Пенсионный советник

Космологическая загадка-4

Лектор: 25.05.2006, 11:46
М100, Фото: Hubblesite.org

В последней лекции о космологической постоянной представлены теории, пытающиеся объяснить её загадку.


1. Инфляция снова и снова

Существует очевидная аналогия между современным ускоряющимся расширением Вселенной и инфляцией в первые моменты её жизни - разница, по сути, терминологическая. В обоих случаях расширение идёт по экспоненциальному закону, или очень близко к нему. В обоих случаях причиной является относительно высокая плотность энергии вакуума. Кроме того, мы знаем, что первоначальная инфляция закончилась - энергия скалярного поля, которое её породило, пошла на раздувание пространства и возникновение материи.

О природе этого скалярного поля известно очень мало, так что несложно предположить, что в нём присутствуют несколько компонент. Тогда в разные периоды жизни Вселенной будут доминировать разные составляющие, которые, сменяя друг друга, будут обеспечивать ускоряющееся расширение Вселенной. Выработав свой ресурс, очередная компонента уступает место следующей, в промежутках между такими периодами во Вселенной доминирует вещество и её расширение оказывается замедляющимся.

В этом случае нет ничего удивительного, что мы живём в период, когда начинается эра одной из компонент скалярного поля - если бы нам довелось родиться в другое время, мы просто наблюдали бы расцвет иной составляющей. Никакой проблемы совпадения нет. Ким Грист приводит следующую аналогию: мы не считаем совпадением, что период полураспада урана-238 очень близок к возрасту Солнечной системы, поскольку у этого элемента много различных изотопов, и среди них можно выбрать какой-нибудь с периодом полураспада почти на любой вкус.

У такого подхода есть даже проверяемые предсказания - проверяемые в принципе, поскольку точность астрономических наблюдений пока недостаточна.

Среди них, например, то, что отношение абсолютной величины давления вакуума к его энергии будет равно не в точности единице, как для космологической постоянной, а чуть меньше, причём это отличие можно связать с величиной энергии и характерным временем «затухания» каждой конкретной компоненты. Аналогичные соображения, ещё до результатов 1998 года, высказывал Николай Семёнович Кардашёв. В частности, указывал он, равно как и при инфляции, затухание отдельных составляющих скалярного поля может приводить к массовому рождению элементарных частиц «из вакуума».


2. Судный день?

Другой, слегка неожиданный подход, основан на том, что всё те же наблюдения сверхновых можно описать и если предположить, что отношение давления к плотности тёмной энергии не меньше, как для обычного скалярного поля, а больше единицы. Физики очень не любят рассуждать о веществе с такими свойствами, поскольку они нарушают некоторые общие принципы, однако феноменологически ничего плохого в этом нет.

В большинстве таких моделей ускорение Вселенной происходит всё возрастающими темпами, и в течение конечного времени происходит так называемый «Большой разрыв» - любая связанная система, будь то скопление галактик, человеческое тело или атом, распадается на составляющие, а само геометрическое описание расширения оказывается неприменимым.

Картина не слишком привлекательная, так что неудивительно, что такие модели часто называют «сценариями Судного дня», или «фантомными моделями».

В таком случае разрешение проблемы совпадения состоит в том, что время жизни Вселенной конечно, и для допустимых наблюдениями моделей, большую часть своей совсем не вечной жизни, она проводит с отношением плотности тёмной энергии к плотности энергии вещества в районе единицы. Впрочем, описанное рассуждение чаще используется не как разрешение проблемы совпадения через фантомные модели, а как аргумент в пользу фантомных моделей на основе наблюдаемого совпадения.

3. Обратная реакция

Предыдущие два объяснения для решения проблемы совпадения заменяли космологическую постоянную на более сложную сущность - тёмную энергию. В прошлом году, тем не менее, группа американских и итальянских физиков предложила пойти по прямо противоположному пути.

Они поставили под сомнение сам факт того, что ускорение расширения Вселенной вызвано присутствием в нём какой-либо компоненты. Вместо этого они используют идею южноамериканского астрофизика Джорджа Эллиса. В середине 1980-х годов он опубликовал статью, в которой показал: нелинейность уравнений Эйнштейна приводит к тому, что свойства пространства-времени в больших масштабах не могут быть точно выведены из глобального распределения вещества. То есть, мелкие детали могут определить глобальную геометрию, что получило название механизма «обратной реакции».

Пользуясь этими рассуждениями, американо-итальянская группа утверждает, что ускоренное расширение можно объяснить. Особенно если считать, что наблюдаемая Вселенная подвергается влиянию со стороны вещества, которое расположено за её пределами, а геометрия «внешней» Вселенной существенным образом зависит от распределения вещества у нас. При этом расширение начнёт ускоряться как раз тогда, когда распределение вещества во «внутренней» вселенной станет сильно неоднородным. Так как такой переход произошёл не так давно, неудивительно, что именно сейчас мы наблюдаем ускорение.

Впрочем, большинство теоретиков смотрят на эти рассуждения скептически, так как в них получается, что принципиально ненаблюдаемое вещество оказывается способным вызвать в нашем мире наблюдаемые эффекты. Такое утверждение само по себе похоже на парадокс. Дебаты на этот счёт продолжаются.


4. Бранная космология: гравитация утекает

Ещё один возможный путь объяснить ускорение Вселенной на поздних этапах её развития - предположить, что наша Вселенная представляет собой гиперповерхность, трёхмерную мембрану в пространстве большего числа измерений. При этом всё вещество Вселенной обречено жить внутри такой «браны», внутри её распространяются и все известные взаимодействия - кроме гравитации.

Габададзе, Двали и Деффайе предположили, что брана обладает ненулевой кривизной. Начальные стадии развития Вселенной на такой бране ничем не отличаются от того, что происходило бы в «настоящем» трёхмерном пространстве. Однако в дальнейшем, на поздних стадиях эволюции, всё большая часть гравитации «утекает» в пространство снаружи браны, притяжение между галактиками ослабевает и расширение перестаёт замедляться. Таким образом, никакой дополнительной компоненты для объяснения наблюдений сверхновых не нужно.

Стоит заметить, что оригинальная теория, в которой брана обладает эвклидовой геометрией, в принципе способна решить «старую» проблему космологической постоянной - при определённых условиях её наблюдаемое значение на бране обращается точно в нуль.

5. Антропный подход

Наконец, ещё один подход к проблеме космологической постоянной основан на антропном принципе - том неоспоримом утверждении, что мы можем наблюдать лишь такой мир и в такое время, в которых мы можем существовать. Антропный подход является, наверное, наиболее глубоко разработанным и позволяет объяснить обе загадки космологической постоянной - и старую, и новую. Однако не все соглашаются с таким объяснением по идеологическим соображениям - многим кажется, что антропный принцип уже выходит за пределы физики.

В рамках данного подхода предпочтительнее разделять собственно космологическую постоянную и плотность энергии вакуума. В уравнения Эйнштейна они входят в сумме, однако нетрудно предположить, что их физическое происхождение различно - в космологическое уравнение Эйнштейна одинаково входят, например, нейтроны и нейтронные звёзды, однако первые представляют собой элементарные частицы, а вторые - грандиозные остатки эволюции массивных звёзд. Тем же способом в уравнения ОТО входили бы даже нейтронные бомбы, если бы их количество имело космологический масштаб.

В этом случае основная идея становится сразу понятной: сумма космологической постоянной и энергии вакуума не может быть слишком большой положительной или отрицательной величиной. В первом случае Вселенная мгновенно раздулась бы до огромных размеров, и в ней не было бы ни галактик, ни звёзд. Противоположный случай также невозможен - как показывают, например, упоминавшиеся расчёты Паули, Вселенная оказалась бы слишком маленькой и прожила бы совсем недолго.

Если космологическая постоянная является «случайной» константой, способной принимать любые значения, то истинное значение энергии вакуума уже не так и важно.

С точки зрения антропного принципа, важно лишь чему равна сумма этой энергии и космологической постоянной - в этом приближении возможность существования наблюдателя зависит только от суммы, и все реализации, при которых он существовать не может, стоит отбросить. Вероятность после этого вычисляется лишь среди тех реализаций, где наблюдатель может присутствовать.


Предположение, что истинная космологическая постоянная является «случайной» переменной, способной принимать огромное множество значений, получает обоснование в теории «вечной» инфляции. В рамках этой картины, новые вселенные зарождаются внутри старых постоянно, как только в небольшом участке уже существующей вселенной сформируются подходящие условия (в первую очередь, он должен быть достаточно однородным).

При этом физические законы и константы в новорождённом мире выбираются случайным образом из огромного набора непротиворечивых вариантов, предполагаемых теорией суперструн, а старая вселенная в глобальном смысле может даже не заметить возникновения внутри неё нового мира. Получающееся в итоге удивительное многообразие трудно вообразить, но можно назвать словом «Мультиверсум» (в русском языке нет устоявшегося термина, в английском Multiverse очевидным образом перекликается с Universe - Вселенная).

Общее количество возможных вселенных, обладающих разными физическими законами, очень велико - по приблизительным оценкам, возможных решений оказывается до десяти в пятисотой степени штук. Это число называют объёмом струнного ландшафта.

Совместимых с существованием наблюдателя среди них совсем немного, и разумно предположить, что интересующие нас параметры с равной вероятностью принимают все возможные значения в разрешённых антропным принципом пределах. Таким образом оказывается возможным вычислить вероятности наблюдения тех или иных значений этих параметров.

Для проведения конкретных расчётов, сторонники антропного принципа - Вайнберг, Виленкин, Эфстафиу и другие - делают различные предположения, самым общим из которых является то, что для появления разумной жизни, способной воспринимать окружающий мир, необходимо, по меньшей мере, чтобы во Вселенной могли существовать атомы и молекулы, галактики имели возможность сформировать звёзды, а звёзды - произвести в своих недрах тяжёлые элементы, из которых мы все состоим. В таком случае вероятность ничтожно маленького наблюдаемого значения космологической постоянной оказывается достаточно высокой - в зависимости от конкретных деталей вычислений, она варьируется примерно от 5 до 20 процентов. Никакого парадокса не остаётся.

Примечательно, что все эти вычисления были проделаны ещё до обнаружения ускоренного расширения Вселенной, то есть антропный принцип показал некоторую предсказательную силу. Однако повторить эксперимент в данном случае невозможно - для исследований нам дана всего одна Вселенная. Вероятно, именно по этой причине многие физики по-прежнему смотрят на адептов антропного подхода с известным подозрением.

Имеет ли какое-либо из предложенных объяснений отношение к реальному положению дел с загадками космологической постоянной, пока понять невозможно. Однако тот факт, что решение подобных вопросов в течение последних ста лет порождало самые интересные космологические теории, заставляет смотреть в будущее с оптимизмом

Возможно, нам скоро опять очень повезёт.