Много вселенных из ничего

Павел Амнуэль
«Наука и жизнь» №9, 2017

В двадцать первом веке очевидные, казалось бы, слова Лукреция сначала поставили под сомнение, а вскоре и вовсе опровергли. Оказывается, можно получить что-то из ничего, если это ничто подчиняется законам квантовой физики. Более того! Космологи пришли к заключению, что вся наша Вселенная могла возникнуть из ничего — из пустоты, вакуума.

Впрочем, в семидесятых годах прошлого века вопрос стоял иначе: почему Вселенная плоская?

Вселенная расширяется, это было известно со времён открытия красного смещения в спектрах галактик. Причину разбегания галактик связывали с Большим взрывом, произошедшим, по тогдашним оценкам, около 10 миллиардов лет назад. Наблюдения не противоречили уравнениям общей теории относительности. Но был важный нюанс.

Согласно уравнениям Эйнштейна, пространство может быть замкнутым (метрика Римана), плоским (евклидовым) или открытым (метрика Лобачевского).

Плоское пространство, открытое и закрытое

Замкнутое (закрытое) пространство можно изобразить в виде сферы, на поверхности которой мы находимся: сфера имеет конечную площадь, но не имеет границ. «Прямые» линии, проведённые в замкнутом пространстве, непременно пересекутся, а если вы отправитесь путешествовать по прямой, то в конце концов вернётесь в точку, откуда вышли. Сумма углов треугольника, построенного в замкнутом пространстве, всегда больше 180 градусов.

Плоское пространство в двумерной интерпретации — это плоский, бесконечных размеров лист. Именно плоский мир описывал Евклид, именно в плоском мире сумма углов треугольника всегда в точности равна 180 градусам.

Открытое пространство выглядит иначе: в самом простом варианте оно напоминает седло бесконечных размеров. В отличие от закрытого пространства, где нет параллельных прямых, в открытом пространстве существует множество никогда не пересекающихся прямых, а сумма углов треугольника здесь всегда меньше 180 градусов.

Каким является пространство нашей Вселенной — замкнутым, плоским или открытым, — зависит от того, какова полная средняя плотность массы — энергии. При критической плотности (в наши дни она равна приблизительно 10⁻²⁹ г/см³) Вселенная — плоская. Если плотность больше и массы во Вселенной достаточно, чтобы гравитационные силы смогли затормозить и в конце концов вовсе остановить расширение, то Вселенная — замкнутая. Наступает момент, когда расширение прекращается и Вселенная начинает сжиматься. Если в момент Большого взрыва возникает замкнутая Вселенная с плотностью хоть ненамного больше критической, то со временем отличие пространства от плоского возрастает, и в наши дни плотность массы во Вселенной должна быть на много порядков больше критической величины 10⁻²⁹  г/см³.

Если в момент Большого взрыва плотность массы во Вселенной была хоть ненамного меньше критической, то при расширении эта разница должна возрастать, гравитационные силы не могут справиться с расширением, и оно продолжается вечно. А мы сейчас должны наблюдать, что плотность массы во Вселенной на много порядков меньше критической.

Если же средняя плотность массы в момент Большого взрыва была чрезвычайно близка (или в точности равна) к критической, то в очень далёком будущем расширение Вселенной прекратится, но сжатие после этого так и не начнётся — Вселенная навеки застынет. А сейчас средняя плотность массы во Вселенной отличается от критической не очень значительно. По оценкам астрофизиков, сделанным в семидесятые годы, плотность массы во Вселенной, если и отличалась от критической, то максимум на один-два порядка.

Казалось бы, отличие в 10–100 раз — очень много! На самом деле это не так. Ведь, как уже было сказано, со временем, при расширении, отличие пространства от плоского возрастает, и если сейчас это отличие находится в интервале 10–100 раз, то первоначально, в момент Большого взрыва, оно не могло превышать 10⁻⁶⁰! Это такая ничтожная величина, что не мог не возникнуть вопрос: неужели кто-то специально «подогнал» параметры так, чтобы Вселенная оказалась плоской?

Конечно, точность наблюдений в семидесятые годы была невысока, среднюю плотность массы удавалось измерить лишь в пределах порядка величины, но порядок этот был близок к ожидаемой плотности плоской Вселенной.

И ещё. Вселенная заполнена галактиками, звёздами, скоплениями и в масштабах, сравнимых с размерами самих галактик, выглядит очень неоднородной. Но в гораздо больших масштабах, сравнимых с размерами Вселенной, наш мир чрезвычайно однороден — в любом месте средняя плотность массы примерно одна и та же. Почему?

Американский астрофизик Алан Гут в 1980 году предложил необычную, но красивую идею, не только объяснявшую, почему Вселенная плоская и однородная, но решавшую и другие проблемы космологии.

Впрочем, как это часто случается в науке, у гипотезы, которую Гут излагал на самых разных конференциях, имелась предыстория. Годом раньше были опубликованы работы советских физиков Вячеслава Муханова и Алексея Старобинского, где они изложили идеи, которые затем «озвучил» Гут. Однако гипотеза советских учёных не нашла отклика у физиков.

А вот Гут сумел привлечь внимание к новой идее, и на неё «набросились» другие физики, среди которых были Андрей Линде и Александр Виленкин, сумевшие справиться с недостатками предыдущих версий.

Наша Вселенная, как сейчас утверждают многие космологи, возникла в тот момент Большого взрыва, когда плотность и температура материи достигали невероятно огромных значений: температура была около 10³² Кельвинов, а плотность — 10⁹³ г/см³! Быстро расширяясь, Вселенная остывала, а плотность вещества в ней уменьшалась.

Предположение космологов заключалось в том, что Большому взрыву предшествовала чрезвычайно короткая стадия расширения пространства, названная ими инфляционной по аналогии с обычной инфляцией в экономике. При инфляции цены растут, удваиваясь за относительно постоянный промежуток времени. В экономике этот промежуток времени исчисляется годами или даже (при низкой инфляции) десятилетиями, а при космической инфляции размер пространства ещё, по сути, не родившейся Вселенной удваивался за «планковское время», то есть за каждые 10⁻⁴³ секунды! И потому уже через малую долю секунды после начала инфляционного процесса пространство расширилось чуть ли не до размеров нынешней Вселенной!

Разве это возможно? Ведь ничто материальное не может перемещаться со сверхсветовыми скоростями. Верно — но расширялось не вещество, которого тогда ещё не было, а само пространство, пустое ничто. Точнее — так называемый ложный вакуум, в котором происходили квантовые флуктуации.

Как выяснили физики, пустое пространство, вакуум (в обычном нашем представлении — ничто!) может находиться в различных физических состояниях. Есть, например, обычный вакуум в состоянии с минимальной энергией, а есть вакуум ложный — его энергия минимальна лишь локально. Иными словами: этот минимум неустойчив, и ложный вакуум в конце концов переходит в состояние обычного вакуума.

Одна из квантовых флуктуаций в ложном вакууме и привела к тому, что силы гравитационного отталкивания значительно превысили силу притяжения, и пространство начало чрезвычайно быстро «раздуваться». В принципе, такое «раздувание» может продолжаться вечно («бесконечная инфляция», по Гуту), но ложный вакуум, к счастью для нас, нестабилен, и в какой-то момент в какой-то точке «раздувающегося» пространства он распался. Произошёл, как говорят физики, фазовый переход — ложный вакуум перешёл в более устойчивое состояние с низкой энергией и превратился в обычный вакуум. А вся «лишняя» энергия ложного вакуума выделилась, вот тогда-то и возник раскалённый до невообразимых температур шар из обычного вещества и излучения, продолживший по инерции расширяться — конечно, со скоростью, меньшей, чем скорость света. Родились протоны и электроны, через несколько сотен тысячелетий они объединились в атомы водорода, затем возникли первые звёзды, галактики, скопления галактик, планеты, в том числе Земля...

Но Большой взрыв происходит там, где ложный вакуум превращается в обычный. В целом же инфляция продолжается, пространство «раздувается», и родившаяся Вселенная оказывается погружена в этот безудержно расширяющийся (инфлирующий, как говорят космологи) ложный вакуум. В другой его точке тоже происходит фазовый переход нестабильного вакуума в обычный, и наблюдается ещё один Большой взрыв, рождается ещё одна вселенная. И в третьей точке, четвёртой, пятой... миллионной... Рождается огромное (возможно, бесконечное!) количество вселенных, и каждая из них живёт по своим физическим законам («хаотическая инфляция», по Линде). Одни вселенные существуют доли секунды и «схлопываются», поскольку плотность массы оказывается слишком большой. Другие живут бесконечно долго, если плотность массы в них мала. Новорождённые вселенные состоят из обычной материи, которая не может перемещаться быстрее света. А ложный вакуум, куда эти вселенные погружены, продолжает «раздуваться», пространство между вселенными увеличивается со сверхсветовой скоростью, и, значит, рождённые вселенные очень быстро удаляются друг от друга на такие огромные расстояния, что всякие контакты между ними становятся невозможны.

Теория инфляции легко и естественно разрешила проблему плоской Вселенной. Если Большому взрыву предшествовала инфляция, то нынешняя Вселенная просто обязана быть плоской! Даже если в самом начале инфляции пространство и было «закрытым» или «открытым», то в процессе инфляции оно расширилось в огромное число раз. Когда в ложном вакууме произошёл фазовый переход и случился Большой взрыв, пространство было уже плоским, как становится (выглядит!) практически плоской поверхность во много раз раздутого воздушного шара.

Правда, в реальности, как обычно, всё сложнее и интереснее! В восьмидесятые годы прошлого века техника астрофизических наблюдений позволила наконец достаточно надёжно определить плотность видимого вещества во Вселенной. К разочарованию космологов, оказалось, что плотность эта слишком мала, всего лишь около процента от критической, предсказанной теорией инфляции.

Разочарование, впрочем, продолжалось недолго. В те же восьмидесятые годы удалось достаточно точно измерить массы галактик (по скорости их вращения и светимости), и заново измеренные массы оказались на порядок больше тех, что получались прежде (только по величине светимости). Наблюдения показывали, что в галактиках присутствует невидимая масса, проявляющая себя лишь своим полем тяжести. И масса эта (её назвали тёмным веществом) гораздо больше массы всех видимых в телескопы объектов. Значит, космологи могут расслабиться: проблема решена, и Вселенная всё-таки плоская?

Не совсем. Если сложить видимую массу с невидимой, то общая плотность вещества во Вселенной получалась всё равно примерно втрое меньше критической! Может, неправильно определили величину невидимой массы? Нет, точность наблюдений в последние годы прошлого века была уже достаточна, чтобы подобная ошибка выглядела невозможной. И опять, казалось бы, инфляционная теория «повисла на волоске»: она предсказывала практически плоскую Вселенную, а наблюдения свидетельствовали, что Вселенная втрое менее массивна и, следовательно, подчиняется неевклидовой геометрии Лобачевского. Зачем тогда нужна инфляция?

Изменение плотности вещества (обычного и тёмного) и тёмной энергии с возрастом Вселенной

Спасла теорию идея, которую выдвинул ещё Эйнштейн ровно сто лет назад — в 1917 году. Идея, от которой Эйнштейн впоследствии отказался, назвав её «величайшей ошибкой». Об этой идее физики забыли надолго, но через три четверти века вспомнили, когда космологи попытались всё-таки совместить теорию инфляции с наблюдениями, когда они старались найти во Вселенной что-нибудь, что сделало бы её плоской. И нашли. Вакуум, в котором разбегаются галактики, тоже обладает энергией, а следовательно, массой! Более того, плотность энергии (и массы!) вакуума, согласно эйнштейновским уравнениям, одна и та же в любой точке и не меняется при расширении Вселенной. Именно об этом писал Эйнштейн в 1917 году. Он был сторонником идеи статичной и вечной Вселенной, а из уравнений получалось, что Вселенная статичной быть не может — она должна или расширяться, или сжиматься. Тогда Эйнштейн ввёл в уравнения постоянную величину — космологический член, потому что хотел получить такое решение уравнений, при котором Вселенная была бы стабильной и неподвижной. Когда Эдвин Хаббл в 1929 году доказал, что Вселенная расширяется, Эйнштейн исключил космологический член из уравнения, но много лет спустя оказалось, что сделал он это напрасно. Космологический член (или, как сейчас говорят, космологическая постоянная) как раз и описывал скрытую энергию вакуума, ту самую, которая вносит вклад в общую плотность материи во Вселенной.

Тёмная энергия расталкивает Вселенную, заставляет её расширяться быстрее.

Теоретически всё прекрасно сошлось: по современным данным, всего лишь 4% массы Вселенной составляет видимое в телескопы вещество (галактики, звёзды, плазма, пыль, газ), ещё 22% — невидимое вещество, проявляющее себя только полем тяжести. Возможно, это какие-то неизвестные пока науке элементарные частицы. А остальная масса (74%) приходится на неизвестное поле, обладающее огромной энергией (её назвали тёмной), равномерно распределённой по всему объёму видимой Вселенной.

Плотность вещества (обычного и тёмного) при расширении Вселенной, естественно, уменьшается, но плотность тёмной энергии остаётся неизменной в любой точке и в любой момент времени, начиная с Большого взрыва .

Отсюда следует очень любопытная и важная вещь. Сейчас плотность тёмной энергии больше, чем плотность вещества (обычного и тёмного): соответственно 74 и 26%. В прошлом было наоборот. А это, в свою очередь, означает, что в былые времена силы притяжения во Вселенной преобладали над силами отталкивания и расширение замедлялось. Но в какой-то момент силы отталкивания стали больше сил притяжения и Вселенная стала разгоняться, как автомобиль на трассе.

Когда в 1995 году Лоуренс Краусс и Майкл Тернер высказали эту идею, коллеги восприняли её скептически, но не прошло и трёх лет, как сразу две группы астрофизиков (в рамках проектов Supernova Cosmology Project и High-Z Supernova) опубликовали результаты своих наблюдений, из которых следовало: примерно пять миллиардов лет после Большого взрыва Вселенная расширялась, постепенно замедляясь, а затем начался период ускоренного расширения, который продолжается до сих пор. Вывод этот астрофизики сделали, наблюдая за многочисленными вспышками внегалактических сверхновых, находящихся на самых разных расстояниях — от ближайших окрестностей Млечного Пути вплоть чуть ли не до самого «горизонта». Речь идёт о сверхновых типа Iа — они отличаются от прочих сверхновых тем, что в максимуме имеют одинаковую светимость и их можно использовать в качестве «стандартных свечей», по которым с хорошей точностью определять расстояния до самых далёких объектов Вселенной.

Самое странное и необычное предсказание инфляционной теории было подтверждено наблюдениями!

В те же годы подтвердилось и другое предсказание. В инфляционной теории ложный вакуум — то ничто, из которого возникла Вселенная, — чрезвычайно однороден. Однако и в самой однородной «пустоте», если верны квантовые законы (а ещё не обнаружено ни одного случая, когда эти законы нарушались бы!), неизбежно возникают флуктуации, поскольку действует принцип неопределённости. Флуктуации должны были возникать и в ложном вакууме, а инфляция эти флуктуации растянула в пространстве. Большой взрыв закрепил флуктуации в виде незначительной разницы в плотности и температуре возникшего вещества. Если теория верна, то сейчас первичные флуктуации должны проявлять себя как слабые вариации температуры и яркости реликтового микроволнового излучения. Более того, теория инфляции позволяет рассчитать величину флуктуаций, и, следовательно, их можно попытаться обнаружить в реально наблюдаемом микроволновом фоне.

Карта флуктуаций микроволнового фона по данным спутника WМАР. Иллюстрация: NASA

Первые наблюдения, проведённые в восьмидесятые годы прошлого века, были недостаточно чувствительны, и реликтовый фон представлялся ровной, без пятнышек, скатертью, покрывавшей всё небо. Инфляционная теория предсказывала, что величина флуктуаций должна составлять всего лишь одну стотысячную от яркости излучения. И можно представить волнение теоретиков, когда запущенный в 2006 году спутник WMAP действительно стал сканировать реликтовый фон с такой чувствительностью. Если бы флуктуации фона обнаружить не удалось, удар по теории инфляции был бы таким тяжёлым, что, возможно, пришлось бы придумывать другое объяснение современному состоянию Вселенной. Но всё не просто обошлось: наблюдения подтвердили предсказания теории инфляции с точностью, на которую теоретики даже не надеялись.

После полёта WMAP у физиков исчезли сомнения в том, что Большому взрыву предшествовал чрезвычайно краткий период безудержного расширения ложного вакуума — пустого, по сути, пространства.

Теория инфляции победила, и в правоте её сейчас нет сомнений у подавляющего большинства физиков. Предсказания этой теории оправдываются с потрясающей точностью: и то, что Вселенная плоская, и то, что она однородна на больших масштабах, и то, что существует микроволновое излучение, оставшееся от Большого взрыва, и то, что в микроволновом фоне есть предсказанные флуктуации плотности и температуры.

Хорошая теория не может быть правильной в одном и неправильной в другом. Если из теории следуют, скажем, два вывода, а пока удалось подтвердить один, это не означает, что второй, пока неподтверждённый, можно объявить неверным — тогда придётся и всю теорию считать неправильной!

А из теории следует, что, во-первых, однажды начавшись, инфляция продолжается вечно и, во-вторых, в раздувающемся вакууме всё время возникают «островки» вакуума обычного, постоянно происходят Большие взрывы, рождаются новые вселенные. Может случиться, что две «соседние» вселенные расширяются одна навстречу другой. Тогда они могут столкнуться, и, наблюдая микроволновый фон, мы, по идее, можем увидеть следы столкновения миров. Выглядеть это должно как большое «пятно» в микроволновом излучении (не мелкая флуктуация, появление которой объясняется квантовыми эффектами, а большое пятно размером в несколько градусов). Подобные пятна действительно были обнаружены в 2011 году на картах микроволнового фона, полученных по данным спутника «Планк».

Теория бесконечной и хаотической инфляции подтверждается наблюдениями с такой точностью, какой до сих пор не было в космологической науке. Да и вообще, в астрофизике немного можно найти теорий, столь успешных и соответствующих реальности.

Космологи уже лет двадцать не спорят о том, произошёл ли Большой взрыв в конце периода безудержного расширения пространства. Обсуждения ведутся на гораздо более глубоком уровне. Например, теория утверждает, что в первые мгновения после Большого взрыва должно было возникнуть мощнейшее гравитационное излучение. За миллиарды лет это излучение, как и микроволновый фон, ослабло на много порядков, и зафиксировать его прямыми наблюдениями пока невозможно. Теория, однако, подсказывает: реликтовое гравитационное излучение можно обнаружить косвенными методами, изучая поляризацию микроволнового фона. Такие исследования ведутся, и, поскольку уже подтвердились многие предсказания инфляционной теории, мало кто из физиков сомневается, что и реликтовое гравитационное излучение будет обнаружено — рано или поздно, прямо или косвенно.

И один из главных вопросов — смогут ли физики подтвердить существование иных вселенных, также предсказанных теорией вечной и хаотической инфляции? Вот хорошая задача, космологией ещё не решённая. Есть чем заняться в будущем.