Экспоненциальное расширение Вселенной происходит сейчас, а ещё одно происходило очень давно. Связаны ли они?

Природу нельзя купить или продать, взять в долг или скопировать. Ни с чем не сравнимое, незабываемое, бесстыдное, стихийное, как земля и лёд, вода, огонь и воздух, квинтэссенция, чистый дух, не разлагаемый на компоненты.
— Джей Гриффитс

На каждой неделе, пока мы пишем про чудеса, интересные и сложные задачи и новые открытия в природе Вселенной, у вас есть возможность отправлять мне вопросы и предложения для еженедельного выпуска «Спросите Итана». И хотя на каждой неделе вопросов, кажется, всё больше, интересные среди них по-прежнему встречаются. На этой неделе честь достаётся Джону Пашкову (второй раз уже), который спрашивает:

Связаны ли каким-то образом силы расширения у инфляции и тёмной энергии? Очень странно было бы, если бы существовали две разные силы, причиняющие расширение Вселенной.

В случае с Вселенной многое из происходящего выглядит очень странным, это уж точно.

Во-первых, Вселенная совершенно однозначно расширяется. Но для этого ей не нужна какая-либо сила. Если взять такую, как наша, вселенную, которая:

• Работает под управлением ОТО Эйнштейна,
• Заполнена веществом, излучением, и другими штуками,
• Примерно однородна по всем направлениям и во всех местах,

вы придёте к забавному и неудобному выводу. Впервые его достиг Эйнштейн в первые года существования теории относительности: такая Вселенная по сути нестабильна по отношению к гравитационному коллапсу.

То есть, без применения какой-нибудь магической поправки, ваша Вселенная будет либо расширяться, либо уменьшаться, и эти возможности равноценны. Что она не сможет делать, так это оставаться неизменной.

Конечно, работа Эдвина Хаббла ещё не была проделана. Мы не только не знали, что Вселенная расширяется, мы даже не знали, являются ли эти спиральные объекты в небе объектами, находящимися внутри нашего Млечного пути, или же это отдельные галактики. Поскольку Эйнштейну, как и большинству в то время, больше нравилась статичная Вселенная, он выдумал специальную, ad hoc, поправочку для стабильности Вселенной: космологическую константу.

Идея относительности Эйнштейна в том, что у уравнения есть две стороны: та, что с веществом и энергией, и та, что с пространством и временем. Она утверждает, что наличие вещества и энергии определяет кривизну и эволюцию пространства-времени, и то, как искривляется и эволюционирует пространство-время, определяет судьбу каждого кванта вещества и энергии внутри неё.

Добавление космологической константы означало, «есть новый тип энергии, присущий самому пространству, заставляющий ткань Вселенной расширяться с постоянной скоростью». Поэтому, при наличии силы гравитации, работающей, благодаря наличию вещества и энергии, на коллапс Вселенной, можно было взять эту космологическую константу, работающую на расширение Вселенной, и получить статичную Вселенную. Требовалось всего лишь уравнять две этих величины, чтобы они взаимно уничтожились.

Оказалось, что Вселенная расширяется, и никакой космологической константы для противодействия гравитации ей не требуется. В изначальной позиции Вселенная начала расширение очень быстро, что и противодействовало силе гравитации от всего вещества и энергии. Вместо сжатия Вселенная расширялась, и скорость расширения замедлялась.

Естественно будет задать два вопроса, ставшие логичными после этого открытия в 1920-х:

1. Что послужило причиной такого быстрого расширения Вселенной на ранних стадиях?
2. Какова будет судьба Вселенной? Будет ли она расширяться вечно, обратиться ли её расширение вспять, к реколлапсу, окажется она в пограничном состоянии, или произойдёт что-то ещё?

Первый вопрос оставался без ответа более 50 лет, хотя, что интересно, Виллем де Ситтер почти сразу предположил, что расширение происходит из-за космологической константы.

Наконец, в начале 1980-х, появилась теория космологической инфляции, предполагающая наличие ранней фазы экспоненциального расширения, когда во Вселенной доминировало нечто, очень напоминающее космологическую константу.

Но это не могло быть настоящей космологической константой, также известной, как энергия вакуума, поскольку Вселенная не оставалась в этом состоянии вечно. Вселенная могла находиться в состоянии ложного вакуума, когда у неё была некая присущая пространству энергия, которая затем угасла до низкоэнергетического состояния, что привело к появлению вещества и излучения: горячий Большой взрыв!

Инфляция сделала и другие предсказания, четыре из которых уже подтверждены, вследствие чего мы принимаем существование такой ранней фазы Вселенной.

Обращаясь ко второму вопросу, по поводу судьбы Вселенной, мы обнаруживаем нечто странное. Мы ожидали найти некую гонку между начальным быстрым расширением и силой гравитации, влияющей на всё вещество и излучение, а вместо этого мы неожиданно нашли новую форму энергии, названную тёмной. И что бы вы думали? Эта тёмная энергия, по нашему сегодняшнему пониманию, выглядит точно так же, как космологическая константа.

Но существовало два вида экспоненциального расширения, раннее и позднее, которые очень сильно различаются в деталях.

• Ранний период инфляции Вселенной продолжался неопределённое время – возможно, 10^-33 с, возможно почти бесконечно – а сегодняшняя тёмная энергия доминирует уже шесть миллиардов лет.
• Ранний период инфляции Вселенной был очень быстрым, космологическое расширение шло быстрее сегодняшнего в 10⁵⁰ раз. Сегодня, наоборот, тёмная энергия отвечает за 70% скорости расширения.
• Раннее состояние каким-то образом взаимодействовало с веществом и излучением. При достаточно высоких энергиях должна существовать некая «частица инфляции», если нам не врёт квантовая теория поля. У тёмной энергии позднего времени не известны взаимодействия никакого рода.

Но есть и сходства.

У обеих одно и то же уравнение состояния, то есть отношения между масштабом Вселенной и временем.

У обеих одинаковые отношения между плотностью энергии и давлением в ОТО.

Обе приводят к экспоненциальному расширению Вселенной.

Но связаны ли они? Это очень, очень сложно сказать. Потому, конечно, что мы недостаточно хорошо понимаем их! Лично я, думая об инфляции, люблю представлять себе двухлитровую бутыль газировки, наполненную наполовину. Я представляю, что на поверхности жидкости внутри бутылки плавает капля масла. Это состояние высокой энергии напоминает Вселенную во время инфляции.

Затем происходит что-то, заставляющее жидкость выливаться из бутылки. Масло отправляется на дно, в состояние с низкой энергией.

Но если капля не дойдёт до дна – останется не на нулевой, но на какой-то конечной отметке (как поле Хиггса во время нарушения симметрии) – оно может послужить причиной появления тёмной энергии. Модели, связывающие эти поля, поле инфляции и поле тёмной энергии, известны, как квинтэссенция.

Довольно легко создать работающую модель квинтэссенции. Проблема в том, что так же легко можно создать и две отдельных работающих модели – одну для инфляции, и одну для тёмной энергии. У нас есть два новых явления, требующих введения не менее двух «свободных параметров» для того, чтобы теория заработала. Их можно связать, можно не связывать, но эти модели нельзя отличить друг от друга.

На сегодняшний день мы смогли только исключить определённые классы моделей, в которых с наблюдениями не совпадает скорость расширения на ранних или поздних стадиях. Но наблюдения согласуются и с тем, что инфляция – сама по себе, а тёмная энергия возникает из совершенно другого источника. Мне очень не нравится рассказывать о полученных нами знаниях, что инфляция происходит при энергиях порядка 10¹⁵ ГэВ, а тёмная энергия – при энергиях около 10^-3эВ, а потом пояснять, что «мы не знаем, связаны ли они» – но именно так и обстоят дела.

К сожалению, даже со всеми предлагаемыми экспериментами – James Webb, WFIRST, LISA и ILC – мы не ожидаем получения ответа на этот вопрос в ближайшее время. Остаётся надеяться на теоретический прорыв. Я сам работал непосредственно над этой задачей, и могу сказать, что не знаю, когда он может случиться.

Спросите Итана №107: связана ли инфляция с тёмной энергией?