Сабина Хоссенфельдер - Уродливая Вселенная [Как поиски красоты заводят физиков в тупик]

Тот факт, что Вселенная расширяется, означает, что в прошлом вещество было сильно сжато. Значит, ранняя Вселенная была наполнена очень плотным, но почти гомогенным «супом» из частиц. Притом очень горячим, то есть средняя энергия столкновений отдельных частиц была высокой. Возникает проблема: если температура превышает примерно 10 17кельвинов [43] Температура 10 17 кельвинов – это практически то же самое, что и 10 17 градусов по Цельсию или по Фаренгейту. , то средняя энергия столкновений превышает ту, что позволяет исследовать сейчас Большой адронный коллайдер. Для более высоких температур – а значит, для более ранней Вселенной – у нас нет надежных знаний о поведении материи. У нас, конечно, имеются кое-какие предположения, и мы поговорим о некоторых из них в пятой и девятой главах. Но пока давайте сосредоточимся на том, что творится ниже этой температуры, где согласованная космологическая модель в силах объяснить, что же именно происходит.

Общая теория относительности дает нам уравнения, которые связывают расширение Вселенной с видами заключенных в ней энергии и вещества. Таким образом, космологи могут выяснить состав Вселенной, перебирая различные комбинации вещества и энергии и отслеживая, которая из них лучше всего объясняет наблюдения (точнее, космологи предоставляют это компьютеру). Они повторяют процедуру каждый раз, как появляются новые наблюдательные данные. И какие же сюрпризы они обнаружили!

Самое шокирующее открытие состоит в том, что основной источник гравитации во Вселенной в наши дни не имеет ничего общего со всем, с чем мы когда-либо сталкивались. Это неизвестный тип энергии, названный «темной энергией», и он составляет ошеломляющие 68,3 % общего запаса энергии-вещества. Мы не знаем, обладает ли темная энергия микроскопической структурой, знаем только, какой эффект она дает. Темная энергия ускоряет расширение Вселенной. Вот почему нам ее нужно так много – данные свидетельствуют, что скорость расширения Вселенной растет. Однако темная энергия тоже очень тонко распределена, и потому мы не в силах детектировать ее в непосредственной близости от себя. Лишь на огромных расстояниях мы замечаем результирующее влияние, выражающееся в разгоне расширения Вселенной.

Простейший тип темной энергии – космологическая постоянная, лишенная какой-либо подструктуры и неизменная как в пространстве, так и во времени. Космологическая постоянная – это то, что используется в согласованной космологической модели в качестве темной энергии, однако темная энергия может быть и чем-то более сложным.

Оставшиеся 31,7 % наполнения Вселенной – это вещество, правда (еще один сюрприз!), преимущественно не тот вид вещества, что нам привычен. 85 % вещества (26,8 % общего запаса энергии-вещества) называют «темной материей». Единственное, что мы знаем о темной материи, – что она редко вступает во взаимодействие, как с самой собой, так и с другим веществом. В частности, она не взаимодействует со светом, откуда и название. Некоторые суперсимметричные частицы ведут себя так, как подобало бы темной материи, но мы до сих пор не знаем, верно ли это объяснение.

Оставшиеся 15 % вещества во Вселенной (4,9 % общего запаса энергии-вещества) составляют стабильные частицы Стандартной модели – материал, из которого вылеплены мы с вами (рис. 7).

Узнав, какие виды энергии и вещества заполняют Вселенную, мы можем воссоздать прошлое. В ранней Вселенной темной энергии (в форме космологической постоянной) было ничтожно мало по сравнению с веществом. Ведь по мере расширения Вселенной плотность вещества уменьшается, тогда как космологическая постоянная остается неизменной. Стало быть, если того и другого сегодня соизмеримо много (соотношение темной энергии и вещества примерно равно 2:1), значит, в ранней Вселенной плотность вещества должна была значительно превышать плотность энергии, выраженной космологической постоянной.

Рис. 7.Энергетический состав Вселенной (для тех, кто не жалует круговые диаграммы)

Итак, при 10 17кельвинов все начинается с «супа», состоящего в основном из вещества и темной материи. Пространство-время реагирует на это вещество, начиная расширяться. Это охлаждает «суп» и способствует формированию первых атомных ядер, а затем легких атомов. Изначально «суп» из частиц настолько густой, что в нем застревает даже свет. Но как только образуются атомы, свет получает возможность распространяться почти без помех.