Маленькая книга о Большом взрыве

Мы не знаем, как возникла космологическая постоянная. Основная гипотеза состоит в том, что она характеризует энергию вакуума, оставшуюся в пространстве-времени после Большого взрыва. Квантовая механика говорит нам, что вакуум в пространстве не является пустотой и может быть изображен как кипящее море энергии. В представлении физиков, это море энергии похоже на поле с маленькими, колеблющимися пружинами в виде фотонов, нейтрино и прочих частиц. Возможно, вы слышали об известном принципе неопределенности Гейзенберга. Этот принцип является законом природы и предполагает, что невозможно точно определить одновременно и положение, и скорость частицы, то есть нашей воображаемой пружины, только что-то одно. Энергия пружины зависит от ее сжатия и частоты осцилляций. Гейзенберг показал, что оба значения не могут одновременно равняться нулю, поэтому эти пружинки в вакууме всегда сохраняют в себе некую энергию.

Проблема заключается в том, что если мы посчитаем совокупную энергию осцилляций в нулевой момент, то есть в момент образования Вселенной, окажется, что их запас энергии в тот момент как минимум на 120 порядков превышал величину темной энергии сегодня. Энергия этих осцилляций неизменна, поэтому ее значение по-прежнему соотносится с темной энергией как 120 к 1. Это явление известно как проблема космологической константы.

Здесь перед космологом встает выбор: либо признать, что Λ не является результатом квантовых флуктуаций (а значит, также признать, что причина ее возникновения неведома), либо разработать механизм, позволяющий снизить Λ до нынешнего значения, которое в 15 раз больше плотности материи во Вселенной. Конечно, если бы Λ была в 10¹²⁰ раз больше, чем сейчас, Вселенной в известном нам виде уже просто бы не существовало: из-за высокой скорости расширения не успевали бы формироваться галактики, и нуклеосинтез не был бы возможен.

Таким образом, если мы согласимся, что изначально размер космологической постоянной был действительно так велик, как мы думаем, нам придется найти механизм, который мог бы его уменьшить – и уменьшить быстро. Попытки сделать это продолжаются, но договориться о каком-либо едином мнении пока не выходит.

Как обычно, есть и третий путь. Не так давно ряд космологов оспорили практику рассмотрения сверхновой типа 1а в качестве стандартной свечи. Свою позицию они объяснили тем, что данные наблюдений не являются корректными, а темной энергии вообще не существует (похожим образом в 2011 году было анонсировано открытие нейтрино, чья скорость превышала скорость света, но вскоре оказалось, что в оборудовании были неполадки с соединением). Подобный аргумент стал бы весьма элегантным решением проблемы. У космологов есть и другие причины сомневаться в существовании темной энергии, но на данный момент они не так популярны. В надежде, что эта книга будет оставаться актуальной хоть чуточку дольше, чем будут сохнуть чернила на ее страницах, я воздержусь от участия в этой дискуссии.

На самом деле у нас есть еще как минимум один выход. Если бы космологическая постоянная была так велика, что галактики не могли бы формироваться, жизнь во Вселенной почти наверняка была бы невозможна. Сам факт, что вопрос задает человек, уже говорит в пользу того, что космологическая постоянная невелика. Это прекрасный пример антропного мышления, к которому мы еще вернемся в главе 15.

* * *

Вы могли заметить, что проблема космологической постоянной напоминает другую – загадочное соотношение фотонов к барионам, о котором мы говорили в главе 6. Обе они сводятся к тому, чтобы объяснить величину, не имеющую причин быть такой, какая она есть. Вы также могли подумать, что подобные головоломки имеют другую природу, нежели, например, определение величины постоянной Хаббла, ведь последнее зависит исключительно от наблюдений.

Это правда. Проблема соотношения фотонов к барионам, равно как и проблема космологической постоянной, скорее ставят вопрос почему, а не как, хотя принято считать, что наука отвечает именно на вопрос как. Все же в течение прошлого века, по мере того как пропасть между наблюдением и теорией продолжала расти, акцент в теоретической физике сместился в сторону почему.

Вопрос почему неразрывно связан с тем, что физики называют безразмерными величинами. Как было кратко замечено в главе 6, любое количество всегда лучше выражать в соотношении. Новость о том, что на последних президентских выборах кандидат одержал победу с отрывом в 9 870 325 голосов, не имеет почти никакого смысла. Но стоит вам узнать, что 9 870 325 – это 87 % всех избирательных бюллетеней, и вы сразу же захотите оспорить результаты голосования.

Безразмерная величина – это отношение двух числовых характеристик, в котором единицы измерения одинаковы и нивелируются и остается только число, выражающее соотношение показателей друг к другу.