Сергей Минаков - Таинственные явления природы и Вселенной

Точно так же трудно объяснить, что сила, которая после Большого взрыва заставляет частицы разлетаться, находится в тончайшей гармонии с гравитационным притяжением, замедляющим расширение огненного шара. Если бы плотность материи во Вселенной была больше, ее гравитационного притяжения хватило бы, чтобы остановить расширение и в итоге заставить Вселенную вновь сжаться до точечных размеров (сколлапсировать). Наоборот, при совсем не намного меньшей плотности Вселенная расширялась бы бесконечно и в ней не могли бы появиться какие бы то ни было неоднородности — звезды, галактики, планеты… Такая Вселенная оказалась бы заполненной только очень разреженным газом. Наблюдаемая плотность с точностью до нескольких процентов равна «критическому» значению, которое соответствует границе между этими двумя режимами. Чтобы спустя 14 млрд лет — то есть при нынешнем возрасте Вселенной — ее плотность оставалась почти равной критической, начальное состояние должно быть выверено с хирургической точностью. Вычисления показывают, что она не должна отличаться больше чем на одну десятитриллионную долю процента! Ясно, что таких совпадений по воле случая не бывает. Тогда почему это так?

Все это тесно соотносится с вопросом о геометрии Вселенной. Благодаря Александру Фридману мы знаем о связи между плотностью Вселенной и ее крупномасштабной геометрией. Вселенная будет замкнутой, если плотность выше критической, открытой — при более низкой плотности и плоской, если плотность в точности равна критической. Таким образом, вопрос, почему плотность Вселенной так близка к критической, можно заменить вопросом, почему геометрия пространства так близка к плоской. Физики так и поступили и стали говорить о проблеме плоской геометрии Вселенной.

Фактически и проблема горизонта, и проблема плоской геометрии ведут к одному и тому же фундаментальному и волнующему вопросу: что же в действительности произошло тогда, в момент Большого взрыва? Долгие десятилетия физикам даже не было понятно, как начать разговор на эту тему. Поэтому данные проблемы почти не обсуждались, пока на небосклоне космологической науки не появился похожий на студента-старшекурсника американский физик-теоретик Алан Гут.

Если на одну шахматную клетку положить 1 зернышко риса и далее на каждую следующую клетку класть удвоенное количество от того, что лежит на предыдущей (то есть на вторую — 1 × 2 = 2 зернышка, на третью 2 × 2 = 4 зернышка, на третью 4 × 2 = 8 зернышек и т. д.), то в итоге общий вес риса на шахматной доске составит более 460 млрд т. Это примерно в тысячу раз больше, чем годовой урожай риса на всей Земле.

Алан Гут в 1981 году просто подумал: а что если на ранних стадиях эволюции Вселенной существует некое космологическое гравитационное отталкивание? Ведь это как раз то, что нужно! Тогда Вселенная будет очень-очень быстро раздуваться, от размеров атома до размеров, во много раз превосходящих всю наблюдаемую ныне область! Этот этап эволюции Вселенной назвали инфляционной стадией, или просто инфляцией.

Однако если для Эйнштейна природа космологической постоянной оставалась совершенно неведомой, и «антигравитационный» член был просто формальным добавлением в уравнениях ОТО, то для объяснения природы инфляции к услугам Гута и его последователей была вся мощь современной теории элементарных частиц!

Мы привыкли считать и твердо уверены в том, что вакуум — это пустота. Вакуум — это когда мы «вытряхиваем» из пространства (из некоторой камеры или из всего пространства — не имеет значения) все частицы и все излучения. Что же остается? Ничего, пустое пространство, о котором нечего больше сказать. Так приучила нас думать классическая физика. Однако с точки зрения современной теории элементарных частиц вакуум — это особый физический объект. И главное заключается в том, что вакуум обладает ненулевой энергией.

Пойдем далее. Вакуум может находиться в разных состояниях — физики называют их просто «разными вакуумами». Типы элементарных частиц, их массы и взаимодействия определяются соответствующим вакуумом. Отношения частиц и вакуума чем-то напоминает круги на воде: круги — это частицы, вода — это вакуум. От материальных свойств воды во многом зависит, какие будут круги, как они будут расходиться и т. д.

Вакуум, которым заполнена Вселенная вокруг нас, находится в наинизшем энергетическом состоянии. Его называют «истинным вакуумом» — он, как бы это сказать… наиболее пуст. Физики собрали массу знаний о частицах, которые населяют этот тип вакуума, и силах, действующих между ними. К примеру, сильное ядерное взаимодействие связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах. Электромагнитные силы удерживают электроны на их орбитах вокруг ядер. А слабое взаимодействие отвечает за поведение легчайших частиц, называемых нейтрино. В соответствии со своими именами эти три взаимодействия обладают очень разной силой, причем электромагнитное взаимодействие занимает промежуточное положение между сильным и слабым.