Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

именно таких гипотез, которые позволяли построить логичную модель Вселенной, но которые не имели нужного основания в виде фундаментальной теории (такое название говорит само за себя). Можно сказать, что эти смелые космологи вооружились квантовой волшебной палочкой, которая сделала их всемогущими. Конечно, такой подход тоже требовал значительных усилий — нужно было подобрать такие параметры введенных гипотетических сущностей, чтобы они сумели объяснить наблюдаемую картину Вселенной. Безусловно, дом, начатый с крыши, не должен висеть в воздухе долго, поэтому эти «волшебные» решения сопровождались надеждами, что квантовая теория гравитации вскоре подведет под все эти гипотезы прочную базу. Отметим, что в истории науки и квантовой механики было немало случаев, когда для решения тех или иных проблем вводились гипотетические объекты, которые потом открывались в эксперименте. Например, в 1928 году П. А. М. Дирак на основе решения квантового уравнения предсказал существование позитрона — античастицы электрона, которая была открыта в 1932 году. В 1930 году Вольфганг Паули, чтобы спасти закон сохранения энергии при бета-распаде, ввел гипотетическую частицу нейтрино, которую обнаружили только в 1956 году. То есть деяния «квантовых волшебников» имели под собой определенные основания. Рассмотрим детальнее основные элементы квантовой космологии, созданной таким способом.

Какой бы могучей ни являлась гравитация в околосингулярной области, всегда можно предположить, что там существует неизвестное отталкивающее поле, которое преодолевает гравитацию. Так как это поле не следует из законов физики, а рождено лишь желанием победить сингулярность и вырвать Вселенную из ее цепких объятий, то оно может быть как угодно сильным — ведь фантазиям (или гипотезам вне существующих теорий) нет никаких преград. Если строить самый простой вариант одноразовой Вселенной, которая когда-то взорвалась, то достаточно постулировать существование одноразового антигравитационного поля, которое потом нигде не будет проявляться в современных наблюдениях.

В 1981 году Алан Гус опубликовал статью о квантовой инфляционной модели Вселенной, где предположил наличие инфлатона — квантового поля, которое обеспечивает ускоренный разлет Вселенной из точки сингулярности — то есть является пружиной Большого взрыва. Предполагалось, что это поле обладает огромным отрицательным давлением, которое и вызывает антигравитацию. Введение такого квантового поля выводит рассмотрение за пределы теорем Пенроуза — Хокинга. Согласно Гусу, Вселенная зародилась в ходе фазового перехода «ложного» вакуума в «истинный», в ходе которого она сначала стремительно охладилась, а потом снова нагрелась. Детали этого процесса настолько неясны, что С. Хокинг характеризует этот краеугольный камень теории инфляции как «сомнительный фазовый переход». Появление Вселенной Гус назвал «бесплатным обедом», потому что ее масса предполагалась равной нулю и рост положительной энергии вещества должен был полностью компенсироваться ростом отрицательной гравитационной энергии (при этом все сложности и тонкости, связанные с нетензорностью гравитационной энергии, грубо игнорировались). Вселенная перед периодом инфляции имела размер 10^–54 см и возраст 10^–37 секунды (Alan Guth «The Inflationary Universe», 1997). Инфлатон ускоренно расширял эту крошечную Вселенную до возраста в 10^–35 секунды, успев увеличить ее примерно до метрового размера. Такое колоссальное (на 56 порядков) увеличение в размере делало Вселенную практически плоской и однородной: все неоднородности, включая начальную кривизну, выглаживались и растягивались. Тем не менее квантовые флуктуации в микроскопической Вселенной предполагались как раз такими, чтобы они стали зародышами будущих галактик.

После периода инфляции Вселенная, надутая до размеров большой тыквы, продолжала расширяться уже по инерции, без ускорения, потому что квантовый инфлатон, мгновенно сделав свое дело, волшебным образом выключался. Такое одноразовое «волшебство» не годилось для построения модели циклической Вселенной, потому что для нее нужно было антигравитационное поле, надежно возникающее в момент каждого максимального сжатия Вселенной. Поэтому циклическая модель оказалась оттесненной на обочину квантовой космологии. Зато теория космологической инфляции была с энтузиазмом подхвачена представителями физики элементарных частиц и квантовых полей, которые в 1970-х годах активно искали новые области применения для своих сил, так как успешно разработанная Стандартная модель элементарных частиц оставила без работы всех создателей альтернативных моделей. Теория инфляции предоставляла новое широкое поле деятельности, потому что там можно было задавать разные потенциалы инфлатона — и получать все новые и новые модели расширяющейся Вселенной.

Природа темной материи стала еще одной проблемой, к решению которой приступили квантовые космологи, воодушевленные первыми победами. По имеющимся тогда данным, известные объекты вроде белых карликов и черных дыр не смогли объяснить темную материю, поэтому космологи, вышедшие из физики элементарных части, привычно к ним и обратились. В начале 80-х годов перспективным кандидатом на роль темной материи казались нейтрино, которых вокруг нас очень много. Например, через человеческий глаз каждую секунду пролетают сотни миллиардов нейтрино, рожденных на Солнце. Они так слабо взаимодействуют с веществом, что легко пролетают насквозь и человека, и Землю. Но масса нейтрино оказалась такой крошечной, что вскоре стало ясно: сильно повлиять на массу Вселенной эта элементарная частица не в состоянии. Когда ученые попробовали рассчитать, какими скоростями должны обладать частицы темной материи, чтобы с их помощью можно было объяснить наблюдаемое вращение и структуру галактики, то оказалось, что они должны двигаться сравнительно медленно, со скоростями в сотни километров в секунду, образовывая сферические гало вокруг галактик. То есть темная материя должна быть «холодной». «Горячие» нейтрино, которые движутся почти со скоростью света, на роль такой «холодной» темной материи никак не годились: галактики не смогли бы удержать возле себя такие быстрые частицы.

Значит, темная материя может состоять из медленных элементарных частиц, которые достаточно массивны (или их очень много), но они не регистрируются, потому что слабо взаимодействуют с веществом. Проблема была в том, что таких частиц никто не наблюдал и они не предсказывались из Стандартной теории элементарных частиц, которая превосходно подтверждается экспериментами. Но квантовых космологов это не смутило, потому что у них имелась волшебная палочка, с помощью которой были введены в обиход гипотетические слабо взаимодействующие массивные частицы, которые назвали ВИМПами (WIMP  Weakly Interacting Massive Particles). Чтобы объяснить феномен темной материи, популяция этих неуловимых частиц по суммарной массе должна превосходить мировую массу барионов в 5 раз! То есть речь идет не о какой-то мелкой примеси к мирозданию, а об его основном компоненте. Странно и то, что это превосходство ВСЕГО в пять раз, потому что