Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Если на одну шахматную клетку положить 1 зернышко риса и далее на каждую следующую клетку класть удвоенное количество от того, что лежит на предыдущей (то есть на вторую — 1 × 2 = 2 зернышка, на третью 2 × 2 = 4 зернышка, на третью 4 × 2 = 8 зернышек и т. д.), то в итоге общий вес риса на шахматной доске составит более 460 млрд т. Это примерно в тысячу раз больше, чем годовой урожай риса на всей Земле.

Алан Гут в 1981 году просто подумал: а что если на ранних стадиях эволюции Вселенной существует некое космологическое гравитационное отталкивание? Ведь это как раз то, что нужно! Тогда Вселенная будет очень-очень быстро раздуваться, от размеров атома до размеров, во много раз превосходящих всю наблюдаемую ныне область! Этот этап эволюции Вселенной назвали инфляционной стадией, или просто инфляцией.

Однако если для Эйнштейна природа космологической постоянной оставалась совершенно неведомой, и «антигравитационный» член был просто формальным добавлением в уравнениях ОТО, то для объяснения природы инфляции к услугам Гута и его последователей была вся мощь современной теории элементарных частиц!

Мироздание не терпит пустоты

Вакуум

Мы привыкли считать и твердо уверены в том, что вакуум — это пустота. Вакуум — это когда мы «вытряхиваем» из пространства (из некоторой камеры или из всего пространства — не имеет значения) все частицы и все излучения. Что же остается? Ничего, пустое пространство, о котором нечего больше сказать. Так приучила нас думать классическая физика. Однако с точки зрения современной теории элементарных частиц вакуум — это особый физический объект. И главное заключается в том, что вакуум обладает ненулевой энергией.

Пойдем далее. Вакуум может находиться в разных состояниях — физики называют их просто «разными вакуумами». Типы элементарных частиц, их массы и взаимодействия определяются соответствующим вакуумом. Отношения частиц и вакуума чем-то напоминает круги на воде: круги — это частицы, вода — это вакуум. От материальных свойств воды во многом зависит, какие будут круги, как они будут расходиться и т. д.

Вакуум, которым заполнена Вселенная вокруг нас, находится в наинизшем энергетическом состоянии. Его называют «истинным вакуумом» — он, как бы это сказать… наиболее пуст. Физики собрали массу знаний о частицах, которые населяют этот тип вакуума, и силах, действующих между ними. К примеру, сильное ядерное взаимодействие связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах. Электромагнитные силы удерживают электроны на их орбитах вокруг ядер. А слабое взаимодействие отвечает за поведение легчайших частиц, называемых нейтрино. В соответствии со своими именами эти три взаимодействия обладают очень разной силой, причем электромагнитное взаимодействие занимает промежуточное положение между сильным и слабым.

Свойства элементарных частиц в других вакуумах могут быть совершенно иными. Энергия (и, соответственно, масса) вакуума может быть невообразимо большой. Скажем, так называемый электрослабый вакуум, в котором электромагнитное и слабое взаимодействия проявляются как составляющие одной объединенной силы, имеет около 1019 т/см3 (десять миллионов триллионов тонн массы на один кубический сантиметр). Это примерно масса Луны.

Для вакуума так называемого Великого объединения (то есть когда объединяются три фундаментальных взаимодействия) плотность массы оказывается еще больше, причем чудовищно больше — в 1048 раз. Ясное дело, этот вакуум никогда не создавался в лаборатории: на это потребовалось бы много больше энергии, чем доступно при современных технологиях.

По сравнению с этими ошеломляющими величинами энергия обычного истинного вакуума ничтожна. Долгое время считалось, что она в точности равна нулю. Однако сегодня есть данные, которые свидетельствуют в пользу того, что вакуум может обладать очень-очень небольшой положительной энергией, которая эквивалентна массе трех атомов водорода на кубический метр.

Вакуумы, обладающие высокой энергией, называют «ложными». Это потому, что, в отличие от истинного вакуума, они нестабильны. Спустя очень короткое время (малые доли секунды) всякий ложный вакуум превращается в истинный, а его избыточная энергия высвобождается в виде огненного шара из элементарных частиц. Такое превращение в современной физике называется распадом вакуума.

Современные представления о вакууме — достояние теории элементарных частиц, теории «самого малого». Но идея инфляции удивительна тем, что она соединила, казалось бы, несоединимое: теорию «самого малого» и теорию «самого большого» — теорию Вселенной в целом, космологию.

У Эйнштейна не было никаких физических причин оставлять в уравнениях ОТО космологический член. Экспериментальные данные, которыми он располагал, не только не подтверждали, но и противоречили идее неизменной, неподвижной (стационарной) Вселенной. Некоторые существенные теоретические соображения также делали эту идею неправдоподобной.

Однако оставались сами уравнения. Удивительная вещь, но уравнения великой теории способны жить своей собственной жизнью, и, помимо представлений, гипотез и воли их создателя, их стрела пущена в будущее, в неизведанные дали.

По смыслу уравнений ОТО космологический член — не что иное, как энергия пустого пространства, отличная от нуля энергия самого вакуума. В каждом «кусочке» вакуума заключено некоторое строго определенное количество энергии. Эти же уравнения предписывают, что энергия вакуума — это что-то вроде энергии натянутой резиновой ленты: пока лента в натянутом состоянии, в квадратном сантиметре ее заключено некоторое фиксированное количество энергии. Чтобы представить себе пространство, заполненное вакуумом, хороша другая «резиновая» аналогия — оно будет походить на надутый воздушный шарик: натяжение вакуума стремится сжать, «схлопнуть» пространство, которое он заполняет.

С другой стороны, согласно ОТО, что угодно, обладающее энергией (а это значит, по формуле Е = mc2, и массой), вносит вклад в гравитацию. Однако энергия вакуума оказывается «гравитацией навыворот»: она дает отрицательный вклад в гравитацию. Иными словами, по отношению к гравитации это гравитационное отталкивание.

Тут Эйнштейн получал то, что ему было нужно: антигравитация, создаваемая энергией вакуума, оказывается намного больше, чем «схлопывающая» энергия его натяжения, и может уравновесить гравитационное стремление масс друг к другу. Этот баланс и дает в итоге стационарную Вселенную.

Но энергосодержащая пустота — это то, что нужно также и для инфляции! В самом деле, если Вселенная очень ранняя, в ней нет еще ничего, никаких частиц, полей, никаких масс. Есть только вакуум и его гравитационное отталкивание. Тогда пространство в один миг чудовищно раздувается и Вселенная из очень-очень маленькой станет очень, очень большой!

Темп такого расширения остается постоянным (так как плотность энергии вакуума — величина постоянная). По смыслу эта величина очень похожа на процентный годовой рост цен — на то, что называется инфляцией. Аналогично, постоянный темп расширения Вселенной означает, что есть постоянное время, за которое размер Вселенной увеличивается вдвое. Рост, который характеризуется постоянным временем удвоения, называют экспоненциальным. Он очень быстро приводит к гигантским числам. Скажем, если упаковка зубочисток сегодня стоит 1 грн, то через 10 интервалов удвоения ее цена будет 1024 грн, а через 330 циклов — 10100 грн, гугол гривен!

10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Это — гугол. Как видите, его довольно трудно написать. Еще труднее писать его всякий раз, когда этого требует космология. Но дело не только в этом. Дело в том, что гугол — колоссальное число! Попробуем взять любую совокупность, любое знакомое нам множество предметов, и сопоставим с гуголом. Заметьте, совокупности можно брать, какие заблагорассудится — разрешено все, что только ни придет на ум, самые большие множества, которые мы знаем. Вот число песчинок на всех-всех пляжах мира. Его можно оценить как 1023. Нужно что-нибудь «помногочисленней». С давних времен мерой неисчислимости было число звезд на небе — как насчет этого? В нашей галактике где-то 100 млрд звезд. Это 1011 — очень мало по сравнению с гуголом! Хорошо. Видимая область Вселенной вплоть до горизонта содержит «всего-навсего» 1022 звезд. Идем дальше. Количество всех частиц в известной нам части Вселенной (а большего количества реальных объектов в ней просто не существует), согласно некоторым предположениям, составляет от 1079 до 1081. Все равно до гугола не дотягивает!

Время удвоения для Вселенной, заполненной ложным вакуумом, невероятно короткое. И чем выше энергия вакуума, тем оно короче. В случае электрослабого вакуума Вселенная расширится в гугол раз за 0,333 × 10–5 с (одна тридцатая микросекунды), а в случае вакуума Великого объединения это случится в 1026 раз быстрее.