Багато всесвітів з нічого

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 59

З нічого не вийде нічого.

Тит Лукрецій Кар

У двадцять першому столітті очевидні, здавалося б, слова Лукреція спочатку поставили під сумнів, а незабаром і зовсім спростували. Виявляється, можна отримати щось із нічого, якщо це ніщо підпорядковується законам квантової фізики. Більше того! Космологи дійшли висновку, що весь наш Всесвіт міг виникнути з нічого — з порожнечі, вакууму.

Втім, у сімдесятих роках минулого століття питання стояло інакше: Чому всесвіт плоский?

Всесвіт розширюється, це було відомо з часів відкриття червоного зміщення у спектрах галактик. Причину розбігання галактик пов’язували з Великим вибухом, що стався, за тодішніми оцінками, близько 10 мільярдів років тому. Спостереження не суперечили рівнянням загальної теорії відносності. Але був важливий нюанс.

Згідно з рівнянням Ейнштейна, простір може бути замкнутим (метрика Римана), плоским (євклідовим) або відкритим (метрика Лобачевського).

Плоский простір, відкритий і закритий

Замкнутий (закритий) простір можна зобразити у вигляді сфери, на поверхні якої ми знаходимося: сфера має кінцеву площу, але не має меж. «Прямі» лінії, проведені в замкнутому просторі, неодмінно перетнуться, а якщо ви вирушите подорожувати прямою, то врешті-решт повернетеся в точку, звідки вийшли. Сума кутів трикутника, побудованого в замкнутому просторі, завжди більше 180 градусів.

Плаский простір у щирій інтерпретації — це плаский, нескінченний розмір аркуша. Саме плоский світ описував Євклід, саме в плоскому світі сума кутів трикутника завжди в точності дорівнює 180 градусам.

Відкритий простір виглядає інакше: у найпростішому варіанті воно нагадує сідло нескінченних розмірів. На відміну від закритого простору, де немає паралельних прямих, у відкритому просторі існує безліч прямих, які ніколи не перетинаються, а сума кутів трикутника тут завжди менше 180 градусів.

Яким є простір нашого Всесвіту — замкнутим, плоским або відкритим, — залежить від того, яка повна середня щільність маси — енергії. При критичній щільності (в наші дні вона дорівнює приблизно 10 ^‑ 29 г/^см3) Всесвіт — плаский. Якщо щільність більше і маси у Всесвіті достатньо, щоб гравітаційні сили змогли загальмувати і врешті-решт зовсім зупинити розширення, то Всесвіт — замкнутий. Настає момент, коли розширення припиняється і Всесвіт починає стискатися. Якщо в момент Великого вибуху виникає замкнутий Всесвіт з щільністю хоч ненабагато більше критичного, то з часом відмінність простору від плоского зростає, і в наші дні щільність маси у Всесвіті повинна бути на багато порядків більше критичної величини ^{10 ‑} 29 г^/см3.

Якщо в момент Великого вибуху щільність маси у Всесвіті була хоч ненабагато менше критичної, то при розширенні ця різниця повинна зростати, гравітаційні сили не можуть впоратися з розширенням, і воно триває вічно. А ми зараз повинні спостерігати, що щільність маси у Всесвіті на багато порядків менше критичної.

Якщо ж середня щільність маси в момент Великого вибуху була надзвичайно близька (або в точності рівна) до критичної, то в дуже далекому майбутньому розширення Всесвіту припиниться, але стиснення після цього так і не почнеться — Всесвіт навіки застигне. А зараз середня щільність маси у Всесвіті відрізняється від критичної не дуже значно. За оцінками астрофізиків, зробленими в сімдесяті роки, щільність маси у Всесвіті, якщо і відрізнялася від критичної, то максимум на один-два порядку.

Здавалося б, відмінність в 10-100 разів — дуже багато! Насправді це не так. Адже, як вже було сказано, з часом, при розширенні, відмінність простору від плоского зростає, і якщо зараз ця відмінність знаходиться в інтервалі 10-100 раз, то спочатку, в момент Великого вибуху, вона не могла перевищувати 10 ^‑ 60! Це така нікчемна величина, що не могло не виникнути питання: невже хтось спеціально «підігнав» параметри так, щоб Всесвіт виявився плоским?

Звичайно, точність спостережень у сімдесяті роки була невисокою, середню щільність маси вдавалося виміряти лише в межах порядку величини, але порядок цей був близький до очікуваної щільності плоского Всесвіту.

І ще. Всесвіт заповнений галактиками, зірками, скупченнями і в масштабах, порівнянних з розмірами самих галактик, виглядає дуже неоднорідним. Але в набагато більших масштабах, порівнянних з розмірами Всесвіту, наш світ надзвичайно однорідний — в будь-якому місці середня щільність маси приблизно одна і та ж. Чому?

Американський астрофізик Алан Гут у 1980 році запропонував незвичайну, але красиву ідею, яка не тільки пояснювала, чому Всесвіт плоский і однорідний, але вирішував і інші проблеми космології.

Втім, як це часто трапляється в науці, у гіпотези, яку Гут викладав на різних конференціях, була передісторія. Роком раніше були опубліковані роботи радянських фізиків В’ячеслава Муханова та Олексія Старобінського, де вони виклали ідеї, які потім «озвучив» Гут. Однак гіпотеза радянських вчених не знайшла відгуку у фізиків.

А ось Гут зумів привернути увагу до нової ідеї, і на неї «накинулися» інші фізики, серед яких були Андрій Лінде і Олександр Віленкін, які зуміли впоратися з вадами попередніх версій.

Наш Всесвіт, як зараз стверджують багато космологів, виник у той момент Великого вибуху, коли щільність і температура матерії досягали неймовірно величезних значень: температура була близько 10³² Кельвінів, а щільність — 10⁹³ г/см³! Швидко розширюючись, Всесвіт остигав, а щільність речовини в ньому зменшувалася.

Припущення космологів полягало в тому, що Великому вибуху передувала надзвичайно коротка стадія розширення простору, названа ними інфляційною за аналогією зі звичайною інфляцією в економіці. При інфляції ціни ростуть, подвоюючись за відносно постійний проміжок часу. В економіці цей проміжок часу обчислюється роками або навіть (при низькій інфляції) десятиліттями, а при космічній інфляції розмір простору ще, по суті, Всесвіту, що не народився, подвоювався за «планківський час», тобто за кожні 10 ⁻ 43 секунди! І тому вже через малу частку секунди після початку інфляційного процесу простір розширився мало не до розмірів нинішнього Всесвіту!

Хіба це можливо? Адже ніщо матеріальне не може переміщатися з надсвітовими швидкостями. Вірно — але розширювалася не речовина, якої тоді ще не було, а сам простір, порожнє ніщо. Точніше — так званий помилковий вакуум, в якому відбувалися квантові флуктуації.

Як з’ясували фізики, порожній простір, вакуум (у звичайному нашому уявленні — ніщо!) може перебувати в різних фізичних станах. Є, наприклад, звичайний вакуум у стані з мінімальною енергією, а є вакуум помилковий — його енергія мінімальна лише локально. Іншими словами: цей мінімум нестійкий, і помилковий вакуум зрештою переходить у стан звичайного вакууму.

Одна з квантових флуктуацій в помилковому вакуумі і призвела до того, що сили гравітаційного відштовхування значно перевищили силу тяжіння, і простір почав надзвичайно швидко «роздуватися». В принципі, таке «роздмухування» може тривати вічно («нескінченна інфляція», по Гуту), але помилковий вакуум, на щастя для нас, нестабільний, і в якийсь момент в якійсь точці «роздувається» простору він розпався. Стався, як кажуть фізики, фазовий перехід — помилковий вакуум порожній в більш стійкий стан з низькою енергією і перетворився на звичайний вакуум. А вся «зайва» енергія помилкового вакууму виділилася, ось тоді-то і виникла розпечена до неймовірних температур куля зі звичайної речовини і випромінювання, яка продовжила за інерцією розширюватися — звичайно, зі швидкістю, меншою, ніж швидкість світла. Народилися протони і електрони, через кілька сотень тисячоліть вони об’єдналися в атоми водню, потім виникли перші зірки, галактики, скупчення галактик, планети, в тому числі Земля…

Але Великий вибух відбувається там, де хибний вакуум перетворюється на звичайний. В цілому ж інфляція триває, простір «роздувається», і народжений Всесвіт виявляється занурений в цей помилково розширюється (інфлює, як кажуть космологи) помилковий вакуум. В іншій його точці теж відбувається фазовий перехід нестабільного вакууму в звичайний, і спостерігається ще один Великий вибух, народжується ще один всесвіт. І в третій точці, четвертій, п’ятій… мільйонної… Народжується величезна (можливо, нескінченна!) кількість всесвітів, і кожна з них живе за своїми фізичними законами («хаотична інфляція», за Ліндою). Одні всесвіти існують долі секунди і «схлопуються», оскільки щільність маси виявляється занадто великою. Інші живуть нескінченно довго, якщо щільність маси в них мала. Новонароджені всесвіти складаються зі звичайної матерії, яка не може переміщатися швидше світла. А помилковий вакуум, куди ці всесвіти занурені, продовжує «роздуватися», простір між всесвітами збільшується з надсвітовою швидкістю, і, значить, народжені всесвіти дуже швидко віддаляються один від одного на такі величезні відстані, що всякі контакти між ними стають неможливі.

Теорія інфляції легко і природно вирішила проблему плоского Всесвіту. Якщо Великому вибуху передувала інфляція, то нинішній Всесвіт просто зобов’язаний бути плоским! Навіть якщо на самому початку інфляції простір і був «закритим» або «відкритим», то в процесі інфляції він розширився у величезну кількість разів. Коли в помилковому вакуумі стався фазовий перехід і стався Великий вибух, простір був вже плоским, як стає (виглядає!) практично плоскою поверхня у багато разів роздутої повітряної кулі.

Правда, в реальності, як зазвичай, все складніше і цікавіше! У вісімдесяті роки минулого століття техніка астрофізичних спостережень дозволила нарешті досить надійно визначити щільність видимої речовини у Всесвіті. До розчарування космологів, виявилося, що щільність ця занадто мала, всього лише близько відсотка від критичної, передбаченої теорією інфляції.

Розчарування, втім, тривало недовго. У ті ж вісімдесяті роки вдалося досить точно виміряти маси галактик (за швидкістю їх обертання і світності), і заново вимірені маси виявилися на порядок більше тих, що виходили раніше (тільки за величиною світності). Спостереження показували, що в галактиках присутня невидима маса, яка проявляє себе лише своїм полем тяжкості. І маса ця (її назвали темною речовиною) набагато більше маси всіх видимих в телескопи об’єктів. Значить, космологи можуть розслабитися: проблема вирішена, і Всесвіт все-таки плоский?

Не зовсім. Якщо скласти видиму масу з невидимою, то загальна щільність речовини у Всесвіті виходила все одно приблизно втричі менше критичної! Може, неправильно визначили величину невидимої маси? Ні, точність спостережень в останні роки минулого століття була вже достатня, щоб подібна помилка виглядала неможливою. І знову, здавалося б, інфляційна теорія «повисла на волосині»: вона пророкувала практично плоский Всесвіт, а спостереження свідчили, що Всесвіт втричі менш масивний і, отже, підпорядковується неевклідовій геометрії Лобачевського. Навіщо тоді потрібна інфляція?

Зміна щільності речовини (звичайної і темної) і темної енергії з віком Всесвіту

Врятувала теорію ідея, яку висунув ще Ейнштейн рівно сто років тому — в 1917 році. Ідея, від якої Ейнштейн згодом відмовився, назвавши її «найбільшою помилкою». Про цю ідею фізики забули надовго, але через три чверті століття згадали, коли космологи спробували все-таки поєднати теорію інфляції зі спостереженнями, коли вони намагалися знайти у Всесвіті щось, що зробило б її плоскою. І знайшли. Вакуум, в якому розбігаються галактики, теж володіє енергією, а отже, масою! Більш того, щільність енергії (і маси!) вакууму, згідно ейнштейновських рівнянь, одна і та ж в будь-якій точці і не змінюється при розширенні Всесвіту. Саме про це писав Ейнштейн 1917 року. Він був прихильником ідеї статичного і вічного Всесвіту, а з рівнянь виходило, що Всесвіт статичним бути не може — він повинен або розширюватися, або стискатися. Тоді Ейнштейн ввів у рівняння постійну величину — космологічний член, тому що хотів отримати таке рішення рівнянь, при якому Всесвіт був би стабільним і нерухомим. Коли Едвін Хаббл в 1929 році довів, що Всесвіт розширюється, Ейнштейн виключив космологічний член з рівняння, але багато років потому виявилося, що зробив він це марно. Космологічний член (або, як зараз кажуть, космологічна постійна) якраз і описував приховану енергію вакууму, ту саму, яка вносить внесок у загальну щільність матерії у Всесвіті.

Темна енергія розштовхує Всесвіт, змушує його розширюватися швидше.

Теоретично все прекрасно зійшлося: за сучасними даними, всього лише 4% маси Всесвіту становить видима в телескопи речовина (галактики, зірки, плазма, пил, газ), ще 22% — невидима речовина, що проявляє себе тільки полем тяжкості. Можливо, це якісь невідомі поки науці елементарні частинки. А інша маса (74%) припадає на невідоме поле, що володіє величезною енергією (її назвали темною), рівномірно розподіленою по всьому обсягу видимого Всесвіту.

Щільність речовини (звичайного і темного) при розширенні Всесвіту, природно, зменшується, але щільність темної енергії залишається незмінною в будь-якій точці і в будь-який момент часу, починаючи з Великого вибуху.

Звідси слід дуже цікава і важлива річ. Зараз щільність темної енергії більша, ніж щільність речовини (звичайної і темної): відповідно 74 і 26%. У минулому було навпаки. А це, в свою чергу, означає, що в минулі часи сили тяжіння у Всесвіті переважали над силами відштовхування і розширення сповільнювалося. Але в якийсь момент сили відштовхування стали більше сил тяжіння і Всесвіт став розганятися, як автомобіль на трасі.

Коли в 1995 році Лоуренс Краусс і Майкл Тернер висловили цю ідею, колеги сприйняли її скептично, але не минуло й трьох років, як відразу дві групи астрофізиків (в рамках проектів Supernova Cosmology Project і High-Z Supernova) опублікували результати своїх спостережень, з яких випливало: приблизно п’ять мільярдів років після Великого вибуху Всесвіт розширювався, поступово сповільнюючись, а потім почався період прискореного розширення, який триває досі. Висновок цей астрофізики зробили, спостерігаючи за численними спалахами позагалактичних наднових, що знаходяться на різних відстанях — від найближчих околиць Чумацького Шляху аж мало не до самого «горизонту». Мова йде про наднові типи Ia — вони відрізняються від інших наднових тим, що в максимумі мають однакову світність і їх можна використовувати в якості «стандартних свічок», за якими з хорошою точністю визначати відстані до самих далеких об’єктів Всесвіту.

Найдивніше і незвичайне передбачення інфляційної теорії було підтверджено спостереженнями!

У ті ж роки підтвердилося й інше передбачення. В інфляційній теорії фальшивий вакуум — ніщо, з якого виник Всесвіт, — надзвичайно однорідний. Однак і в самій однорідній «порожнечі», якщо вірні квантові закони (а ще не виявлено жодного випадку, коли ці закони порушувалися б!), неминуче виникають флуктуації, оскільки діє принцип невизначеності. Флуктуації повинні були виникати і в помилковому вакуумі, а інфляція ці флуктуації розтягнула в просторі. Великий вибух закріпив флуктуації у вигляді незначної різниці в щільності і температурі виниклої речовини. Якщо теорія вірна, то зараз первинні флуктуації повинні проявляти себе як слабкі варіації температури і яскравості реліктового мікрохвильового випромінювання. Більш того, теорія інфляції дозволяє розрахувати величину флуктуацій, і, отже, їх можна спробувати виявити в реально спостережуваному мікрохвильовому тлі.

Карта флуктуацій мікрохвильового фону за даними супутника WMAP. Ілюстрація: NASA

Перші спостереження, проведені у вісімдесяті роки минулого століття, були недостатньо чутливі, і реліктовий фон представлявся рівною, без плям, скатертиною, що покривала все небо. Інфляційна теорія передбачала, що величина флуктуацій повинна становити всього лише одну стотисячну від яскравості випромінювання. І можна уявити хвилювання теоретиків, коли запущений в 2006 році супутник WMAP дійсно став сканувати реліктовий фон з такою чутливістю. Якби флуктуації фону виявити не вдалося, удар по теорії інфляції був би таким важким, що, можливо, довелося б придумувати інше пояснення сучасному стану Всесвіту. Але все не просто обійшлося: спостереження підтвердили передбачення теорії інфляції з точністю, на яку теоретики навіть не сподівалися.

Після польоту WMAP у фізиків зникли сумніви в тому, що Великому вибуху передував надзвичайно короткий період нестримного розширення помилкового вакууму — порожнього, по суті, простору.

Теорія інфляції перемогла, і в правоті її зараз немає сумнівів у переважної більшості фізиків. Передбачення цієї теорії виправдовуються з приголомшливою точністю: і те, що Всесвіт плоский, і те, що він однорідний на великих масштабах, і те, що існує мікрохвильове випромінювання, що залишилося від Великого вибуху, і те, що в мікрохвильовому тлі є передбачені флуктуації щільності і температури.

Хороша теорія не може бути правильною в одному і неправильною в іншому. Якщо з теорії слідують, скажімо, два висновки, а поки вдалося підтвердити один, це не означає, що другий, поки непідтверджений, можна оголосити невірним — тоді доведеться і всю теорію вважати неправильною!

А з теорії випливає, що, по-перше, одного разу почавшись, інфляція триває вічно і, по-друге, в роздувається вакуумі весь час виникають «острівці» вакууму звичайного, постійно відбуваються Великі вибухи, народжуються нові всесвіти. Може статися, що два «сусідні» всесвіти розширюються одна назустріч іншій. Тоді вони можуть зіткнутися, і, спостерігаючи мікрохвильовий фон, ми, по ідеї, можемо побачити сліди зіткнення світів. Виглядати це має як велика «пляма» в мікрохвильовому випромінюванні (не дрібна флуктуація, поява якої пояснюється квантовими ефектами, а велика пляма розміром в кілька градусів). Подібні плями дійсно були виявлені в 2011 році на картах мікрохвильового фону, отриманих за даними супутника «Планк».

Теорія нескінченної і хаотичної інфляції підтверджується спостереженнями з такою точністю, якої досі не було в космологічній науці. Та й взагалі, в астрофізиці трохи можна знайти теорій, настільки успішних і відповідних реальності.

Космологи вже років двадцять не сперечаються про те, чи стався Великий вибух в кінці періоду нестримного розширення простору. Обговорення ведуться на набагато глибшому рівні. Наприклад, теорія стверджує, що в перші миті після Великого вибуху повинно було виникнути потужне гравітаційне випромінювання. За мільярди років це випромінювання, як і мікрохвильовий фон, ослабло на багато порядків, і зафіксувати його прямими спостереженнями поки неможливо. Теорія, однак, підказує: реліктове гравітаційне випромінювання можна виявити непрямими методами, вивчаючи поляризацію мікрохвильового фону. Такі дослідження ведуться, і, оскільки вже підтвердилися багато передбачення інфляційної теорії, мало хто з фізиків сумнівається, що і реліктове гравітаційне випромінювання буде виявлено — рано чи пізно, прямо або побічно.

І одне з головних питань — чи зможуть фізики підтвердити існування інших всесвітів, також передбачених теорією вічної і хаотичної інфляції? Ось хороша задача, космологією ще не вирішена. Є чим зайнятися в майбутньому.