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?
Самый простой ответ состоит в том, что до Большого взрыва ничего не было, поскольку именно он и отметил рождение пространства и времени. Стивен Хокинг и Джеймс Хартл выдвинули гипотезу об отсутствии границ, согласно которой по мере нашего продвижения назад, в сторону Большого взрыва, время будет терять свой смысл и превращаться во что-то похожее на пространственное измерение. Таким образом, в точке начала Вселенной мы получаем гладкое четырехмерное пространство. Поэтому бессмысленно спрашивать, что произошло до Большого взрыва, точно так же, как бессмысленно спрашивать, какая точка на поверхности Земли лежит южнее Южного полюса.
Одной модели Большого взрыва недостаточно, чтобы объяснить структуру Вселенной, как мы ее видим сегодня. В частности, полвека назад космологи столкнулись с двумя озадачившими их проблемами. Первую назвали проблемой плоского пространства-времени. Это еще один вопрос тонкой настройки, относящийся к плотности материи и энергии во Вселенной, которая, видимо, имеет как раз нужное значение, чтобы сделать пространство почти совершенно плоским[32].Вторую называют проблемой горизонта. То, что мы можем рассмотреть в космосе, составляет, вероятно, лишь крошечную долю всей Вселенной, поскольку существует горизонт, за который нам не заглянуть. Этот горизонт является границей того, что известно как видимая Вселенная. Он существует потому, что Вселенная не вечна, а свету нужно время, чтобы до нас добраться. Дополнительная трудность в том, что Вселенная расширяется, и на определенном удалении пространство расширяется быстрее, чем проходящий через него свет (это как подниматься наверх по быстро движущемуся вниз эскалатору).
Представьте себе галактику на одном краю видимой Вселенной и другую галактику – на противоположном краю. Из-за расширения Вселенной ни одно мыслящее существо, живущее в любой из этих галактик, не имеет ни малейшего понятия о существовании другой, поскольку свет от одной еще не достиг другой галактики, да и никогда до нее не дойдет. По сути, те области пространства, в которых находятся наши две галактики, никогда не смогут вступить в контакт или обмениваться информацией. Но почему это проблема? Потому, что, куда бы мы ни посмотрели и как бы далеко ни заглянули, Вселенная везде одинакова. Обе галактики кажутся одинаковыми – во всяком случае, нам, находящимся между ними, – с точки зрения их физических характеристик, состава и структуры материи. Как же так может быть, если в прошлом они никогда не контактировали между собой?
Чтобы найти решение этих двух проблем – плоского пространства-времени и горизонта, 40 лет назад была выдвинута концепция космической инфляции. Вот ее суть: когда от момента рождения Вселенной прошли какие-то доли секунды, она испытала короткий период экспоненциального расширения, обусловленного еще одним квантовым полем – инфляционным. В течение этого периода она расширялась с неимоверной скоростью, достигнув размеров в триллионы и триллионы раз больше первоначальных. Это решает проблему тонкой настройки плотности, порождающей плоское пространство-время, которое мы наблюдаем сегодня, поскольку малейшее искривление подверглось растяжению вследствие инфляции.
То, как инфляция помогает решить проблему горизонта, – еще интереснее. Обычное объяснение таково: отдаленные друг от друга участки Вселенной, которые, по-видимому, никогда не имели возможности контактировать друг с другом и, таким образом, синхронизировать свои физические свойства, первоначально были в контакте, однако инфляция привела к такому стремительному расширению пространства, что теперь кажется, что они слишком далеки друг от друга, чтобы между ними когда-либо могли существовать причинно-следственные связи.
Я сказал, что это обычное объяснение, однако, если задуматься, есть два момента, которые кажутся сомнительными, когда мы называем инфляцию стремительным расширением. Во-первых, для того, чтобы удаленные друг от друга части Вселенной могли обмениваться информацией, когда они были ближе, требовалось бы, чтобы они оставались рядом более продолжительное время, а не разлетелись с немыслимой скоростью. Во-вторых, когда в математике что-то характеризуется как экспоненциальное, имеется в виду, что сначала происходят медленные изменения, которые затем ускоряются (и кривая стремится наверх все быстрее). Именно таким образом лучше всего представлять себе первоначальную инфляцию Вселенной. Она началась медленно, а затем ускорилась. Далее в какой-то момент эта экспоненциальная инфляция уступила место тому, что называется степенным законом, когда вместо того, чтобы ускоряться, расширение Вселенной стало опять замедляться – и это до того момента, когда темная энергия ворвалась в формирование Вселенной и снова ускорила ее расширение.
Наверное, вам непонятно, что делает теорию инфляции столь привлекательной и как она должна работать. Поэтому давайте посвятим некоторое время тому, чтобы раскрыть ее содержание.
Чтобы понять, как работает инфляция, надо понимать различие между положительным и отрицательным давлением. Представьте себе, что в руках у вас надутый шарик. Если вы сожмете шарик, вы затратите некоторую энергию на то, чтобы уменьшить объем воздуха в шаре, увеличив тем самым его плотность, причем эта энергия перейдет к молекулам воздуха. Теперь представьте себе противоположный процесс: отпустите шарик так, чтобы он снова расширился до своего первоначального размера, а плотность воздуха внутри шара уменьшилась. Теперь энергия молекул воздуха тоже должна упасть до своего первоначального уровня[33].Таким образом, когда объем воздуха внутри шара увеличивается, его энергия уменьшается. Так обстоят дела с нормальным, положительным давлением: по мере роста объема энергия падает.
Но что, если наполнить шарик необычным веществом, которое ведет себя противоположным образом? Что, если при увеличении объема его энергия не падала бы, а оставалась прежней и количество энергии на единицу объема оставалось бы прежним, так что общий уровень энергии возрастал бы? Это мы и имеем в виду, когда говорим об отрицательном давлении: уровень энергии шарика повышается не при сжатии, а при увеличении объема. Самый яркий пример тому из обычной жизни – резиновая лента: растягивая ее, вы увеличиваете ее энергию.
Именно это и происходит с инфляционным полем в космическом пространстве: оно похоже на резиновую ленту и обладает тем же свойством – каждый раз, когда объем пространства увеличивается вдвое, его общая энергия тоже удваивается, чтобы сохранить постоянную плотность поля. Так что инфляционное поле обеспечивает Вселенную энергией точно так же, как вы сообщаете энергию резиновой ленте, когда ее растягиваете.
Здесь вы должны задать два вопроса. Во-первых, почему инфляционное поле вызывает расширение космического пространства? Ведь резиновая лента не растягивается сама по себе. И во-вторых, откуда берется энергия, которую генерирует инфляционное поле? На оба вопроса можно найти непростые, но логически обоснованные ответы, и кроются они, как вы понимаете, в уравнениях общей теории относительности.
Полевые уравнения Эйнштейна говорят о том, что, кроме массы и энергии, гравитация может быть связана с давлением. Поэтому молекулы воздуха в шарике, находящиеся под положительным давлением, порождают нормальную силу притяжения, а вещество с отрицательным давлением вызовет противоположный эффект – антигравитацию, которая будет приводить к расширению, а не к сжатию. Инфляционное поле обладает тем свойством, что отталкивающий эффект его отрицательного давления (антигравитации) сильнее, чем нормальное притяжение, вызываемое его энергией, и это вызывает расширение космического пространства нарастающими темпами.
Что касается того, откуда изначально взялась энергия инфляционного поля, то она заимствуется из его собственного гравитационного поля. Вспомните о мячике на макушке холма: он обладает запасом потенциальной энергии, которая при скатывании вниз превращается в кинетическую. Однако мячик, скатившийся с горы, не обладает потенциальной энергией, тогда как мячик, упавший в яму, обладает отрицательной потенциальной энергией (поскольку для того, чтобы поднять его на поверхность, требуется некоторая энергия). Похоже на то, что наша Вселенная началась с отсутствия какого-либо пространства или энергии, а квантовые колебания заставили ее спуститься по гравитационному «склону». Двигаясь вниз, она накапливала положительную энергию, которая по мере спуска на гравитационную равнину компенсировалась увеличением отрицательной потенциальной гравитационной энергии (рис. 5). Космологи называют это «Вселенная как бесплатный обед», то есть нечто, возникшее из ничего. Это очень остроумный ответ на вопрос о том, откуда изначально взялись материя и энергия.