Одна или множество: сколько все-таки существует Вселенных?

Наверное, многие задавались вопросом, каков все же внешний облик Вселенной на достаточно большом расстоянии, недоступном наблюдению? Другой вопрос: каков предел того, куда может заглянуть человек?

С момента Большого взрыва космический горизонт человека до самых дальних объектов может быть определен расстоянием в четырнадцать миллиардов световых лет. На данный момент эти объекты удалены на сорок миллиардов световых лет ввиду ускоренного роста Вселенной. Свет от более далеких объектов к нам еще не успел дойти.

Итак, что же за горизонтом?

Еще недавно по этому поводу физики отвечали: галактики и звезды, ничего нового. Однако благодаря современным достижениям в физике элементарных частиц и космологии в плане представлений о Вселенной появилась возможность переосмыслить эти понятия. В расчет берутся и другие законы физики, основанные на космической инфляции.

Для начала обратимся к краткому обзору стандартной космологии Большого взрыва, являющейся до открытия инфляции доминирующей теорией. В соответствии с ней возникновению Вселенной предшествовала колоссальная катастрофа, разразившаяся примерно четырнадцать миллиардов лет назад. При этом Большой взрыв произошел одновременно везде, а не в определенном каком-либо месте Вселенной.

На тот момент не существовало ни звезд, ни галактик, ни атомов. Вселенная была наполнена очень горячим плотным быстро растворяющимся сгустком излучения и материи. При увеличении в размерах он остывал. Спустя три минуты после Большого взрыва снижение температуры достигло отметки, достаточной для формирования ядер атомов, что по прошествии полмиллиона лет привело к объединению ядер и электронов в электрически нейтральные атомы, а Вселенная стала прозрачной для света. Благодаря этому на сегодняшний день мы способны регистрировать свет от огненного сгустка, исходящего из всех небесных направлений. Мы называем его фоновым космическим излучением.

Изначально огненный сгусток с точки зрения однородности был практически идеален. Однако некоторые области имели плотность, чуть большую по сравнению с другими, и при росте все больше стягивали из окружающего пространства вещества. Так за миллиарды лет образовались новые галактики. И сравнительно, по космическим меркам, недавно появились мы, земляне.

В поддержку теории Большого взрыва выступают и данные наблюдений, убеждающие нас в корректности рассуждений. Во-первых, мы замечаем, как далекие галактики с достаточно большой скоростью устремляются от нас, что говорит о расширении Вселенной.

Помимо этого в рамках теории Большого взрыва возможно объяснение распространенности легких элементов (таких как литий или гелий) во Вселенной. Но, что самое главное: дымящийся ствол Большого взрыва – это ничто иное как фоновое космическое излучение, являющееся послесвечением первичного огненного шара, которое позволяет наблюдать его и исследовать.

В итоге, у нас есть вполне успешная теория, которая все же не дает ответа на некоторые весьма интригующие вопросы, затрагивающие историю начального состояния Вселенной сразу после Большого взрыва. Что послужило причиной поднятия высокой температуры Вселенной? Из-за чего Вселенная стала расширяться, и каково ее прошлое до Большого взрыва?

Ответ на эти вопросы таится в рассмотрении выдвинутой 28 лет назад теории Алана Гута.

Инфляция Космоса.

В центре этой теории – своеобразная форма материи, которая называется ложным вакуумом, проще говоря,  пустое пространство. Однако физики, занимающиеся изучением элементарных частиц, рассматривают вакуум в качестве физического объекта, обладающего энергией и давлением, и способного находиться в различного рода энергетических состояниях. При этом они дают им название состояний разных вакуумов, которые в зависимости от характеристик свойств элементарных частиц способны существовать в них.

Связь между вакуумом и частицами сродни связи между звуковыми волнами и веществом, по которому они простираются: скорость звука в различных материалах неодинакова. Человек живет в весьма низкоэнергетическом вакууме, отсюда и появилось просуществовавшее долгие годы убеждение физиков о нулевой энергии нашего вакуума. Но недавно в ходе наблюдений было выяснено, что он все же имеет  немного отличную от нуля энергию, которая была впоследствии названа темной энергией.

По предсказаниям современных теорий элементарных частиц, кроме нашего вакуума есть и целый ряд других так называемых ложных высокоэнергетических вакуумов. Одновременно с тем, что ложный вакуум характеризуется достаточно высокой энергией, он еще и имеет высокое отрицательное давление, получившее название натяжения. Это примерно как растянуть кусочек резины: в результате появляется натяжение, то есть направленная внутрь сила, заставляющая резину сжиматься.

И все же самым необычным свойством ложного вакуума является отталкивающая гравитация. В соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна возникновение гравитационных сил связано не только с массой (энергией), но и с давлением. Гравитационное притяжение вызвано положительным давлением, соответственно отталкивание – отрицательным давлением. Если же это вакуум, то здесь наблюдается преобладание отталкивающего действия давления над притягивающей силой, связанной с его энергией. В результате получается отталкивание, причем, чем больше энергия вакуума, тем отталкивание сильнее.

Еще одной характеристикой ложного вакуума является его нестабильность и способность достаточно быстро распадаться. При этом он превращается в низкоэнергетический вакуум. Излишки энергии идут на создание огненного сгустка элементарных частиц. Обратим внимание, что Алан Гут специально для своей теории не стремился изобрести ложный вакуум с его необычными свойствами. Существование его идет из физики элементарных частиц.

Ученый лишь выдвинул предположение, что в начале своей истории пространство Вселенной  пребывало в состоянии ложного вакуума. При подобном раскладе отталкивающая гравитация, которая им вызывается, привела бы к весьма быстрому ускоряющемуся расширению Вселенной. В случае такого типа расширения, названного Гутом инфляцией, появляется характерное время удвоения, увеличивающее размеры Вселенной вдвое.

Ввиду нестабильности ложного вакуума происходит его распадение с последствующим появлением огненного сгустка. В этот момент инфляция заканчивается. В этой теории распад ложного вакуума играет роль Большого взрыва, и в этот момент Вселенная начинает развиваться соответственно представлениям стандартной космологии Большого взрыва.