«Острова» у Всесвіті
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Усім відома модель Всесвіту, що розширюється. На жаль, ця модель, відома тепер і школярам, вирішивши одні парадокси, породила чимало нових. Ось, наприклад, деякі з них. Ранній Всесвіт повинен був бути однорідним. Звідки тоді взялися зірки, галактики? Можливо, були якісь «затравочні неоднорідності»? Далі: наш простір-час, як відомо, чотиривимірний. А чому, наприклад, не три- чи п’ятивимірний?
Планети, зірки, метеорити, міжзоряний газ — це складається з речовини. А де ж антиречовина? Адже в процесі еволюції матерії мали виникати і частки, і античастки.
На ці та інші подібні питання фізики жартома відповідають так: ми живемо в однорідному, ізотропному Всесвіті, що містить надлишок речовини над антиречовиною, просто тому, що в неоднорідному, анізотропному Всесвіті, що містить рівну кількість речовини і антиречовини, життя було б неможливим і ніхто не ставив би дурних питань.
Можливий сценарій еволюції Всесвіту спрощено виглядає так. Всесвіт на ранніх стадіях своєї еволюції міг перебувати в нестійкому вакуумоподібному стані, що характеризується великою щільністю енергії. При цьому Всесвіт, відповідно до рівнянь Ейнштейна, мав розширюватися експоненційно. Потім за рахунок розвитку нестійкості відбувається розпад вакуумоподібного стану, вся його енергія переходить у теплову, і Всесвіт розігрівається до надзвичайно великої температури. А далі все відбувається за відомою моделлю гарячого Всесвіту.
Навіщо знадобилося вводити це проміжне експоненційне розширення, яке названо «роздуванням»? Воно знімає ряд парадоксів, які не можна розв’язати іншим шляхом.
Теоретичні розрахунки показують, що після хаотичного роздування Всесвіт розбивається як би на різні «міні-всесвіти», причому з різними типами порушення симетрії. Така «острівна» структура пояснює чотиривимірність простору-часу, в якому ми живемо. Справа в тому, що за однією з теорій розмірність нашого простору більша за чотири, вона, швидше за все, дорівнює десяти або одинадцяти. Але в ряді випадків простір може стати більш компактним.
Це дуже важливо: у просторах розмірністю більше чотирьох гравітаційне та електростатичне тяжіння швидко зменшуються з відстанню і не можуть призвести до виникнення пов’язаних станів типу планетних систем чи атомів. З іншого боку, у просторах розмірності менше чотирьох гравітаційне тяжіння між віддаленими тілами, відповідно до загальної теорії відносності, взагалі відсутнє. Отже, умови, необхідні виникненню життя нашого типу, можуть виявитися лише в чотиривимірному просторі-часі. Але оскільки на різних «островах Всесвіту» після роздування може з’явитися різна розмірність, то чому б на якихось із них не опинитися чотиривимірному простору? Таким чином, ми з вами живемо на одному з островів Всесвіту… На інших все може бути інакше, навіть властивості елементарних частинок можуть відрізнятися. Тоді не виключено, що десь поруч (за космічними, звичайно, поняттями) є й антисвіт?
Сценарій хаотичного роздування Всесвіту пояснює і походження початкових коливань щільності, необхідні утворення галактик, і однорідність і ізотропію нашого світу. І, найцікавіше, новий сценарій дозволяє краще осмислити найбільш, мабуть, захоплюючу проблему: що було, коли «нічого не було»? Із цього приводу є різні міркування теоретиків. Одні кажуть, що наш Всесвіт не може мати сингулярного стану, він завжди пульсує — стискається і розширюється. Інший підхід заснований на ідеї про квантове народження нашого Всесвіту з якогось іншого Всесвіту.
Який сценарій виявиться достовірнішим, припустити поки що важко. Але вже ясно, що космологічні гіпотези набувають тепер і «земне» звучання. Адже дедалі більше фахівців із фізики високих енергій починають зараз розглядати Всесвіт як унікальну лабораторію для перевірки сучасних теорій елементарних частинок. Значна частина нових теорій насамперед проходить випробування на «космологічну повноцінність». І далеко не всі теорії витримують це випробування.