментальных строительных блоков природы. Причем для значения энтропии Бекенштайна-Хокинга получен ожидаемый результат - четверть площади горизонта. Можно говорить, что в теории струн энтропия выведена путем подсчета количества квантовых микросостояний черной дыры, то есть в том же самом смысле, как Людвиг Больцман когда-то вывел уже известную энтропию газа на основе более глубоких соображений подсчетом всевозможных микросостояний этого газа. Важнейшее следствие результата Стромингера-Вафы в том, что любая информация, попадающая в черную дыру, не безвозвратно теряется (так всегда утверждал Стивен Хокинг), а накапливается во внутренней структуре D-бран. То есть теоретически выведен, можно сказать, закон сохранения информации во вселенной.

Еще одной важнейшей разработкой 1990-х годов, ведущей к дискретно-информационной картине мира, стал так называемый голографический принцип. Забавно, что он вынуждает физиков-теоретиков прибегать к слову «информация» в ситуациях, когда толком даже неясно, о чем в физическом смысле идет речь. Одно это уже интересно и заслуживает рассмотрения, поскольку на основе голографического принципа удается получать перспективные, а иногда просто поразительные результаты.

Сегодня голографический принцип существует уже в нескольких версиях. Сама же идея была выдвинута в 1993 году голландским теоретиком, нобелевским лауреатом Герардом ‘т Хоофтом (Gerard ‘t Hooft) из Утрехтского университета и существенно развита Леонардом Зюсскиндом. В основе принципа лежит граница Бекенштайна, задающая предел количеству информации, содержащейся в данном объеме пространства. Зюсскинд доказал, что конечная информационная емкость (энтропия) любой системы зависит не от ее объема, а от площади поверхности, ограничивающей эту систему. Это и есть упоминавшаяся ранее голографическая граница Зюсскинда. Голографической она названа потому, что принципы голографии дают столь поразительному результату вполне естественное объяснение. Ведь в нашем повседневном мире голограмма - это вид фотографии, порождающий полноценный трехмерный образ объекта с помощью информации, особым образом закодированной на двумерном куске пленки. Голографический принцип ‘т Хоофта утверждает, что аналог этой «визуальной магии» применим и к полному физическому описанию любой системы, занимающей некий объем пространства.

На сегодня в теоретической физике имеется уже несколько примеров интереснейшей реализации этой идеи. Упомянем, в частности, работу (1997) молодого аргентинского теоретика Хуана Малдасены (Juan Maldacena), использовавшего модель антидеситтеровского пространства-времени. (Пространство-время де Ситтера - это модель симметричной расширяющейся вселенной, впервые полученная голландским астрономом Виллемом де Ситтером в 1917 году как решение уравнений Эйнштейна, включающее силу отталкивания. Если же изменить знак космологической константы, то есть силу отталкивания в уравнениях поменять на притяжение, то решение де Ситтера обращается в так называемое антидеситтеровское пространство-время, которое обладает границей, расположенной «на бесконечности» и при этом очень похожей на привычное нам пространство-время.)
У Малдасены получилась пятимерная вселенная, описываемая в терминах теории струн и функционирующая в антидеситтеровском пространстве, но при этом эквивалентная квантовой теории поля, оперирующей на четырехмерной границе пространства-времени. Таким образом, вся величественность теории суперструн в антидеситтеровской вселенной оказывается записанной на границе этой вселенной. Впоследствии это необычное «голографическое» соотношение было неоднократно подтверждено и для других вариантов пространства-времени, с разными сочетаниями размерностей, в работах многих исследователей (в том числе и наших соотечественников Игоря Клебанова и Александра Полякова, работающих в Принстонском университете).

Эти результаты означают, что две очень разные теории - даже действующие в пространствах разной размерности - являются эквивалентными. И что теории гравитации могут оказываться той же самой вещью, что и квантовые теории поля, если смотреть на них надлежащим образом. При этом мыслящие создания, живущие в одной из таких вселенных, в принципе не могут определить, находятся ли они в пятимерной вселенной, описываемой теорией струн, или же в четырехмерном мире, описываемом квантовой теорией поля точечных частиц. А выбор одного из вариантов описания делается на основе предрассудков обитателей, опирающихся на врожденные представления и «здравый смысл» (подобно тому, как мы убеждены, что наш мир имеет лишь три пространственных и одно временное измерение). Тем не менее, голографическая эквивалентность может позволять, чтобы сложные вычисления в граничном четырехмерном пространстве-времени были заменены гораздо более простыми расчетами в высокосимметричном пятимерном антидеситтеровском пространстве.

Космологическая постоянная - физическая постоянная, характеризующая свойства вакуума, которая вводится в общей теории относительности. С учетом космологической постоянной уравнения Эйнштейна имеют вид

$$R_{ab} - {R \over 2} g_{ab} + \Lambda g_{ab} = {8 \pi G \over c^4} T_{ab}$$

где $\Lambda$ - космологическая постоянная, g ab - метрический тензор, R ab - тензор Риччи, R - скалярная кривизна, T ab - тензор энергии-импульса, c - скорость света, G - гравитационная постоянная Ньютона.

Космологическая постоянная была введена Эйнштейном для того, чтобы уравнение допускало пространственно однородное статическое решение. После построения теории эволюционирующей космологической модели Фридмана и получения подтверждающих её наблюдений, отсутствие такого решения у исходных уравнений Эйнштейна не рассматривается как недостаток теории.

До 1997 года достоверных указаний на отличие космологической постоянной от нуля не было, поэтому она рассматривалась в общей теории относительности как необязательная величина, наличие которой зависит от эстетических предпочтений автора. В любом случае её величина позволяет пренебрегать эффектами, связанными с её наличием, вплоть до масштабов скопления галактик, то есть практически в любой рассматриваемой области, кроме космологии.

В космологии, однако, наличие космологической постоянной может существенно изменять некоторые этапы эволюции наиболее распространенных космологических моделей. В частности, космологические модели с космологической постоянной предлагалось использовать для объяснения некоторых свойств распределения

Член $\Lambda$g ab можно включить в тензор энергии-импульса и рассматривать как тензор энергии-импульса вакуума. Этот член инвариантен по отношению к преобразованиям локальной группы Лоренца, что соответствует принципу лоренц-инвариантности вакуума в квантовой теории поля. С другой стороны, $\Lambda$g ab можно рассматривать как тензор энергии-импульса некоего статического космологического скалярного поля. Сейчас активно развиваются оба подхода.

Легенду об упавшем яблоке Ньютон сочинил для своей племянницы Катерины Кондуит, рассказывая, как открыл свой закон всемирного тяготения. После того как эта история попала в первую опубликованную в 1728 году биографию великого ученого, яблоко стало неразрывно ассоциироваться с этим законом. Однако суть открытия заключалось в том, что замкнутые эллиптические орбиты планет Солнечной системы возможны в единственном случае - когда сила притяжения их к Солнцу обратно пропорциональна квадрату расстояния до него.Для объяснения наблюдаемой эволюции Вселенной в рамках существующих теорий, приходится допустить, что одни фундаментальные постоянные более постоянны, чем другие

В ряду фундаментальных физических констант - скорость света, постоянная Планка, заряд и масса электрона - гравитационная постоянная стоит как-то особняком. Даже история её измерения изложена в знаменитых энциклопедиях Britannica и Larousse, не говоря уж о «Физической энциклопедии», с ошибками. Из соответствующих статей в них читатель узнает, что её численное значение впервые определил в прецизионных экспериментах 1797–1798 годов знаменитый английский физик и химик Генри Кавендиш (Henry Cavendish, 1731–1810), герцог Девонширский. В действительности Кавендиш измерял среднюю плотность Земли (его данные, кстати, всего лишь на полпроцента отличаются от результатов современных исследований). Располагая же информацией о плотности Земли, мы легко может вычислить её массу, а зная массу, определить гравитационную постоянную.

Интрига состоит в том, что во времена Кавендиша понятия гравитационной постоянной ещё не существовало, и закон всемирного тяготения не принято было записывать в привычном для нас виде. Напомним, что сила тяготения пропорциональна произведению масс тяготеющих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между этими телами, коэффициентом же пропорциональности как раз и является гравитационная постоянная. Такая форма записи ньютоновского закона появляется только в XIX столетии. А первые опыты, в которых измерялась именно гравитационная постоянная, были выполнены уже в конце столетия - в 1884 году.

Как отмечает российский историк науки Константин Томилин, гравитационная постоянная отличается от других фундаментальных постоянных ещё и тем, что с ней не связан естественный масштаб какой-либо физической величины. В то же время скорость света определяет предельное значение скорости, а постоянная Планка - минимальное изменение действия.

И только в отношении гравитационной постоянной была высказана гипотеза о том, что её численное значение, возможно, меняется со временем. Впервые эту идею сформулировал в 1933 году английский астрофизик Эдвард Милн (Edward Arthur Milne, 1896–1950), а в 1937 году знаменитый английский физик-теоретик Поль Дирак (Paul Dirac, 1902–1984), в рамках так называемой «гипотезы больших чисел», предположил, что гравитационная постоянная уменьшается с течением космологического времени. Гипотеза Дирака занимает важное место в истории теоретической физики ХХ века, однако никаких более или менее надежных экспериментальных подтверждений её не известно.

С гравитационной постоянной непосредственно связана так называемая «космологическая постоянная», впервые появившаяся в уравнениях общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Обнаружив, что эти уравнения описывают либо расширяющуюся, либо сжимающуюся вселенную, Эйнштейн искусственно добавил в уравнения «космологический член», обеспечивавший существование стационарных решений. Его физический смысл сводился к существованию силы, компенсирующей силы всемирного тяготения и проявляющейся лишь на очень больших масштабах. Несостоятельность модели стационарной Вселенной стала для Эйнштейна очевидной после выхода в свет работ американского астронома Эдвина Хаббла (Edwin Powell Hubble, 1889–1953) и советского математика Александра Фридмана, доказавших справедливость иной модели, согласно которой Вселенная расширяется во времени. В 1931 году Эйнштейн отказался от космологической постоянной, назвав её в частной беседе «величайшей ошибкой своей жизни».

История, однако, на этом не закончилась. После того как было установлено, что последние пять миллиардов лет расширение Вселенной происходит с ускорением, вопрос о существовании антигравитации вновь стал актуальным; вместе с ним в космологию вернулась и космологическая постоянная. При этом современные космологи связывают антигравитацию с присутствием во Вселенной так называемой «темной энергии».

Одна из главных проблем современной физики - связать законы микромира с законами космологии. В основном уже удается добиться хорошего соответствия, но в частностях бывают расхождения в сотни порядков Фото: W.N. Colley and E. Turner (Princeton University), J.A. Tyson (Bell Labs, Lucent Technologies) and NASA

И гравитационная постоянная, и космологическая постоянная, и «темная энергия» были предметом активных дискуссий на недавней конференции в Имперском Колледже Лондона (London Imperial College), посвященной нерешенным проблемам в стандартной модели космологии. Одна из наиболее радикальных гипотез была сформулирована в докладе Филиппа Мангейма (Philip Mannheim) - специалиста по физике элементарных частиц из университета Коннектикута в Шторсе (University of Connecticut in Storrs). Фактически Мангейм предложил лишить гравитационную постоянную статуса универсальной постоянной. Согласно его гипотезе, «табличное значение» гравитационной постоянной определено в лаборатории, находящейся на Земле, и им можно пользоваться только в пределах Солнечной системы. В космологических же масштабах гравитационная постоянная имеет другое, существенно меньшее численное значение, которое можно рассчитать методами физики элементарных частиц.

Представляя свою гипотезу коллегам, Мангейм прежде всего стремился приблизить решение весьма актуальной для космологии «проблемы космологической постоянной». Суть этой проблемы в следующем. По современным представлениям, космологическая постоянная характеризует скорость расширения Вселенной. Её численное значение, найденное теоретически методами квантовой теории поля, в 10120 раз превышает полученное из наблюдений. Теоретическое значение космологической постоянной столь велико, что при соответствующей скорости расширения Вселенной звезды и галактики просто не успели бы сформироваться.

Свою гипотезу о существовании двух разных гравитационных постоянных - для солнечной системы и для межгалактических масштабов - Мангейм обосновывает следующим образом. По его словам, в наблюдениях на самом деле определяется не сама космологическая постоянная, а некоторая величина, пропорциональная произведению космологической постоянной на гравитационную постоянную. Предположим, что в межгалактических масштабах гравитационная постоянная очень мала, а значение космологической постоянной соответствует расчетному и очень велико. В этом случае произведение двух постоянных вполне может быть малой величиной, что не противоречит наблюдениям. «Возможно, пришло время отказаться считать космологическую постоянную малой величиной, - говорит Мангейм, - просто принять, что она велика, и исходить из этого». В этом случае «проблема космологической постоянной» оказывается решенной.

Предлагаемое Мангеймом решение выглядит простым, но цена, которую придется заплатить за него, очень велика. Как отмечает Зейя Мерали (Zeeya Merali) в статье «Two constants are better than one», опубликованной журналом New scientist 28 апреля 2007 года, вводя два разных численных значения гравитационной постоянной, Мангейм неизбежно должен отказаться от уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Кроме того, гипотеза Мангейма делает излишним принятое большинством космологов представление о «темной энергии», поскольку малое значение гравитационной постоянной на космологических масштабах уже само по себе эквивалентно предположению о существовании антигравитации.

Кейт Хорн (Keith Horne) из британского университета св. Андрея (University of St Andrew) приветствует гипотезу Мангейма, поскольку в ней использованы фундаментальные принципы физики элементарных частиц: «Она очень элегантна, и было бы просто замечательно, если бы она оказалась правильной». По словам Хорн, в этом случае нам удалось бы объединить физику элементарных частиц и теорию гравитации в одну весьма привлекательную теорию.

Но с ней согласны далеко не все. New Scientist приводит и мнение космолога Тома Шэнкса (Tom Shanks), что некоторые явления, очень хорошо укладывающиеся в стандартную модель, - например, недавние измерения реликтового излучения, и движения двойных пульсаров, - вряд ли окажутся так же легко объяснимы в теории Мангейма.

Существование вселенной, циклически коллапсирующей и снова раздувающейся из сингулярности, предполагалось найденными Александром Фридманом решениями уравнений ОТО. Новые модификации этой старой идеи сильно от нее отличаются: и «схлопывание» происходит не до конца, и прошлое не забывается - в каждом новом цикле космологическая постоянная все меньше и меньше

Сам Мангейм не отрицает проблем, с которыми сталкивается его гипотеза, замечая при этом, что считает их намного менее значимыми в сравнении с трудностями стандартной космологической модели: «Её разрабатывают сотни космологов, и тем не менее она неудовлетворительна на 120 порядков».

Надо отметить, что Мангейм нашел некоторое количество сторонников, поддержавших его, дабы исключить худшее. К худшему они отнесли выдвинутую в 2006 году гипотезу Пола Штейнхарда (Paul Steinhardt) из Принстонского университета (Princeton University) и Нила Тьюрока (Neil Turok) из Кембриджа (Cambridge University), согласно которой Вселенная периодически рождается и исчезает, причем в каждом из циклов (длящемся триллион лет) происходит свой Большой Взрыв, и при этом в каждом цикле численное значение космологической постоянной оказывается меньше, нежели в предыдущем. Крайне незначительная величина космологической постоянной, зафиксированная в наблюдениях, означает тогда, что наша Вселенная - очень дальнее звено в очень длинной цепи рождающихся и исчезающих миров…

Несмотря на отсутствие в литературе удовлетворительной во всех отношениях модели компенсации космологического члена, определенный интерес представляет рассмотрение ее механизма в контексте представлений о скалярном поле, эффективный потенциал которого имеет два минимума. У этого поля имеется два вакуумных состояния: одно из них, соответствующее значению эффективного потенциала при нулевом значении поля, называется метастабильным состоянием ложного вакуума; другое, соответствующее значению эффективного потенциала при ненулевом значении поля, называется состоянием истинного вакуума. При отличной от нуля вероятности туннелирования состояния ложного вакуума через потенциальный барьер рано или поздно произойдет взрыв ложного вакуума с выделением энергии определенной плот-ности и система перейдет в состояние с ненулевым значением поля.

Кажется невероятным, что в «начале» исходная космологи-ческая постоянная была «подобрана» так, чтобы полностью скомпенсировать все эти скачки плотности энергии вакуума при последующих фазовых переходах, причем с фантастической степенью точности; во всяком случае, механизм динамической генера-ции космологического члена не мог не иметь глубоких физических причин, которых мы пока не понимаем.
И все же нам кажется, что подходы, ведущие к сокращению плотности вакуума с планковского значения до реального, должны быть связаны с су-ществованием скалярного поля, имитирующего вакуумное уравнение состояния с от-рицательной энергией. Или с включением в плотность вакуума трех составляющих: высокоэнергетической (конденсат нейтральных бозонов), низкоэнергетической (про-странственная кривизна) и нулевых колебаний, или с моделью мира «на бране»

Вернувшись к простейшей модели эффективного потенциала скалярного поля, заметим, что путь подбарьерного перехода состояния ложного вакуума связывается с периодом инфляции, а «скатывание» его по потенциалу до состояния истинного вакуума – с классической эволюцией скалярного поля. Достигнув истинного минимума (истинного вакуума), скалярное поле начинает колебаться, и из-за взаимодействия с полями других типов колебания затухают. Этот момент соответству-ет окончанию инфляции и началу фридмановского режима расширения.
Взаимодействия скалярного поля с полями электронов, кварков, глюонов, лептокварков и другими реальными и гипотетическими полями приводит к рождению обычной материи. Появляется горячая плазма, и вновь начинается эпоха степенного расширения, правда, со значением масштабного фактора, по крайней мере в $10^{30}$ раз большим, чем для предыдущей фридмановской эпохи. Вселенная приобретает скорость расширения, необходимую для того, чтобы продолжать его вплоть до современного момента времени.

Благодаря физическим процессам, протекающим на инфляционной стадии развития Вселенной, она имеет глобальную крупномасштабную структуру, обусловленную гравитационной неустойчивостью роста первоначально малых возмущений плотности. Генерация возмущений плотности из вакуумных колебаний скалярного поля происходит за счет его «скатывания» из неравновесного состояния в равновесное в конце стадии инфляции Вселенной. Рассмотрим две области пространства во Вселенной, имеющие различную величину скалярного поля, которая обеспечивается его нулевыми флуктуациями.

Наблюдательная астрономия и космологические экспери-менты подтвердили однородность нашей Вселенной лишь в среднем, в очень больших масштабах (L > 200 Мпс). С уменьшением масштабов структура Вселенной становится ярко выраженной: так, в масштабах L > 100 Мпс это сверхскопление и скопление га-лактик, в масштабах L = 100 – 10 кпс это сами галактики, в масштабах L = 1 пс – это шаровые звездные скопления и, наконец, звезды и планеты.
Распад ложного вакуума, произошедший после окончания инфляции, привел к выделению потенциальной энергии в виде горячей плазмы, состо-явшей из большого числа тяжелых элементарных частиц, природа которых и законы их взаимодействия сейчас нам неизвестны. Вместе с тем астрономические наблюдения показывают почти полное отсутствие в нашу эпоху во Вселенной антивещества, в про-тивном случае аннигиляция вещества и антивещества (сопровождающаяся выделением огромного количества энергии) была бы замечена. Другими словами, существование Вселенной и нас в ней обязано почти незаметному преобладанию в ней частиц над ан-тичастицами на ранней стадии эволюции.

В сценарии хаотического раздувания Вселенной области классического пространства-времени постоянно рождаются из пространственно-временной пены и вновь превращаются в нее. В силу этого рождение сингулярного пространства внутренне присуще этому сценарию, и вместо трагизма рождения мира из сингулярности, до которой ничего не существовало, мы имеем дело с бесконечным процессом взаимопревращений фаз (в которых малы и велики квантовые флуктуации метрики).

Космологическая революция наших дней привела к совер-шенно новому пониманию того, что представляет собой современная эпоха эволюции Вселенной. Как оказалось, в ней господствует космический вакуум с его антигравита-цией, заставляющей галактики с ускорением разбегаться друг от друга. Поток расши-рения своим происхождением, по мнению многих космологов, обязан первичному вакууму Вселенной, плотность которого изначально была исключительно высокой (на много порядков превышающей измеренную сейчас). Эволюционируя во времени, ваку-ум порождал «обычное» вещество и невакуумные формы материи и за очень короткое время (доли секунды) существования мира оставил после себя многокомпонентную космическую среду, содержащую взаимосогласованные друг с другом и симметричные по отношению друг к другу вакуум и невакуумные формы энергии (темное вещество, светящееся вещество звезд и галактик, ультрарелятивистская среда).

Измерение скорости удаления галактик на сегодняшний день задача решаемая - достаточно измерить красное смещение в спектре излучения их звезд. Гораздо труднее измерить расстояние до этих галактик. Для этого астрономам нужна т. н. стандартная свеча - объект с заведомо известной исходной светимостью. Сравнив энергию доходящего до нас излучения с исходной энергией, испускаемой таким объектом в пространство по всем направлениям и рассеивающейся в нем, мы можем оценить расстояние до него.
В 1990-е годы астрофизикам удалось наконец найти подходящую стандартную свечу - на эту роль идеально подошли сверхновые типа Ia (см. Космический треугольник). Использование этого метода дало, мягко выражаясь, озадачивающие результаты. Расширение Вселенной не просто не замедляется со временем - оно ускоряется! Судя по всему, имеется какая-то неизвестная нам сила, которая буквально растаскивает Вселенную на куски, - какая-то, по сути, антигравитация, причем настолько сильная, что она побеждает силу тяжести, и под ее воздействием галактики разлетаются с неуклонно возрастающей скоростью. И, стоило астрофизикам осознать этот факт, как им пришлось срочно реабилитировать опальную космологическую постоянную Λ. Вся космологическая теория была еще раз поставлена с ног на голову, и теперь физики-теоретики бьются над тем, как вернуть «грубейшую ошибку» Эйнштейна на законное место в своих теориях. Другой вопрос, навсегда ли космологическая постоянная возвращается в теоретическую физику.

Постулируя общую теорию относительности, Альберт Эйнштейн был уверен в стационарности Вселенной, то есть, в том, что положение галактик относительно друг друга практически не меняется. Однако он не мог не заметить, что в силу действия закона всемирного тяготения Ньютона Вселенная должна сжиматься, что противоречит здравому смыслу. Поэтому, чтобы уравновесить силы гравитации, ведущие Вселенную к неизбежному и скоропостижному коллапсу, Эйнштейну пришлось ввести в уравнения общей теории относительности дополнительное слагаемое - космологический член, своего рода антигравитационную поправку на необъяснимую силу отталкивания, буквально растаскивающую галактики и противодействующую силе их взаимного гравитационного притяжения. Эта сила, согласно Эйнштейну, возрастает с расстоянием с коэффициентом пропорциональности, равным так называемой космологической постоянной, которую ученый обозначил греческой прописной буквой Λ (лямбда).

Противореча, на первый взгляд, критерию красоты теории, эта добавка оказалась неизбежной с точки зрения сохранения ее непротиворечивости. Однако, после открытия явления расширения Вселенной (см. Закон Хаббла), Эйнштейн понял, что нужда в космологической постоянной отпала. Эйнштейн тут же исключил космологический член из своих уравнений и впоследствии неоднократно называл его первоначальное появление в них грубейшей из допущенных им за всю свою жизнь ошибок.
После этого почти до конца ХХ столетия космологическая постоянная впала в немилость в теоретической физике. Редкие смельчаки из числа физиков-теоретиков, пытавшихся хотя бы заикнуться об ее возвращении в модель устройства Вселенной для объяснения той или иной неразрешимой головоломки, немедленно подвергались жестокому высмеиванию со стороны коллег. А затем, в конце 1990-х годов история физики приняла неожиданный поворот, и Λ гордо вернулась на сцену и оказалась в центре всеобщего внимания.

Теория Большого взрыва неизбежно подразумевает вопрос: и чем всё это представление завершится? Либо разбегающиеся галактики в какой-то момент повернут вспять под воздействием сил гравитационного притяжения, и Вселенная сожмется обратно в точку в момент того, что иногда называют большой крах, по аналогии с большим взрывом; либо Вселенная так и будет расширяться до бесконечности во тьму пространства, пока не обратится в рассеянный холодный прах в результате тепловой смерти. Казалось бы, третьего не дано. Как правоверные христиане не видят для себя после смерти иной альтернативы, кроме попадания в рай или ад, все космологи строили догадки исключительно на предмет того, какая из двух судеб предначертана Вселенной.
Одним из методов получения ответа на этот вопрос явилось измерение скорости удаления галактик, отстоящих от Земли на самые большие расстояния - в миллиарды световых лет. Поскольку свет от них шел до Земли миллиарды лет, по доплеровскому смещению в их спектрах мы можем вычислить, с какой скоростью они удалялись миллиарды лет тому назад. Сравнив эту скорость с современной скоростью разбегания ближайших галактик, мы узнаем, насколько силы гравитационного притяжения успели замедлить расширение Вселенной, а там, можно надеяться, и вычислим ее судьбу.

И все было бы замечательно, если бы не одно крайне досадное обстоятельство – предложенная Эйнштейном система уравнений не имела решения! Точнее говоря, она допускала решение, которое Эйнштейн (а вслед за ним – все научное сообщество) счел неуместным. В публикации “О космологической проблеме” он писал: “Возражением против такого решения является то, что приходится вводить отрицательное давление, для чего нет никаких физических оснований”

Более разумным создатель теории относительности посчитал то, что впоследствии сам назвал своей “самой большой ошибкой (greatest blunder)”. Вместо отрицательного давления, о котором мы еще поговорим, он положил его нулевым, но ввел некоторый формальный параметр – так называемую “космологическую постоянную” Λ. Его рассуждения о необходимости такого шага в той же книге звучат так

“Вещество состоит из электрически заряженных частиц. В рамках теории Максвелла они не могут быть поняты как свободные от особенностей электромагнитные поля. Чтобы не противоречить фактам, в выражение для энергии необходимо ввести дополнительные члены, не содержащиеся в теории Максвелла, которые обеспечили бы устойчивость электрически заряженных частиц, несмотря на взаимное отталкивание составляющих их одноименно заря- женных частей. Именно в связи с этим Пуанкаре предположил, что внутри этих частиц имеется давление, которое и компенсирует электростатическое отталкивание. Нельзя, однако, определенно утверждать, что это давление исчезает вне частиц. Мы придем к согласию с этими представлениями, если в нашем феноменологическом рассмотрении добавим член, описывающий давление. Это давление, однако, не следует смешивать с гидродинамическим давлением, поскольку оно служит лишь энергетическим выражением ди- намических связей внутри вещества.”

Заметим, что Эйнштейн здесь совершенно ясно говорит о том, что “эффективное” давление, связанное с постоянной Λ, должно быть отрицательным и компенсировать “взаимное отталкивание частей”, т.е. способствовать их взаимному притяжению. Я хотел бы здесь сравнить слова Эйнштейна с цитатой из статьи [Чернин, 2008], где говорится: чтобы придать статичность

“своей космологической модели, Эйнштейну пришлось прибегнуть к дополнительному предположению о существовании в природе всеобщего отталкивания, способного компенсировать и уравновесить всемирное тяготение во Вселенной как в целом.”

Итак, Эйнштейн так или иначе использовал в своей модели отрицательное давление, хотя бы в виде его “заменителя” – космологической постоянной Λ. Что же на самом деле означает отрицательное давление, каковы его физические проявления? Вот что говорится в классических учебниках [Ландау и др., 1965, 1976]:

“В обычных условиях давление тел положительно, т.е. направлено так, как если бы тело стремилось расшириться. Это, однако, не обязательно, и тело может находиться также и в состояниях с отрицательными давлениями: в таких состояниях тело как бы “растянуто” и потому стремится сжаться. Например, отрицательным давлением может обладать перегретая жидкость; такая жидкость действует на ограничивающую ее поверхность с силой, направленной внутрь объема жидкости.” <.blockquote>

А теперь я призываю читателя мысленно окружить некоторый (конечный) объем пространства во Вселенной внешней границей, “забыть” о материи вне этого объема (например, если находится она далеко-далеко за пределами внешней границы, как это имеет, например, место для Солнечной системы) и посмотреть на поведение покоящейся материи внутри этого объема. Вы не поверите и, возможно, будете смеяться, но материя будет стремиться сжаться (т.е. действующая на нее сила будет направлена именно внутрь объема), и причина этого известна каждому школьнику – это всемирное тяготение. Таким образом, материя, вопреки невероятному заблуждению Эйнштейна, явным и несомненным образом демонстрирует отрицательное давление в качестве своего глобального и обязательного атрибута, который, кстати, никак не связан с компенсацией электрических сил взаимодействия частиц в атомах.

Просто удивительно, как легко последователи Эйнштейна приняли его тезис на веру. Например, автор [Толмен, 1974] обстоятельно разбирает вклад динамического давления (вызванный наличием скоростей у звезд, галактик, туманностей), но без тени сомнения не допускает возможности отрицательного статического давления материи.

Это возвращает нас к вопросу о целесообразности введения космологической постоянной. Приведенная мною аргументация, как мне кажется, неизбежно приводит к необходимости признания (объективно существующего) отрицательного давления в модели Эйнштейна, численное значение которого, разумеется, в точности совпадает с численным значением космологической постоянной. Определенное физическое обоснование отрицательности давления материи во Вселенной будет предложено ниже, в самом конце статьи.

Как известно, в 1922 году А.А. Фридман предложил нестационарное обобщение модели Вселенной Эйнштейна. Он не обсуждал смысл и целесообразность космологической постоянной, но показал, что в нестационарной модели решение существует, в том числе, если эту постоянную положить равной нулю. Это известие (после этапа первоначального недоверия) очень обрадовало Эйнштейна, который с облегчением “отозвал” свою идею и заклеймил ее, как ошибочную.

Между тем, ранняя и современная Вселенная – это две совершенно разные ее конфигурации, в которых действие физических законов также весьма различается. Достаточно сказать, что от текущей кривизны Вселенной непосредственно зависят компоненты фундаментального метрического тензора. Поэтому законы движения в ранней (с экстремальной кривизной) и современной (почти плоской) Вселенной радикально различны, а значит – время не однородно. Собственно говоря, тот же вывод следует и из общепринятой модели с космологической постоянной: решение зависит от времени, а ведь, кроме величин, описывающих это решение, никаких внешних сущностей модель не предусматривает.

Замечательный вариант, альтернативный к закону сохранения энергии Вселенной, дается решением, при котором возраст Вселенной всегда пропорционален ее радиусу (эмпирически найденным коэффициентом пропорциональности служит скорость света в вакууме). Он фактически определяет само время как универсальный феномен, связанный с расширением (или любым иным типом эволюции) Вселенной. Более того, именно это решение дает целую серию следствий, которые замечательным образом согласуются с имеющимися астрофизическими наблюдениями и в то же самое время не требуют никакой численной “подгонки” модели с излишними свободными параметрами. Кроме всего прочего, это решение очень естественно “стыкуется” (в логическом смысле) с известным решением Шварцшильда для материального однородного шара и его развитием для коллапсирующего гравитационного объекта конечных размеров.

В общепринятой космологической модели известна проблема “горизонта”, связанная с объяснением глобальной пространственной однородности Вселенной (горизонт удаляется быстрее, чем расширяется Вселенная). Однородность обычно объясняется с помощью гипотезы о существовании фазы инфляции, т.е. сверхбыстрого расширения Вселенной на ранних стадиях ее существования.

Интересным вопросом является вопрос «почему энергия, запасенная в вакууме, не гравитирует?», который был поставлен еще S.Weinberg и рассматривается активно до настоящего времени. Речь идет о введении Лоренц инвариантной переменной для вакуума (3 forms для вакуума уже вводились Хоукингом), которая позволяет обсуждать термодинамические свойства вакуума, такие как стабильность, сжимаемость, термодинамический отклик на возмущения. В квантовом вакууме (а такой момент был при рождении Вселенной) Лоренц инвариантность также подразумевается. Вообще говоря, вакуум – многокомпонентная система (это идея А.Д.Сахарова) и проблема – как «занулить» эту систему. Возможно с этим связана и идея самоорганизации вакуума, которая высказывалась нами в работах. Легко догадаться, что в низкоэнергетической части основной вклад в вакуумную энергию идет от макроскопических бозонных квантовых полей и от «разрешенных» фермионных полей. Эти вклады квадратично расходятся при приближении к Планковской шкале, образуя огромную вакуумную энергию. Или же это симметрийные соображения, тогда как их применить к вакууму? Вероятно, необходимо учесть более аккуратно микроскопические степени свободы и гравитацию и кроме того, для квантового вакуума его энергия – пропорциональна объему (хотя в ранней Вселенной квантовый вакуум не мог быть равновесным!). Сделаем еще одно важное отвлечение, связанное с новым определением вакуума.

О проблеме “плоскостности” Вселенной. Экспериментальные результаты вроде бы говорят о том, что полная средняя плотность во Вселенной практически равна значению критической плотности, из чего (в соответствии с моделью Фридмана) делается вывод о том, что в настоящую эпоху Вселенная является плоской. Между тем в рамках предлагаемого подхода вывод иной: метрика Вселенной все время имеет положительную кривизну, но ее плотность неизменно равна удвоенному критическому значению. Такое расхождение с данными астрофизических наблюдений может свидетельствовать

В 1917 году Альберт Эйнштейн “впервые применил свою только что созданную общую теорию относительности к задаче о мире как целом”. Он рассмотрел Вселенную как замкнутую на себя среду, заполненную однородной (в больших масштабах) материей с некоторой ненулевой средней плотностью, и сформулировал соответствующую систему уравнений. Роль пространственных граничных условий сыграла гипотеза о замкнутости Вселенной на себя (т.е. отсутствие у нее каких-либо внешних границ). Что касается возможности эволюции Вселенной во времени, то Эйнштейн тогда ее не рассматривал, поскольку до открытия Хаббла оставалось еще много времени, и концепция статичности казалась наиболее естественной.

И все было бы замечательно, если бы не одно крайне досадное обстоятельство – предложенная Эйнштейном система уравнений не имела решения! Точнее говоря, она допускала решение, которое Эйнштейн (а вслед за ним – все научное сообщество) счел неуместным. В публикации “О космологической проблеме” [Эйнштейн, 1953] он писал: “Возражением против такого решения является то, что приходится вводить отрицательное давление, для чего нет никаких физических оснований”.

Введение в научный обиход представления о существовании в природе темной энергии - слабовзаимодействующей физической субстанции, пронизывающей все пространство видимой Вселенной, - явилось сенсацией номер один в физике на рубеже XX XXI вв. и стало неожиданностью для большинства исследователей, в особенности работающих на стыке физики элементарных частиц и космологии.

Дело в том, что известные энергетические масштабы, характерные для фундаментальных взаимодействий, составляют величины порядка 1 ГэВ (сильные взаимодействия), 100 ГэВ (электрослабые взаимодействия) и $10^{19}$ ГэВ (гравитационные взаимодействия), и не было никаких оснований думать, что в природе имеется еще один, гораздо меньший масштаб энергий. Однако оказалось, что темная энергия характеризуется масштабом $E_v\sim 10^{-3}$ эВ, определяемым тем, что плотность темной энергии равна $\rho_v=E_v^4$.

Кроме того, в пределах одного порядка величины в современной Вселенной имеется приближенное равенство $\rho_v\sim\rho_D\sim\rho_B$ (1) где $\rho_D$ и $\rho_B$ - плотности массы темной материи и барионов (протонов, ядер) соответственно.

Для этого равенства опять-таки не было (и нет) никаких сколько-нибудь очевидных априорных оснований. Подчеркнем, что приближенное соотношение $\rho_D\approx\rho_B$ справедливо в каждый момент космологической эволюции после образования барионной асимметрии и генерации темной материи, поскольку $\rho_D$ и $\rho_B$ одинаковым образом - и довольно быстро - уменьшаются при расширении Вселенной. С другой стороны, pv очень слабо зависит или вообще не зависит от времени, так что первое из равенств справедливо именно в современную эпоху, после того как возникла структура во Вселенной и появились звезды. Конечно, трудно смириться с тем, что соотношение $\rho_v\sim\rho_D\sim\rho_B$ носит характер случайного совпадения.

Стандартная Модель частиц и их взаимодействий также является хорошо установленной моделью, которая способна учесть все экспериментальные физические данные. В этой модели имеются вклады в космологическую постоянную. Это обусловлено тем, что она основана на квантовых полях, которые в вакууме испытывают флуктуации вокруг своих минимальных значений, что и дает вклад в вакуумную энергию. Поскольку мы измеряем лишь разности энергии, то мы можем вычесть вклады этих типов, и нас не должно удивлять выполнение таких операций, как перенормировка. Однако эта процедура становится невозможной в присутствии гравитации для абсолютных значений энергии материи. Тогда следует выводить собственно значение космологической константы из флуктуаций нулевых колебаний вакуума.

В течение многих лет известно, что полученный вклад на много порядков амплитуды превышает наблюдаемое значение. Решение этой проблемы представляет собой вызов, стоящий перед физикой. Данная проблема основывается на предположении, что вакуумные флуктуации обладают теми же гравитационными свойствами, как и все другие формы материи. Поскольку нет априорных доводов принять или отвергнуть это предположение, желательно проверить его экспериментально. Такая попытка может казаться фантастической, но в данной статье мы увидим, что это может быть возможным.

Часто утверждается, что экспериментальное обоснование для наличия электромагнитных флуктуаций вакуума связано с проверкой эффекта Казимира в лаборатории . Действительно, сила Казимира может быть выведена из рассмотрения разности вкладов в энергию вакуума в двух физических ситуациях. Отсюда следует, что мы измеряем не абсолютное значение энергии вакуума, а разности энергий. Даже если так, все же интересно изучить гравитационные свойства энергии Казимира. Это было сделано теоретически в, был сделан вывод, что энергия Казимира гравитирует в соответствии с принципом эквивалентности.

Измерение и теоретическое предсказание лэмбовского сдвига (LS) энергии исторически рассмотрено в квантовой теории поля . С учетом силы Казимира энергия LS может также рассматриваться как тест существования вакуумных флуктуаций электромагнитного поля. Возможно, это не вполне ясно из оригинального сочинения Бете , но очевидно следует из вычислений Велтона . Он вывел формулу для LS, отвечающую главному вкладу – см. ниже соотношение (3) – учитывающую эффект флуктуаций электромагнитного поля для электрона. Возможно, это еще яснее показано в труде который исходил из предположений Фейнмана. Вывод LS основан на анализе изменения энергии нулевых колебаний поля в ящике, содержащем атом, по сравнению с тем же ящиком без атомов, при этом снова получается в точности обычная формула для LS. этот вывод имеет поразительное сходство с обычным выводом энергии нулевых колебаний для эффекта Казимира.

Существуют учебники по квантовой теории поля, где дается обзор всех этих подходов. В учебнике там мы можем найти анализ со специальным ударением на связи с вакуумными флуктуациями. Точка зрения, согласно которой эффект Казимира является однозначным свидетельством в пользу вакуумных флуктуаций, обсуждалась Яффе. Действительно, он вычислил эффект без какой-либо связи с вакуумом. Хотя нам не известно о подобном расчете для LS, разумная позиция должна состоять в следующем. Даже если LS может быть вычислен как следствие вакуумных флуктуаций, то все же это следует рассматривать лишь как гипотезу. Приняв эту гипотезу, очевидно, имеет смысл проверить гравитационные свойства энергии LS. В следующем разделе мы показываем, как проверить справедливость принципа эквивалентности для энергии LS.

Помимо дипольной составляющей, анизотропия характеризуется также моментами более высоких порядков. Величины этих моментов зависят от того, конечной или нет является реальная Вселенная. В предложенной мной модели Вселенная конечна. Между тем [Чернин, 2008], данные, полученные спутником WMAP относительно анизотропии реликтового излучения “находятся, как выяснилось, в некотором противоречии с теоретическими ожиданиями, основанными на предположении о том, что объем трехмерного сопутствующего пространства является бесконечным. Именно, измеренный квадруполь оказался в 5 – 7 раз слабее ожидаемого для бесконечного пространства; октуполь – на 30 % слабее …”. Кроме того, и на спектре температуры, и на спектре кросс-корреляции между температурой и E-модой поляризации реликтового излучения имеется пик для момента, приблизительно равного 4. Стандартные модели не могут дать удовлетворительного объяснения этому явлению. В то же время предложенная мной модель предсказывает наличие именно такого пика и объясняет его существованием старейших реликтовых фотонов, совершивших полное “кругосветное” путешествие вдоль расширяющейся Вселенной и успевших пройти дополнительное угловое расстояние порядка 40°.

Остановимся на математическом формализме физических теорий, который строится на исходных постулатах квантовой механики. Прежде всего отметим, что исходные постулаты квантовой механики не укладываются в рамки обычного «здравого смысла» и даже не имеют фактически никакого разумного объяснения. Они вводятся в теорию на основании опыта как некоторые специальные свойства микромира, например, волновые свойства микрочастиц вещества, вероятностный характер их движения и т.д..

Следует отметить, что в течение последних десятилетий физика, являющаяся главной наукой о природе, приобретала все более формальный характер. Теории фундаментальной физики все в большей степени стали напоминать различные разделы математики. Это относится, прежде всего, к группам симметрии SU(2), SU(3) и т.д., к калибровочным полям, используемым при классификации элементарных частиц и описании фундаментальных взаимодействий. Так, некоторые квантовые числа, характеризующие элементарные частицы, вообще не имеют никакого физического смысла и вводятся абсолютно формально, например, «странность», «очарование», «прелесть» и т.п..

Подчеркнем, что точечных частиц в природе вообще не существует. Доводы физиков−теоретиков, отстаивающих точечную природу фундаментальных частиц, в частности электронов, основываются на результатах экспериментов, не обнаруживающих их структуры. В результате понятие точечного электрона ближе математике и чуждо физике. Такое понятие вызывает очевидные трудности в теории, поскольку энергия такого объекта должна быть бесконечной

Анализ строения элементарных частиц показывает, что широко используемое в фундаментальной физике понятие кварка может рассматриваться как весьма условное. Ввиду этого в физике возникло большое количество сортов кварков, характеризуемых различными квантовыми характеристиками. Было установлено, что существуют колебания довольно низкой частоты из-за разности масс нейтрона и протона, обеспечивающие эффективный обмен энергией этих частиц с электроном. Две с половиной частоты электрона в точности соответствуют указанной разности масс. Следствием этого резонансного взаимодействия являются устойчивость и распространенность электронов в природе.

Отмеченная выше ошибочная тенденция отождествления математического аппа- рата и методик расчета с физической сущностью тормозит поиски других, отличных от общепринятых точек зрения, и может существенным образом отодвинуть по времени наступление нового этапа в понимании закономерностей микромира. Интересно отме- тить, что насколько трудно было в начале прошлого века воспринять «абсурдные» представления, входившие в науку, настолько же трудно теперь взглянуть на них кри- тически и перейти к исследованию причин этого «абсурда».

Рассмотрим стержневую теорию современной физики − квантовую электродина- мику. Следует особо отметить, что квантовая электродинамика экспериментально про- верена с большой точностью. Однако это свидетельствует лишь о том, что в этой тео- рии используется правильное математическое разложение реальных процессов на неко- торые составляющие. Можно с очень большой точностью проверить адекватность раз- ложения реальной зависимости в ряд Фурье, однако из этого не следует, что природа действует или устроена в соответствии с придуманным нами математическим приемом. Следует отметить, что квантовая электродинамика обладает всеми признаками такого математического приема. Диаграммы Фейнмана фактически являются элемен- тами разложения на базовые составляющие, включая самые невероятные, но оправдан- ные с точки зрения математического формализма варианты, в частности излучение и последующее поглощение фотона электроном, или варианты с отрицательным направ- лением времени

Отметим, что дальнейшее продвижение по пути математического формализма в анализе явлений микромира становится все более затруднительным. Так, Р. Фейнман от- мечал, что объединение в единую квантовую теорию квантовой электродинамики и тео- рии слабых взаимодействий С. Вайнберга, Ш. Глэшоу и А. Салама через W-бозоны сшито «белыми нитками». Совершенно очевидно, что фотон и 3 W-бозона каким-то об- разом связаны, однако на современном уровне знаний эта связь явно не видна; все еще мешают «швы» в физических теориях. Аналогичным образом обстоят дела и в глюонной теории, которая формально не сильно отличается от квантовой электродинамики.

Р. Фейнман отмечает, что одной из причин такого положения дел является тот факт, что константа связи для глюонов g значительно превосходит константу связи для электронов . Далее Р. Фейнман отмечает, что не существует теории, адекватно объяс- няющей величины наблюдаемых масс частиц − m. Аналогичная ситуация и с константой связи фотона и электрона, которая выражается через постоянную тонкой структуры. Таким образом, элементарные состояния природы и их характеристики, по кото- рым в квантовой электродинамике и других теориях осуществляются разложение и ана- лиз физических явлений, является проблемой, требующей отдельного решения. В связи с этим возникает вопрос: возможно ли решение этой проблемы в рамках самой квантовой теории? Ответ на этот вопрос следующий: квантовая механика и кван- товая электродинамика оперируют с заданными на основе экспериментов характери- стиками объектов, и было бы нелогично ожидать, что они могут познать сами себя. По- пытки такого рода дают либо бессмысленные результаты в виде бесконечностей, либо приводят к необходимости искусственных ограничений и перенормировок . Возни- кающее при этом понятие точечного электрона и других истинно элементарных частиц не выдерживает никакой критики и поддается только математическому определению, не имеющему физического смысла.

Пожалуй, плотность - это то, что как раз лучше всего известно об этой компоненте космической среды. Темное вещество не излучает ни света, ни других электромагнитных волн, и вообще практически не взаимодействует с электромагнитным излучением. В нашей Галактике темного вещества приблизительно в 10 раз больше, чем светящегося вещества звезд. Оно образует обширную невидимую корону, или гало, вокруг звездного диска Млечного Пути. Подобные темные гало имеются, по-видимому, у всех достаточно массивных изолированных галактик. Темное вещество содержится также в группах галактик и в самых больших космических системах - скоплениях и сверхскоплениях галактик. Как и в нашей Галактике, темное вещество составляет до 90 %, а иногда и более, полной массы всех этих систем. Оно проявляется только благодаря создаваемому им тяготению, и именно по своему гравитационному эффекту оно и было впервые обнаружено (точнее, заподозрено) еще в 1930-е годы Ф. Цвикки, который изучал кинематику и динамику богатого скопления галактик в созвездии Кома (или Волосы Вероники). Галактики в этом скоплении движутся со скоростями около тысячи километров в секунду, и при таких скоростях удержать их в наблюдаемом объеме скопления можно лишь при условии, что полная масса скопления раз в десять больше суммарной массы составляющих его галактик.

Замечу о плоскости Вселенной. Изнутри Вселенной никакой кривизны, даже очень нелинейной, пространства заметить невозможно, поскольку пропорционально деформируются "линейки" и эталоны. ОТО же - взгляд на наш мир именно из четвертого, а то и пятого измерения. Поэтому в ней нет ни гравитации, ни других полей, которые при проекции на высшие измерения превращаются в нематериальные, с отсутствием некоторых измерений, геодезические и мировые линии. То есть это математика из метавселенной, верная... но материально ненаполненая. Геометрия.

Для вывода формул можно пользоваться окружением "$$" и \TeX разметкой.

Наука выделяет четыре основных пути, на которых Вселенная может встретить свою судьбу:

1. Большое Замерзание.
2. Большой Хруст.
3. Большое Изменение.
4. Большой Разрыв.

Первый намек на возможный конец Вселенной приходит к нам из термодинамики, науке о тепле. Термодинамика — это такой проповедник физики с дикими глазами, который держит картонный транспарант с простым предупреждением: «Тепловая смерть грядет».

Несмотря на свое название, тепловая смерть Вселенной не представляется огненным адом. Напротив, это смерть всех уровней тепла. Звучит не очень страшно, но тепловая смерть — это хуже, чем запечься до корочки. Это потому, что почти все в повседневной жизни требует определенных разниц температур, прямо или косвенно. Когда Вселенная достигнет тепловой смерти, везде будет одна температура. Это означает, что ничего интересного больше никогда не произойдет. Все звезды умрут, вся материя распадется, все превратится в редкий бульон из частиц и излучения. Даже энергия этого бульона будет уменьшаться с течением времени в результате расширения Вселенной, оставляя все с температурой едва ли выше абсолютного нуля.

В этом процессе Большого Замерзания Вселенная станет равномерно холодной, мертвой и пустой.

Общая теория относительности говорит, что материя и энергия искривляют пространство и время. Это отношение между пространством-временем и материей-энергии — между сценой и актерами на ней — распространяется на всю Вселенную. Все, что есть во Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяет конечную судьбу самой Вселенной.

Если Вселенная расширяется, когда-то она должна была быть меньше, чем сейчас. Понимание этого привело к появлению теории Большого Взрыва: идеи о том, что Вселенная началась с невероятно малой точки и быстро расширилась. Мы можем увидеть это по «послесвечению» Большого Взрыва — в качестве космического микроволнового фона — постоянного потока радиоволн, идущих со всех направлений в небе.

Для Вселенной, содержащей обычную «начинку» — материю и свет, — ответ на вопрос зависит от количества этой начинки. Больше начинки — значит, больше гравитации, которая стягивает все назад и замедляет расширение. Пока количество начинки не превосходит критический порог, Вселенная будет расширяться вечно и в конечном итоге умрет тепловой смертью.

Обычная материя и энергия не могли бы повлиять на Вселенную таким образом. Это стало первым свидетельством существования нового фундаментального вида энергии, «темной энергии», поведение которой совершенно загадочно для нас.

В классическом научно-фантастическом романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки», «лед-девять» представляет собой новую форму водяного льда с интересными свойствами: он образуется при температуре 46 градусов, а не 0. Если кристалл льда-девять уронить в стакан с водой, вода вокруг кристалла примет его форму, так как его энергия ниже, чем у жидкой воды. Новые кристаллы льда-девять будут проделывать то же самое с водой вокруг себя, и в мгновение ока цепная реакция превратит всю воду в стакане — или в океанах Земли — в твердый лед-девять.

После Большого Изменения и темная энергия будет вести себя по-другому. Вместо того чтобы подталкивать расширение Вселенной, темная энергия может внезапно свернуть Вселенную саму в себя, заставив ее коллапсировать в Большом Сжатии.
Есть и четвертая возможность, и опять темная энергия занимает центральное место. Эта идея очень спорная и невероятная, но не стоит сбрасывать ее со счетов. Темная энергия может быть намного мощнее, чем мы думаем, и сама по себе привести Вселенную к концу без всяких Больших Изменений, Замерзаний и Сжатий.

Но это довольно мрачный портрет будущего — века холодной пустоты, которые ждут вакуумного распада и финального взрыва, переходящего в небытие. Есть ли какой-нибудь другой вариант? Или мы обречены?

«Если Вселенная ускоряется, это плохие новости, — говорит Дайсон. Ускоренное расширение означает, что мы в конечном итоге потеряем контакт со всем, кроме горстки галактик, что резко ограничит количество доступной нам энергии. — В долгосрочной перспективе такая ситуация будет весьма печальной».

Однако положение вещей может измениться. «Мы на самом деле не знаем, будет ли расширение продолжаться и почему оно ускоряется, — говорит Дайсон. — Оптимистичный взгляд на вещи состоит в том, что ускорение будет замедляться по мере расширения Вселенной. Если это произойдет, будущее будет более благоприятным».

Один из физиков, работавших над этой идее, это небезызвестный Алан Гут из Массачусетского технологического института в Кембридже; он известен своими работами на тему юной Вселенной.
«Не могу сказать, что законы физики допускают возможность такого, — говорит Гут. — Если это возможно, потребуются технологии, выходящие за пределы всего, что мы можем представить. Это потребует гигантского количества энергии, которую еще нужно будет добыть и удержать».

Первый шаг, по мнению Гута, заключается в создании невероятной плотной формы материи — такой плотной, что она будет на грани коллапса в черную дыру. Если сделать это правильно, а затем быстро убрать материю за пределами этого сгустка, можно получить регион пространства, который начнет быстро расширяться.

Впрочем, у Гута есть другой источник надежды на лучшую судьбу для нашего мира — проблеск надежды. Гут первым предположил, что в самой юности Вселенная расширилась чрезвычайно быстро за долю секунды, эта идея известна как «инфляция». Многие космологи считают, что инфляция является самым точным описанием расширения юной Вселенной, и Гут предлагает создать новую Вселенную, опираясь именно на этот процесс быстрого расширения.

Инфляция имеет интригующие последствия для конечной судьбы Вселенной. Согласно этой теории, наша Вселенная — это малая часть мультивселенной, множества карманных вселенных, которые плавают вокруг.

«В таком случае, даже если мы убедимся, что наша отдельная Вселенная умрет в процессе замерзания, мультивселенная будет жить вечно, и новая жизнь будет рождаться в каждой отдельной карманной Вселенной, — говорит Гут. — Мультивселенная воистину бесконечная, а в бесконечном будущем отдельные Вселенные могут жить и умирать сколько им вздумается».

В общем, ничего хорошего нас не ждет.

Один из важнейших фактов, надежно установленных астрофизикой, сам факт эволюции Вселенной, ее направленное развитие вместо рисовавшихся ранее вечно повторяющихся процессов на неизменной в среднем "сцене". Вселенная расширяется, ее самые крупные структурные единицы - скопления галактик - удаляются друг от друга, и средняя плотность вещества уменьшается. Около 15 миллиардов лет назад эта плотность была необычайно велика, не было отдельных небесных тел, и вся материя представляла собой быстро расширяющуюся очень горячую плазму.

Теоретическая астрофизика, воссоздала картину первых минут после начала расширения Вселенной, когда в Плазме при температуре миллиард градусов происходили процессы синтеза легких химических элементов. То, что картина воссоздана точно, сейчас уже не вызывает сомнений, один из неотвратимых аргументов "за" - наблюдаемое сейчас соотношение между количеством гелия и водорода. Успехи физики элементарных частиц позволяют заглянуть в еще более горячее прошлое, когда температуры достигали 10 28 К, а время от начала расширения составляло 10 -35 секунды.

Мы изучаем прошлое, чтобы лучше понять настоящее и будущее, а близкое и отдаленное будущее человечества, будущее разума во многом зависит от будущего природы, от судеб Земли, Солнца, Галактики, Вселенной.

Изучение будущего Вселенной принципиально отличается от изучения прошлого. Прошлое оставило свои следы, и, обнаруживая их, мы проверяем правильность своих представлений. Картины будущего - это всегда экстраполяция - прямая проверка здесь невозможна. И тем не менее сегодня фундамент физических и астрофизических знаний настолько прочен, что позволяет с достаточной уверенностью рассматривать отдаленное будущее Вселенной. Этому посвящено уже немало работ, они и легли в основу нашего рассказа.

Прежде всего, конечно, возникает вопрос: неограниченно ли будет продолжаться расширение Вселенной? Ответ в принципе прост: если плотность материи во Вселенной достаточно велика, то силы тяготения в итоге остановят ее расширение, и оно сменится сжатием. Если плотность мала, то сил тяготения недостаточно, чтобы остановить расширение. Астрофизические наблюдения показывают, что средняя плотность видимого вещества во Вселенной примерно в 30 раз меньше критического значения (около 10 -29 г/см3 при современной скорости расширения), отделяющего один вариант будущего от другого.

Предположим сначала первый вариант - Вселенная расширяется неограниченно. Какие же процессы произойдут в этой неограниченно расширяющейся Вселенной? Первый из таких процессов сейчас ни у кого не вызывает сомнений - звезды погаснут. Солнце закончит свою активную эволюцию через несколько миллиардов лет и превратится в белый карлик размером с Землю, который будет постепенно остывать (см. цветную вкладку). Звезды массивнее Солнца проживут еще меньше п в зависимости от массы в конце концов превратятся либо в нейтронные звезды с поперечником всего в десятки километров, либо в черные дыры - объекты со столь сильным гравитационным полем, что оно не выпускает даже свет. Наконец, возможен катастрофический взрыв в конце "жизненного пути" звезды с полным ее разрушением. Звезды менее массивные, чем Солнце, живут дольше, но и они рано или поздно превращаются в остывшие карлики. В наше время возникают и новые звезды из межзвездной среды (по мнению академика В. А. Амбарцумяна, звезды возникают из сверхплотных тел). Настанет время, когда необходимые запасы ядерной энергии и вещества будут исчерпаны, новые звезды рождаться не будут, а старые превратятся в холодные тела или черные дыры. Звездная эра эволюции Вселенной закончится через 10 14 лет. Этот срок огромен, он в 10 тысяч раз больше времени, прошедшего от начала расширения Вселенной до наших дней.

А теперь о судьбах галактик. Звездные системы - галактики - состоят из сотен миллиардов звезд. В центрах галактик, вероятно, находятся сверхмассивные черные дыры, о чем свидетельствуют бурные процессы вокруг них, наблюдаемые астрофизиками. Для будущего галактик существенны очень редкие в наше время события, когда какая-либо звезда приобретает большую скорость в результате гравитационного взаимодействия с другими звездами и превращается в межгалактического странника. Звезды постепенно будут покидать галактику, а ее центральная часть будет понемногу сжиматься. Конечный этап - это сверхмассивная черная дыра, поглотившая остатки звезд центральной части галактики, и рассеивание примерно 90 процентов всех звезд в пространстве. Процесс разрушения галактик закончится примерно через 10 19 лет, все звезды к этому времени давно погаснут и потеряют право именоваться звездами.

Для дальнейших процессов определяющей является предсказываемая современной физикой нестабильность ядерного вещества. Имеется в виду, что протон хотя и очень долго живущая, но все же нестабильная частица. Среднее время его жизни оценивается примерно в 10 32 лет. Конечный продукт распада протона - один позитрон, излучение в виде фотонов, нейтрино и, возможно, одна или несколько электронно-по-зитронных пар. Хотя распад протона еще не наблюдался непосредственно, мало кто из физиков сомневается в неизбежности такого процесса. Нейтроны тоже нестабильны - в составе ядра они распадаются подобно протону, а в свободном состоянии в среднем за 15 минут распадаются на протон, электрон и антинейтрино.

Итак, примерно через 10 32 лет (обозначим это время как T r) ядерное вещество полностью распадется. Нораспад ядерного вещества уже задолго до этого срока начнет играть важную роль в эволюции Вселенной. Позитроны, возникающие при распаде нуклонов (это общее название протонов и нейтронов), аннигилируют с электронами, превращаясь в фотоны, которые вместе с фотонами, прямо возникающими при распаде нуклона, нагревают вещество. Только нейтрино свободно покидают звезду и уносят около 30 процентов всей энергии распада. Процесс распада будет поддерживать температуру умерших звезд и планет на уровне хоть и низком, но все же заметно отличном от абсолютного нуля. Так, белые карлики, остыв за 10 17 лет до температуры 5 К, будут потом сохранять эту температуру из-за выделения энергии при распаде вещества внутри них. Нейтронные звезды остывают за 10 19 лет до температуры около 100 К, после чего распад вещества в них будет поддерживать эту температуру (см. нижний график на цветной вкладке; изменение массы М, радиуса R и температуры Т умерших звезд в ходе распада ядерного вещества показано в сравнении с их начальными параметрами М 0 , R 0 и Т 0 , нейтронные звезды после уменьшения массы М примерно в 10 раз, то есть при М/М 0 ~0,1, взрываются).

Спустя 10 32 лет (T r) все ядерное вещество полностью распадется, звезды и планеты превратятся в фотоны и нейтрино.

Несколько иная судьба у рассеянного в пространстве газа, который останется после разрушения галактик (по массе он может составить около процента всего вещества Вселенной). Ядерное вещество этого газа тоже, разумеется, распадется через тр лет. Однако в этом случае позитроны, возникающие при распаде, уже не будут аннигилировать с электронами - из-за крайней разреженности газа вероятность встречи частиц чрезвычайно мала, и в результате образуется разреженная электронно-позитронная плазма.

К этому времени (T r) останутся еще черные дыры, возникшие из массивных звезд после их угасания, и сверхмассивные черные дыры, образовавшиеся в центрах галактик, о их судьбе мы скажем немного позже.

Что же будет происходить со Вселенной после распада ядерного вещества? В ту далекую эпоху во Вселенной будут присутствовать фотоны, нейтрино, электронно-пози-Тронная плазма и черные дыры. Основная часть массы окажется сосредоточенной в фотонах и нейтрино - начнется эра излучения.

С расширением Вселенной плотность массы излучения (фотонов и нейтрино) падает пропорционально четвертой степени размера (например, среднего расстояния между частицами), так как меняется и плотность числа частиц обратно пропорционально объему (куб размера) и энергия каждого кванта (а значит, и его масса) обратно пропорционально этому размеру. В отличие от излучения средняя плотность материи в виде электронно-позитронной плазмы и черных дыр убывает только из-за уменьшения их концентрации, то есть пропорционально кубу размера. Значит, плотность этих видов материи убывает медленнее, чем плотность излучения. Поэтому через время порядка 10 T r плотность материи уже будет определяться главным образом массой, заключенной в черных дырах (ее гораздо больше, чем в электронно-позитронной плазме). На смену эре излучения придет эра черных дыр.

Но и черные дыры не вечны. В поле тяготения вблизи черной дыры происходит рождение частиц, причем у черных дыр с массой порядка звездной и больше возникают кванты излучения. Такой процесс ведет к уменьшению массы черной дыры, она постепенно превращается в излучение - в фотоны, нейтрино), гравитоны. Но процесс этот чрезвычайно медленный, скажем, черная дыра с массой в 10 масс Солнца испарится за 10 69 лет, а сверхмассивная черная дыра, масса которой еще в миллиард раз больше, - за 10 69 лет. И все же постепенно все черные дыры превратятся в излучение, и оно вновь станет доминирующим по массе во Вселенной - снова наступит эра излучения. Однако вследствие расширения Вселенной плотность излучения, как уже говорилось, падает быстрее плотности электронно-позитронной плазмы, и через 10100 лет станет доминирующей именно эта плазма - кроме нее, во Вселенной не останется практически ничего.

На первый взгляд картина эволюции Вселенной в отдаленном будущем выглядит весьма пессимистически. Это картина постепенного распада, деградации, рассеяния.

К возрасту Вселенной 10 100 лет в мире останутся практически только электроны и позитроны, рассеянные в пространстве с ужасающе ничтожной плотностью: одна частица приходится на объем, равный 10 185 объемам всей видимой сегодня Вселенной. Означает ли это, что в будущем замрут все процессы, не будет происходить активных движений физических форм материи, невозможно будет существование каких-либо сложных систем, а тем более разума в какой бы то ни было форме? Нет, такой вывод был бы неверен. Конечно, с нашей сегодняшней точки зрения все процессы в будущем будут чрезвычайно замедлены, но ведь и пространственные масштабы тогда будут иными. Напомним, что в самом начале расширения Вселенной, когда температура была, например, 10 28 К и происходили процессы рождения вещества, текли бурные реакции, продолжительность которых исчислялась 10 -35 с, а пространственные масштабы были порядка 10 25 см. В подобных масштабах сегодняшние события во Вселенной, в том числе и наша жизнь, это нечто невероятно медленное, и чрезвычайно растянутое в пространстве По мнению известного американского физика Дайсона, в любом отдаленном будущем возможны будут сложные формы движения материи и даже разумная жизнь правда, в непривычных для нас формах и "пульс жизни будет биться все медленнее, но никогда не остановится".

Добавим к этому следующее: пока у нас речь шла о процессах, которые вытекают из надежно установленных физических законов, однако в будущем возникнут физические условия, недоступные нам в эксперименте (сверхнизкие температуры, малые плотности и т. д.), и вполне возможно проявление сил, возникновение процессов, совершенно нам пока неизвестных. А эти силы и процессы могут в корне изменить ситуацию.

Вот один из таких возможных процессов - распад вакуума, его превращение в расширяющейся Вселенной в реальное вещество. В прошлом, в упоминавшуюся уже эпоху 10 -35 секунды после начала расширения, - вакуум, вероятно, уже распадался, порождая частицы и античастицы больших энергий. Эта энергия соответствовала температуре 10 28 К, а плотность вещества составляла 10 75 г/см3. В современном вакууме (в том, что в просторечии называется пустотой) тоже, возможно, заключена некоторая плотность энергии. Но она если и есть, то очень мала и соответствует плотности массы не более чем 10 -28 г/см3, а может быть даже существенно меньше. Обнаружить такую плотность даже в астрономических наблюдениях крайне трудно. Теория полагает вероятным, что плотность массы вакуума в далеком будущем скачком перейдет в реальные частицы и античастицы, давая начало новым физическим процессам. Родившееся при этом вещество будет, конечно, разреженным, но все же несравненно более плотным, чем оставшееся к тому времени рассеянное вследствие расширения Вселенной "наше" вещество. Подобный "фазовый переход" вакуума может быть чрезвычайно существенным для судеб Вселенной. Так, в принципе этот переход может остановить расширение Вселенной и сменить его сжатием. Ясно, что при этом вся нарисованная нами картина будущего Вселенной изменится в корне.

И еще одно замечание. Речь шла о будущем Вселенной с учетом того, что нейтрино всех сортов представляют собой излучение,- предполагалось, что эти частицы подобно фотонам имеют массу только потому, что всегда движутся со световой скоростью, а их масса покоя равна нулю. В современной физике считается весьма вероятным, что масса покоя нейтрино хоть и очень мала, но не нулевая.

Влияния этого факта на судьбы Вселенной могут быть двоякого рода. Если масса покоя нейтрино очень мала, скажем, в сотни тысяч раз меньше массы электрона, то тяготение, создаваемое этой частицей в масштабах Вселенной, тоже очень мало и не оказывает никакого действия на темпы расширения. Однако в отдаленном будущем плотность массы нейтрино будет падать не как плотность массы фотонов (которая, как мы помним, обратно пропорциональна четвертой степени размера), а как плотность массы обычных частиц (обратно пропорционально кубу размера) и в электронно-позитронной плазме будет постоянная малая примесь нейтрино (и антинейтрино), имеющих массу покоя. Если же окажется, что масса покоя нейтрино близка к предсказываемому верхнему возможному пределу (примерно 0,00005 массы электрона), то суммарная масса всех этих частиц во Вселенной получится чрезвычайно большой, а средняя плотность вещества превысит критическую (10 -29 г/см3), и в будущем тяготение нейтрино остановит расширение Вселенной. Это может случиться гораздо раньше, чем распадется все ядерное вещество, и даже раньше, чем погаснут. все звезды. Тогда в будущем Вселенную снова ожидает сверхгорячая фаза со сверхбурными физическими процессами.

Как видите, в любом возможном сценарии эволюции Вселенной ее будущее представляется захватывающе интересным и многообразным. Но, конечно же, серьезные изменения во Вселенной (по сравнению с нынешним ее состоянием) во всех случаях могут начаться очень нескоро, не только в житейских, но и астрономических масштабах, как минимум через десятки, а может быть, тысячи миллиардов лет. Это во много раз больше нынешнего возраста видимой нами Вселенной, которой никак не больше 10 - 15 миллиардов лет от начала расширения.

Бу́дущее Вселе́нной - вопрос, рассматриваемый в рамках физической космологии . Различными научными теориями предсказано множество возможных вариантов будущего, среди которых есть мнения как об уничтожении, так и о бесконечной жизни Вселенной.

После того как теория о создании Вселенной посредством Большого взрыва и её последующем быстром расширении была принята большинством учёных, будущее Вселенной стало вопросом космологии, рассматриваемым с разных точек зрения в зависимости от физических свойств Вселенной: её массы и энергии, средней плотности и скорости расширения.

Сценарии дальнейшей эволюции

Вселенная и в наши дни продолжает свою эволюцию, так как эволюционируют её части. Время этой эволюции для каждого типа объектов разнится более, чем на порядок. И когда жизнь объектов одного типа заканчивается, то у других всё только начинается. Это позволяет разбить эволюцию Вселенной на эпохи . Однако конечный вид эволюционной цепи зависит от скорости и ускорения расширения: при равномерной или почти равномерной скорости расширения будут пройдены все этапы эволюции и будут исчерпаны все запасы энергии. Этот вариант развития называется тепловой смертью.

Если скорость будет всё нарастать, то, начиная с определённого момента, сила, расширяющая Вселенную, сначала превысит гравитационные силы , удерживающие галактики в скоплениях. За ними распадутся галактики и звёздные скопления . И, наконец, последними распадутся наиболее тесно связанные звёздные системы . Спустя некоторое время электромагнитные силы не смогут удерживать от распада планеты и более мелкие объекты. Мир вновь будет существовать в виде отдельных атомов . На следующем этапе распадутся и отдельные атомы. Что последует за этим, точно сказать невозможно: на этом этапе перестаёт работать современная физика.

Вышеописанный сценарий - это сценарий Большого разрыва .

Существует и противоположный сценарий - Большое сжатие . Если расширение Вселенной замедляется, то в будущем оно прекратится и начнётся сжатие. Эволюция и облик Вселенной будут определяться космологическими эпохами до того момента, пока её радиус не станет в пять раз меньше современного. Тогда все скопления во Вселенной образуют единое мегаскопление, однако галактики не потеряют свою индивидуальность: в них всё также будет происходить рождение звёзд, будут вспыхивать сверхновые и, возможно, будет развиваться биологическая жизнь. Всему этому придёт конец, когда Вселенная сожмётся ещё в 20 раз и станет в 100 раз меньше, чем сейчас; в тот момент Вселенная будет представлять собой одну огромную галактику. Температура реликтового фона достигнет 274 К, и на планетах земного типа начнёт таять лёд. Дальнейшее сжатие приведёт к тому, что излучение реликтового фона затмит даже излучения центральных светил в планетных системах, выжигая на планетах последние ростки жизни. А вскоре после этого испарятся или будут разорваны на куски сами звёзды и планеты. Состояние Вселенной будет похоже на то, что было в первые моменты её зарождения. Дальнейшие события будут напоминать те, что происходили в начале, но промотанные в обратном порядке: атомы распадаются на атомные ядра и электроны , начинает доминировать излучение, потом начинают распадаться атомные ядра на протоны и нейтроны, затем распадаются и сами протоны и нейтроны на отдельные кварки , происходит великое объединение. В этот момент, как и в момент Большого взрыва, перестают работать известные нам законы физики , и дальнейшую судьбу Вселенной предсказать невозможно .

Космологические эпохи

Введем понятие космологической декады (η) как десятичный показатель степени возраста Вселенной в годах :

τ = 10 η {\displaystyle \tau =10^{\eta }} лет

Эпоха звёзд (6<η<14)

Нынешняя эпоха, эпоха активного рождения звёзд, закончится ровно в тот момент, когда галактики исчерпают все запасы межзвёздного газа; в это же время закончат свой путь и маломассивные звёзды - красные карлики , - полностью исчерпав свои источники горения.

Гораздо раньше потухнет Солнце. Но сначала оно превратится в красного гиганта , поглотив Меркурий и, вероятно, Венеру. Земля же, если не разделит их судьбу, раскалится настолько, что может быть похожа на нынешнюю планету COROT-7b и представлять собой сгусток лавы на дневной стороне.

Эпоха распада (15<η<39)

Если в предыдущей стадии основные объекты Вселенной - звёзды, подобные нашему Солнцу , то в эпоху распада - белые и коричневые карлики , и совсем немного нейтронных звёзд и чёрных дыр . Обычных звёзд нет вообще, они все дошли до конечного этапа своей эволюции: белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры.

Если в прошлой стадии горение водорода было самым распространённым процессом, то в эту эпоху его место в коричневых карликах, да и идет оно гораздо медленнее. Ныне главенствуют процессы аннигиляции тёмной материи и распад протонов.

Галактики также сильно отличаются от нынешних: все звёзды уже неоднократно сталкивались друг с другом. Да и размер галактик значительно больше: все галактики, входящие в состав локального скопления, слились в одну.

Эпоха чёрных дыр (40<η<100)

На этом этапе фактически всё вещество представляет собой море элементарных частиц. И лишь в некоторых уголках Вселенной продолжают жить нейтронные звёзды. На первый план выходят чёрные дыры.

За предыдущие декады они аккрецировали на себя вещество. В эту эпоху они только излучают. Основных механизмов тут два: столкновение двух чёрных дыр и последующее слияние высвобождает значительную гравитационную энергию, образуются гравитационные волны. Вторым механизмом является излучение Грибова-Хокинга : благодаря своей квантовой природе, некоторым фотонам удаётся пробираться за горизонт событий. Вместе с фотоном чёрная дыра теряет и массу, а потеря массы ведет к ещё большему потоку фотонов. В какой-то момент гравитация больше не может удерживать кванты света под горизонтом событий, и чёрная дыра взрывается, выкидывая последние остатки фотонов .

Однако возможен и другой сценарий. Чёрные дыры могут образовывать свои скопления и сверхскопления, и точно также они будут сливаться. В итоге образуется гигантская чёрная дыра, которая будет жить фактически вечно. Возможно, под действием гравитации она разогреется до Планковской температуры и достигнет Планковской плотности и станет причиной очередного Большого взрыва , дав начало новой Вселенной.

Эпоха вечной тьмы (η>101)

Это время уже без каких-либо источников энергии. Сохранились только остаточные продукты всех процессов, происходящих в прошлых декадах: фотоны с огромной длиной волны, нейтрино, электроны, позитроны и кварки. Температура приближается к абсолютному нулю. Время от времени позитроны и электроны образуют неустойчивые атомы позитрония , долгосрочная судьба их - полная аннигиляция .

См. также

Примечания

Литература

Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, М.,1975.
[] (2010). “Could Time End?” . Scientific American . 303 (3): 84-91. Bibcode :2010SciAm.303c..84M . DOI :10.1038/scientificamerican0910-84 . PMID . Проверьте параметр |author-last1= (