«Острова» во Вселенной
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Всем известна модель расширяющейся Вселенной. Увы, модель эта, известная теперь и школьникам, разрешив одни парадоксы, породила немало новых. Вот, к примеру, некоторые из них. Ранняя Вселенная должна была быть однородной. Откуда тогда взялись звезды, галактики? Может быть, были какие-то «затравочные неоднородности»? Далее: наше пространство-время, как известно, четырехмерное. А почему, например, не трех- или пятимерное?
Планеты, звезды, метеориты, межзвездный газ — все это состоит из вещества. А где же антивещество? Ведь в процессе эволюции материи должны были возникать и частицы, и античастицы.
На эти и другие подобные вопросы физики в шутку отвечают так: мы живем в однородной, изотропной Вселенной, содержащей избыток вещества над антивеществом, просто потому, что в неоднородной, анизотропной Вселенной, содержащей равное количество вещества и антивещества, жизнь была бы невозможна и никто не задавал бы глупых вопросов.
Возможный сценарий эволюции Вселенной упрощенно выглядит так. Вселенная на самых ранних стадиях своей эволюции могла находиться в неустойчивом вакуумоподобном состоянии, характеризующемся большой плотностью энергии. При этом Вселенная, согласно уравнениям Эйнштейна, должна была расширяться экспоненциально. Затем за счет развития неустойчивости происходит распад вакуумоподобного состояния, вся его энергия переходит в тепловую, и Вселенная разогревается до чрезвычайно большой температуры. А дальше все происходит по известной модели горячей Вселенной.
Зачем же понадобилось вводить это промежуточное экспоненциальное расширение, которое названо «раздуванием»? Оно снимает ряд парадоксов, не разрешимых другим путем.
Теоретические расчеты показывают, что после хаотического раздувания Вселенная разбивается как бы на разные «мини-вселенные», причем с различными типами нарушения симметрии. Такая «островная» структура объясняет четырехмерность пространства-времени, в котором мы живем. Дело в том, что по одной из теорий размерность нашего пространства больше четырех,— она, скорее всего, равна десяти или одиннадцати. Но в ряде случаев пространство может стать как бы более компактным.
Это очень важно: в пространствах размерностью больше четырех гравитационное и электростатическое притяжения быстро убывают с расстоянием и не могут привести к возникновению связанных состояний типа планетных систем или атомов. С другой стороны, в пространствах размерности меньше четырех гравитационное притяжение между удаленными телами, согласно общей теории относительности, вообще отсутствует. Значит, условия, необходимые для возникновения жизни нашего типа, могут оказаться лишь в четырехмерном пространстве-времени. Но поскольку на разных «островах Вселенной» после раздувания может появиться различная размерность, то почему бы на каких-то из них не оказаться пространству четырехмерному? Таким образом, мы с вами живем на одном из островов Вселенной… На других все может быть иначе, даже свойства элементарных частиц могут отличаться. Тогда не исключено, что где-то рядом (по космическим, конечно, понятиям) есть и антимир?
Сценарий хаотического раздувания Вселенной объясняет и происхождение начальных колебаний плотности, необходимых для образования галактик, и однородность и изотропию нашего мира. И, самое интересное,— новый сценарий позволяет лучше осмыслить наиболее, пожалуй, захватывающую проблему: что было, когда «ничего не было»? На этот счет есть разные соображения теоретиков. Одни говорят, что наша Вселенная не может иметь сингулярного состояния, она вечно пульсирует — сжимается и расширяется. Другой подход основан на идее о квантовом рождении нашей Вселенной из какой-то другой Вселенной.
Какой сценарий окажется более достоверным, предположить пока трудно. Но уже ясно, что космологические гипотезы обретают теперь и «земное» звучание. Ведь все больше специалистов по физике высоких энергий начинают сейчас рассматривать Вселенную как уникальную лабораторию для проверки современных теорий элементарных частиц. Значительная часть новых теорий, прежде всего, проходит испытание на «космологическую полноценность». И далеко не все теории выдерживают это испытание.