Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

В 1998 году, изучая слабый свет, исходящий от сверхновых звезд в далеких галактиках, астрономы использовали эти данные для того, чтобы рассчитать, с какой скоростью эти галактики удаляются от нас в связи с расширением Вселенной. Выяснилось, что они удаляются медленнее, чем можно было бы предположить, исходя из разделяющего нас расстояния. Поскольку свет, который сейчас доходит до нас из этих галактик, они испускали, когда Вселенная была совсем молодой, то замедленная скорость их удаления означает, что в прошлом Вселенная расширялась более медленными темпами. Таким образом, вместо замедляющегося расширения Вселенной, которое должно происходить вследствие кумулятивного гравитационного притяжения всей находящейся в ней материи, что-то заставляет Вселенную расширяться быстрее, чем в прошлом.

Эту таинственную субстанцию с отталкивающим эффектом, противодействующую гравитации и все быстрее раздвигающую пространство, назвали темной энергией. Насколько мы сейчас понимаем, через много миллиардов лет она может привести к так называемой тепловой смерти Вселенной по мере того, как Вселенная будет все быстрее расширяться и одновременно охлаждаться, стремясь к состоянию термодинамического равновесия. Однако, пока мы не поймем истинную природу темной энергии и вообще не узнаем, какова была Вселенная в самом начале своего существования (см. следующий раздел), мы не должны спешить с выводами относительно ее будущего. Это еще совсем не скоро, а до того может случиться что угодно!

Еще несколько лет назад я бы сказал, что о темной энергии мы знаем меньше, чем о темной материи, но теперь ситуация начинает меняться. В эйнштейновских уравнениях общей теории относительности есть некая величина, известная как космологическая константа (обозначается греческой буквой Λ, или «лямбда»). То, что мы называем темной энергией, скорее всего, является энергией самого пустого пространства – того, что называется квантовым вакуумом. Мы уже знаем, что все в конце концов сводится к теории квантовых полей. Самые различные частицы, образующие материю, будь то кварки, электроны, фотоны или бозоны Хиггса, можно рассматривать как локализованное возбуждение этих квантовых полей, подобно волнам на поверхности океана. Но если бы нам пришлось убрать все частицы из некоего объема, это не привело бы к исчезновению поля. В этом случае мы говорим, что наш объем перешел в свое базовое, или вакуумное, состояние, однако все равно виртуальные частицы в этом вакуумном объеме будут все время то появляться, то исчезать, заимствуя для этого энергию из окружающей среды, но тут же отдавая ее по мере своего исчезновения. Так что сказать, что квантовый вакуум пустого пространства обладает нулевой энергией, – это то же самое, что утверждать, что океан в спокойном состоянии не имеет глубины. Эквивалентом воды под поверхностью океана и является эта темная энергия – космологическая константа.

Однако то, что у нас есть математический символ для темной энергии, еще не значит, что мы полностью понимаем ее природу. Результаты астрономических измерений заставляют предположить, что космологическая константа имеет определенное цифровое значение, но, как и для массы бозона Хиггса в Стандартной модели, мы не знаем, почему она имеет это значение. Это застарелая и наболевшая проблема в физике, которую называют проблемой тонкой настройки. На самом деле все еще хуже, чем кажется. Расхождение между расчетной квантовой энергией, полученной исходя из квантовой теории относительности, и квантовой энергией, полученной на основании космологических измерений, настолько значительно, что стало одной из самых позорных и непонятных проблем физики. Расчетное значение на 120 порядков больше, чем наблюдаемое.

Космологическая модель (эквивалент Стандартной модели в физике частиц), которая объединяет все, что мы сейчас знаем о темной материи и темной энергии, называется моделью ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter, Лямбда-модель холодной темной материи). Подобно тому как самые серьезные квантовые теории поля стали основой для не слишком сплоченного союза, представленного Стандартной моделью физики частиц, общая теория относительности лежит в основе космологической модели ΛCDM.

Есть еще один важный элемент модели ΛCDM, который, как утверждает большинство космологов (но, конечно, не все), нужен для объяснения характеристик наблюдаемой нами Вселенной. Он называется космической инфляцией и дает возможный ответ на вечный вопрос: каково происхождение Вселенной, а также содержащейся в ней материи и энергии?

Инфляция и мультивселенные

Как я упоминал в самом начале книги, на заре своей истории мы уже создавали мифы о происхождении Вселенной. Сегодня физика сорвала покров тайны с этого вопроса. Но была ли какая-то причина, вызвавшая Большой взрыв? Существовал ли какой-то фактор, послуживший спусковым крючком для рождения нашей Вселенной?