На протяжении трёх предыдущих статей (первая, вторая и третья) я только и делал, что собирал проблемы и задавал вопросы, связанные с устройством нашей Вселенной. В итоге получился вот такой список из 7 пунктов:
Откуда взялась энергия для Большого Взрыва?
Наличие сингулярности — слабое место теории
Неизвестна причина ускоренного расширения Вселенной
Вселенная слишком плоская
Микроволновой фон слишком однородный
Крупномасштабная структура Вселенной необъяснима
Вселенная тонко настроена на появление человечества
И вот момент настал. В этой статье я сформулирую концепцию, которая по моему мнению, стройно и правдоподобно описывает возникновение, эволюцию и современное состояние Вселенной. А заодно решает все сформулированные выше проблемы, несмотря на их количество и некоторую противоречивость.
Небольшой комментарий прежде чем мы продолжим.
Описанная мной концепция основана на книге А.Виленкина «Мир многих миров», и в целом совпадает с общепринятой в научном сообществе космологической моделью.
Но это далеко не единственная теория эволюции Вселенной, существует множество различных теорий, как схожих с описываемой мной, так и кардинально отличных.
Также добавлю, что я дописываю эту статью из Летней Школы «Химера», где снова читаю курс лекций, на котором основана вся серия.
А теперь поехали!
Пора уже что-то решать!
В начале 1980-х годов Алан Гут предложил идею, как можно одним махом убить нескольких зайцев. При этом, конечно же, появилось и некоторое количество новых, вполне живых.
Новая гипотеза довольно быстро была принята научным сообществом и развита до состояния полноценной теории. Её название — теория инфляционного расширения Вселенной или, по‑простому, теория инфляции. И она не заменяет собой ТБВ, а дополняет её, модифицируя самые первые мгновения эволюции Вселенной.
Ключевой вклад в развитие теории инфляции внесли тогда ещё советские физики Алексей Старобинский, Вячеслав Муханов и Андрей Линде. Я имел честь присутствовать на лекции Андрея Линде, которую он прочитал в 2008 году в ФИАНе (в теор.отделе которого и по сей день работает мой отец).
К моменту публикации первой статьи я давно уже забыл про посещение этой лекции, но по рекомендации из комментариев нашёл её на YouTube, с интересом посмотрел, и ближе к концу внезапно обнаружил себя среди слушателей в зале.
В двух словах: теория инфляции добавляет очень короткий период неимоверно быстрого расширения Вселенной ПЕРЕД Большим взрывом. На первый взгляд это может выглядеть неправдоподобно, так что давайте разбираться.
Чтобы понять, что же там происходило, да ещё и до Большого Взрыва, нам потребуется ввести несколько новых понятий, важнейшее из которых — ложный вакуум.
Вакуум – это ложь
Чтобы выяснить, в чём же «ложность» ложного вакуума, придётся первым делом отказаться от интуитивного представления, что вакуум — это ничто, пустое пространство.
По современным представлениям, вакуум — это физический объект, а точнее, поле, обладающее рядом свойств. Из них нас больше всего интересует плотность энергии, или энергия состояния, или просто энергия вакуума. Истинным называется вакуум с минимальной (но не нулевой!) энергией состояния. А ложные вакуумы характеризуются более высокими энергиями, при которых привычные нам законы физики меняются.
Более того, энергию вакуума можно непосредственно наблюдать на практике! Это называется эффект Казимира, он был предсказан в 1948 году, первые эксперименты, подтвердившие его, поставлены в 1958, а точные измерения были сделаны в 2011 — 2012 годах.
В истинном вакууме действуют четыре известных нам фундаментальных взаимодействия, но в ложных вакуумах по мере повышения их энергии, эти взаимодействия сливаются друг с другом. Первыми объединяются электромагнитное и слабое, порождая электрослабое взаимодействие. При более высоких энергиях к ним присоединяется сильное, давая взаимодействие Великого объединения. И, наконец, последней должна бы присоединиться гравитация, породив единое фундаментальное взаимодействие, которое скромно именуют теорией всего. Но с присоединением гравитации есть небольшая проблемка. Заключается она в фундаментальном противоречии общей теории относительности и квантовой механики, мы уже встречали её проявление в первой статье в виде проблемы квантовой пены.
По моему мнению, эта проблема является важнейшей нерешённой задачей современной физики. Она более чем достойна попадания в наш список, но напрямую к космологии она всё же не относится. Так что, как говорится, вернёмся к ней в следующий раз.
А пока что продолжим разбираться с ложным вакуумом.
Плоский мир
Из‑за своей высокой энергии ложный вакуум обладает ещё более странным свойством: он неимоверно быстро расширяется! И чем выше энергия — тем больше скорость его расширения. При этом, в ходе расширения плотность энергии остаётся постоянной, так как является характеристикой самого пространства.
За расширение ложного вакуума отвечают инфлатоны, а точнее, скалярное поле, квантами которого они являются. Это гипотетические частицы, не обнаруженные экспериментально.
Инфляционное расширение настолько быстрое, что любая изначальная кривизна пространства за короткое время должна становиться очень близкой к нулю! Что прекрасно согласуется с наблюдениями.
Вселенная слишком плоская
Кроме того, в результате такого быстрого расширения любые неоднородности и флуктуации, которые могли бы привести к колебаниям плотности вещества, также эффективно разравниваются, что приводит к высокой однородности (изотропности) пространства.
Микроволновой фон слишком однородный
А теперь вспомним про ускоренное расширение Вселенной. Оно тоже теряет свою загадочность: так как плотность энергии истинного вакуума не равна нулю, она продолжает растягивать пространство. Темп этого расширения не сравнить с инфляцией, но оно есть! И по сути, этот эффект является космологической постоянной, которую придумал ещё Эйнштейн (не буду повторять знаменитую историю про его «величайшую ошибку», про это уже и так есть отличная статья на Хабре). А у нас теперь есть ответ на вопрос, почему Вселенная расширяется с ускорением.
Неизвестна причина ускоренного расширения Вселенной
Но, как я и говорил, невозможно решить проблему и не создать ни одной новой. И случае с космологической постоянной новая проблема выглядит весьма внушительно. Согласно данным орбитальных обсерваторий WMAP и Planck, измеренная величина космологической постоянной очень мала, порядка 10-52/м2, что с точностью до порядка равно обратному квадрату радиуса наблюдаемой Вселенной, ≈1/(109 св.лет)2. Это говорит о том, что общая плотность барионной (обычной) и тёмной материи близка к плотности тёмной энергии, и это совпадение на данный момент необъяснимо.
Более того, квантовомеханические предсказания величины космологической постоянной отличаются от измеренных на 120 порядков. Этот факт известен как проблема космологической постоянной и считается «худшим теоретическим предсказанием в истории физики».
Распад вакуума и антигравитация
Может показаться, что постоянное «возникновение» нового пространства с ненулевой плотностью энергии грубо нарушает законы сохранения энергии.
Однако эта наша наука постоянно оказывается контринтуитивной. Дело в том, что высокая энергия вакуума приводит к появлению «натяжения» пространства, которое с позиций общей теории относительности является отрицательной гравитацией! Оно не только обеспечивает расширение пространства, но и полностью компенсирует положительную энергию вакуума, делая общую энергию пространства в точности равной нулю!
Но и это ещё не всё.
Чем выше энергия состояния ложного вакуума — тем больше вероятность его распада, перехода в состояние с более низкой энергией — истинного вакуума. В случайный момент времени небольшой объём ложного вакуума становится истинным: скорость его расширения резко снижается, а вся «лишняя» внутренняя энергия высвобождается в виде огненного шара обычной энергии — происходит буквально горячий Большой взрыв!
После возникновения пузырёк истинного вакуума уже не остановить, он будет расширяться, вызывая распад ложного вакуума на своей границе. Но ложный вакуум вокруг будет расширяться существенно быстрее, чем истинный внутри, так как его плотность энергии существенно ниже, чем ложного. Поэтому, если даже два пузырька истинного вакуума возникнут рядом, у них практически нет шансов слиться друг с другом, их моментально растащит инфляция!
Квантовая Вселенная
В начале статьи я упоминал довольно пугающую гипотезу, что Вселенная может быть квантовой флуктуацией огромных размеров, которая в любой момент может схлопнуться, как и положено флуктуации с ненулевой энергией.
Но теперь мы знаем, что полная энергия ложного вакуума в точности равна нулю. Поэтому ничто не мешает его фрагменту возникнуть буквально из ничего — принципы сохранения при этом не будут нарушены.
Так что Вселенная действительно может возникнуть как квантовая флуктуация, туннелировать из ничего в нечто.
Откуда взялась энергия для Большого Взрыва?
Более того, при этом Вселенная возникает сразу конечного размера, хоть и невероятно маленького. А возникнув, он сразу же начнёт расширяться с неимоверной скоростью (если успеет). Вероятность возникновения большой Вселенной меньше, чем маленькой, но чем больше её размер — тем больше вероятность, что она успеет начать расширяться, прежде чем схлопнется.
Поэтому, раз Вселенная не начинается с сингулярности — нам и не требуется её описывать математически!
Нет математического аппарата для описания сингулярности
При этом, из‑за того, что изначальный фрагмент ложного вакуума очень мал и неимоверно быстро расширяется, квантовые флуктуации, существующие в самом вакууме, очень быстро растягиваются вместе с пространством, приобретая огромные размеры, но крайне малую амплитуду. При распаде ложного вакуума это приводит к соответствующим неоднородностям в энергии Большого взрыва, которые затем за счёт гравитационной неустойчивости «направляют» и формируют уплотнения и разрежения в распределении материи Вселенной, порождая в конечном итоге сверхскопления и галактические нити.
Крупномасштабная структура Вселенной необъяснима
Какими бы странными ни казались концепции, которые я описал выше, они — не трюк и не подгонка решения под ответ. Это всё естественным образом вытекает из надёжной и многократно проверенной теории.
Описанная выше модель является общепринятой космологической моделью, которая называется инфляционная модель Вселенной.
У инфляционной модели, в свою очередь, есть свои собственные проблемы, без этого никак.
Иизначальная кривизна Вселенной могла быть настолько большой, что даже инфляционный период не разгладил бы Вселенную до в точности плоского состояния. Эту проблему я отношу к тонкой настройке, и её мы решим ниже вместе с остальными.
Более серьёзная проблема заключается в том, что инфляционная модель не задаёт конкретный энергитический профиль поля инфлатона. Он может быть одним из многих, и какой именно и почему был в нашей Вселенной — неизвестно. Вроде бы, её тоже можно отнести к тонкой настроке, однако тут всё не так просто: из-за этого модель отчасти теряет предсказательную силу, так как из профиля энергии можно было бы делать прогнозы дальнейшего развития.
На данный момент у нас осталась нерешённой только одна проблема из изначально поставленных семи — проблема тонкой настройки. Для её решения нам придётся немного выйти за рамки проверенных теорий.
Тонкости настройки
Итак, Вселенная настроена на нас. Это явление называется также антропным принципом. Здесь можно провести параллель с «настроенной» на нас Солнечной системой в целом и Землёй в частности. Чтобы на Земле могли появиться мы, люди, должны были совпасть десятки условий. Вот некоторые из них:
Земля должна иметь устойчивую орбиту. Это возможно в одинарной или двойной системе, а в тройной маловероятно (см. задача трёх тел. Одноимённый НФ‑роман также рекомендую)
Земля должна находится в зоне обитаемости, не слишком близко, и не слишком далеко от Солнца
У Земли должно быть магнитное поле, иначе сложной жизни будет очень трудно выживать из‑за космического излучения
Условий ещё много, как же они все так совпали? Ответ очень прост: они и правда совпали случайно. В наблюдаемой Вселенной огромное количество звёзд, судя по всему, большинство имеют планеты. Даже если вероятность такого совпадения ничтожно мала, и обитаемыми будут малые доли процента из всех планет — там‑то мы и появились!
Думаю, уже понятно, куда я клоню.
Если допустить, что Вселенных много, и фундаментальные константы в них различны, случайно ли, либо по какому‑то неизвестному нам закону, то проблема тонкой настройки перестаёт быть проблемой. Мы возникли именно там, где это было возможно, антропный принцип торжествует!
Кстати, когда я перечислял параметры тонкой настройки, я не упомянул размерность пространства, а это важнейшая характеристика! В пространствах размерности, отличной от трёх, сами физические законы меняются кардинальным образом! Например, закон обратных квадратов, применимый к гравитации и электромагнетизму, меняет степень, становясь либо линейным в двухмерном пространстве, либо более высокихх степеней в пространствах больших размерностей. Это меняет поведение вообще всего во Вселенной. В частности, орбиты планет становятся совершенно другими, теряя стабильность в большинстве случаев.
Но есть ли основания для такого допущения? Теория инфляции снова спешит на помощь, но тут есть нюанс.
Согласно основному современному принципу научного метода — критерию Поппера — любая теория в любой момент может быть опровергнута, в этом и заключена сила науки. И пока теории не опровергнуты — мы применяем и уточняем их, не плодя излишних гипотез (согласно другому принципу — «бритве Оккама»).
Следующий тезис, который я собираюсь сформулировать, формально выходит за рамки научности, как нефальсифицируемый. Но несмотря на это, я придерживаюсь мнения, что он верен — очень уж он ёмкий и логичный на мой взгляд.
Как мы уже знаем, распад ложного вакуума происходит в случайные моменты времени, при этом, каждый пузырёк истинного вакуума — это новая Вселенная, со своим Большим Взрывом. И каждая, видимо, имеет случайный набор фундаментальных констант. А так как инфляция растягивает ложный вакуум существенно быстрее, чем расширяются внутри него Вселенные, то они могут возникать бесконечно!
Более того, нет никаких оснований предполагать, что изначальный ложный вакуум возник только один раз. Как раз наоборот, гораздо логичнее и стройнее выглядит предположение, что это происходит бесконечно, ложные вакуумы возникают постоянно, и каждый — со своим случайным изначальным уровнем плотности энергии.
В итоге мы получили не просто Мультивселенную, а Мульти‑Мультивселенную, Мультивселенную в квадрате.
И для решения проблемы тонкой настройки этого более чем достаточно, даже чересчур.
Вселенная тонко настроена на появление человечества
На этом вопросы, которые возникли у нас к теории Большого Взрыва, заканчиваются, модель множественной инфляции описана полностью. Само собой, это описание крайне верхнеуровневое, я не приводил никаких теоретических выкладок и относительно немного экспериментальных свидетельств, но это было сделано намеренно, иначе объём статей стал очень большим. Я постарался дать ссылки на Википедию для всех упомянутых терминов и явлений, для которых там есть статьи.
Ну и что мы решили?
Рассказ получился длинный, но все поднятые проблемы решены, на все заданные вопросы есть ответы. Для удобства собрал их все в таблицу
Откуда взялась энергия для Большого Взрыва? | Из распада ложного вакуума, для появления которого энергия не нужна |
Нет математического аппарата для описания сингулярности | Он оказался не нужен, так как сингулярности не было |
Неизвестна причина ускоренного расширения Вселенной | Это обусловлено плотностью энергии истинного вакуума — космологической постоянной |
Вселенная слишком плоская | Инфляция ложного вакуума приводит к «разравниванию» пространства Вселенной, делая его плоским и изотропным одновременно |
Микроволновой фон слишком однородный | |
Крупномасштабная структура Вселенной необъяснима | Квантовые флуктуации ранней Вселенной, растянутые инфляцией |
Вселенная тонко настроена на появление человечества | Вселенных бесконечно много и мы возникли в той из них, которая подходила для этого |
Кроме того, в результате у нас получился «пайплайн» производства Мультивселенных:
В случайные моменты времени из ничего туннелируют замкнутые (с положительной кривизной) «фрагменты» ложного вакуума с ненулевой плотностью энергии и случайным набором параметров. Они очень малого, но конечного размера. Чем выше энергия, тем выше вероятность, что ложный вакуум не коллапсирует сразу же
Выжившие фрагменты ложного вакуума бесконечно инфлируют — расширяются с очень большой скоростью
Распад ложного вакуума имеет квантовую природу, порождая случайный набор параметров в каждой области истинного вакуума
Плотность энергии ложного вакуума флуктуирует, постепенно снижаясь, и когда достигает локального минимума, вакуум в данной области становится истинным. Избыток энергии высвобождается в виде частиц Стандартной модели («супа из энергии») — происходит горячий Большой взрыв и Вселенная развивается в соответствии с ТБВ
Общая энергия каждой области истинного вакуума равна нулю, так как положительная энергия частиц в точности компенсируется отрицательной энергией их гравитационного взаимодействия
Так как новых Вселенных бесконечное количество, и в каждой случайный набор фундаментальных параметров — сильный антропный принцип сводится к слабому: мы возникли именно в той Вселенной, в которой это было возможно
Приведённая космологическая модель не является полноценной теорией. В ней остаются белые пятна и существенные проблемы.
Более того, многомировой вариант инфляционной модели формально даже не является научной гипотезой! Она нефальсифицируема, так как на данный момент нет никакой теоретической и даже гипотетической возможности проверить, существуют ли какие‑то ещё Вселенные, кроме нашей. Мы и за горизонт событий нашей наблюдаемой Вселенной заглянуть не можем, что уж говорить про другие.
Но я считаю, что, несмотря на все пробелы и недостатки, это лучшая из имеющихся гипотез возникновения и развития Вселенной. Она стройно и изящно, единым логичным подходом решает все критические проблемы ТБВ.
Подробнее об этой модели можно прочитать в книге Алекса Виленкина «Мир многих миров», которая легла в основу моего курса и статей.
Живые зайцы
Наивно было бы полагать, что одна модель может решить вообще все проблемы. Мне кажется, что любая достаточно сложная научная теория должна быть неполной. Я хотел бы сослаться на теоремы Гёделя о неполноте, но напрямую применять их к научным теориям, по‑видимому, неверно. Но тем не менее, я считаю, что никакая теория не может быть полностью завершённой, это как‑то фаталистично и предрекает «конец науки», в который я не хочу верить.
Более того, как мы уже видели выше, инфляционная модель порождает новые проблемы. На мой взгляд, в первую очередь это говорит о том, что у познания нет границ, и в ходе научного прогресса перед нами разворачиваются всё новые и новые горизонты.
Ниже я собрал список (интересующих меня) вопросов в космологии и физике в целом.
Космология
Чем является поле инфлатона, которое определяет распад ложного вакуума?
Что такое тёмная материя?
Почему постоянная Хаббла не совпадает для разных методик измерения (напряжение Хаббла)?
Почему во Вселенной вещества больше, чем антивещества (барионная асимметрия)?
Как возникли массивные чёрные дыры и развитые галактики в ранней Вселенной?
Прочие проблемы
Противоречие между квантовой механикой и общей теорией относительности (квантовая гравитация).
Парадокс Ферми — почему мы до сих пор не встретили инопланетян?
Что такое сознание? (+ трудная проблема сознания)
Проблем в науке, конечно же, многократно больше, я собрал только релевантные теме статей или те, с которыми я так или иначе сталкивался в недавнее время. Возможно, какие‑то из них станут темами следующих статей или даже нового курса лекций.
На этом мой рассказ заканчивается вместе с материалами курса «Территория Большого Взрыва». Эта статья выйдет практически одновременно с моей последней лекцией в этом году.
Спасибо за внимание и до новых встреч!
