Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

2024

© ООО Издательство «Питер», 2024

* * *

^{Н. Горькавый и Дж. Мазер, 2013}

^{С. Тюльбашев}

^{А. Васильков, 2019}

Тысячелетиями люди представляли Вселенную неподвижной, закованную в хрусталь или покоящуюся на черепашьих панцирях. Сейчас мы знаем, что во Вселенной движется все, но до сих пор не знаем почему. Самое грандиозное движение Вселенной — это ее расширение после Большого взрыва. Причина Большого взрыва и ускоренного расширения нашего мира — это самая большая тайна Вселенной, и она скрыта в ее прошлом.

Трое российских космологов — А. Д. Долгов, Я. Б. Зельдович и М. В. Сажин в книге «Космология ранней Вселенной» (1988) лаконично изложили историю космологии XX века так: «Раньше наибольшей популярностью пользовалась точка зрения, согласно которой наш цикл расширения явился продолжением предыдущего цикла сжатия. Существовала модель пульсирующей Вселенной. Однако эта картина не избавляла от вопроса о происхождении Вселенной, она просто отодвигала его на несколько циклов раньше. Дело в том, что во время каждого цикла должна возрастать энтропия Вселенной и в результате увеличиваться ее радиус в точке максимального расширения. Поэтому очевидно, что бесконечного числа циклов быть не могло... Некоторой модификацией модели пульсирующей Вселенной явилась модель „отскока“ от сингулярности... Сейчас, однако, наиболее привлекательной выглядит идея квантового рождения мира, или рождения из „ничего“».

Циклическая модель XX века потеряла популярность еще и потому, что она не могла объяснить причину Большого взрыва, а также найти объекты, которые отвечают за темную материю. Эта невидимая тяготеющая масса не только «раскручивает» внешние области дисков галактик, как следует из астрономических наблюдений, но и доминирует в скоплениях галактик, в несколько раз превосходя суммарную массу всех звезд и облаков.

Инфляционная квантовая космология, развиваемая Аланом Гусом и другими инфляционистами с 1981 года, предложила к концу XX века простую и логичную картину квантового рождения и эволюции Вселенной. Согласно квантовой космологии, наша Вселенная «одноразовая» и незамкнутая, то есть имеет один цикл развития — от Большого взрыва до неограниченного расширения и «тепловой смерти» — медленного остывания к абсолютному температурному нулю. Возникла Вселенная из «ничего», или из сингулярной точки с бесконечной плотностью, рассчитать происходящее в которой известные законы физики не позволяют. За кратковременное ускоренное расширение Вселенной после Большого взрыва отвечает гипотетическое квантовое поле — инфлатон, а за темную материю — неоткрытые элементарные частицы ВИМПы (WIMP  Weakly Interacting Massive Particles), практически никак не взаимодействующие с обычным веществом, кроме как через тяготение. Инфляционисты рассчитывали, что будущая теория квантовой гравитации объяснит и обоснует инфлатон с ВИМПами, а также почти мгновенное расширение Вселенной из точки сингулярности, из которой, вообще-то, ничего расширяться не должно.

В 1998 году был открыт важнейший астрономический факт: поле галактик расширяется ускоренно. Это означает, что во Вселенной в настоящее время действует таинственная антигравитация, которая противостоит тяготению галактик друг к другу и которая в первом приближении хорошо описывается космологической константой, введенной А. Эйнштейном в 1917 году. По аналогии с темной материей эту антигравитацию назвали темной энергией, что вызывает немало путаницы среди читателей популярных статей. Квантовые космологи предложили на роль темной энергии отрицательное квантовое давление вакуума, завершив на этом построение стандартной модели квантовой космологии. Почти два десятка лет такая картина мира оставалась общепринятой. В научно-популярной газете «Троицкий вариант» от 3 июня 2014 года ее главный редактор и астрофизик Борис Штерн торжественно заявил: «Теория инфляции стала новой революцией в космологии, затеянной в начале 80-х и триумфально завершающейся сейчас на наших глазах...»

Однако уже в 2015 году ситуация кардинально изменилась: специалисты заговорили о кризисе в квантовой космологии — и даже о новой революции в науке о Вселенной. Причины этого кризиса прозрачны.

Во-первых, несмотря на титанические усилия сотен теоретиков, квантовая теория гравитации (как и долгожданная квантовая «теория всего») так и не была создана, поэтому ни инфлатон, ни ВИМПы не получили теоретического обоснования ни в этих теориях, ни в каких-либо других. Проблема гравитационной сингулярности также осталась нерешенной. Попытка рассчитать отрицательное давление квантового вакуума (или величину темной энергии) в рамках существующих теорий дает величину или равную нулю, или на 120 порядков выше наблюдаемых значений. Последняя оценка стала знаменита как «самое плохое предсказание» в теоретической физике.

Во-вторых, тщательные и весьма дорогостоящие поиски на подземных и космических детекторах всех типов, а также на ускорителях (включая БАК — Большой адронный коллайдер), не обнаружили никаких ВИМПов. Темная материя и темная энергия стали загадками без ответа.

В-третьих, ключевым событием стало открытие в 2015 году гравитационных волн на гравитационном детекторе ЛИГО. Его измерения показали, что эти волны, возникшие при слиянии двух черных дыр, уносят около 5 % их суммарной массы, что эквивалентно примерно трем массам Солнца. ЛИГО доказал, что у черных дыр есть огромная и до сих пор остававшаяся незамеченной космологическая роль: их слияния изменяют гравитационную массу Вселенной (оставляя неизменным баланс инертной массы и энергии). Кроме того, ЛИГО зарегистрировал необычно много следов слияний черных дыр в единицу времени — в тысячу раз больше, чем ожидали астрономы. Поэтому черные дыры стали реальными претендентами на роль темной материи, с совокупной массой больше, чем у обычной материи. Ряд исследователей предложил и объяснение тому, что эти многочисленные объекты трудно заметить по создаваемым ими гравитационным линзам. Было показано, что если черные дыры небольших масс гравитационно ведут себя как звезды, из которых они образовались, то гравитационная неустойчивость будет создавать компактные шаровые скопления из черных дыр. Это кластерирование черных дыр резко уменьшает вероятность их обнаружения с помощью гравитационного линзирования.

В-четвертых, в 2020 году из анализа данных космической