Большой разрыв подведет черту известной нам Вселенной?

Неужели таинственная темная энергия, которую ищут уже много лет, опасна? Действительно ли она способна разорвать в клочья нашу Вселенную? И что будет после этого "Большого разрыва"? Астрофизики Лорис Баум и Пол Фрэмптон уверены, что даже при таком сценарии ничего страшного не произойдет. Это будет всего лишь генеральная уборка во Вселенной.

Фото:

Для начала — немного истории. Когда гениальный Ньютон ввел гравитационную постоянную в свою знаменитую формулу силы тяготения, он мог предполагать, что физические константы будут "краеугольными камнями" в основании физических знаний о Вселенной. Космология как наука родилась в ХХ веке и переживает бурное развитие сейчас. Основной проблемой в космологиисо времен Эйнштейна остается вопрос о так называемой средней кривизнепространства и скорости расширения Вселенной. При нулевой или отрицательной кривизне расширение неограничено (это открытая модель Вселенной); а при положительной кривизне расширение сменяется сжатием (это закрытая модель Вселенной).

В общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна нулевой кривизне соответствует заданная критическая плотность — примерно пять атомов водорода на кубический метр. Наблюдаемое значение средней плотности светящейся материи — всего 1 процент от критической, наблюдения свидетельствуют о именно таком значении этой кривизны. Получается, что Вселенная "закрыта"?

Введение Эйнштейном в 1917 году космологической постоянной ʌ в модель ОТО для независимости от времени (она, по сути, есть сила отталкивания в гигантских масштабах) несколько снизило остроту противоречия. Однако в 1922 году Фридман явил миру новую версию теории — космологическую модель нестационарной и расширяющейся Вселенной при ʌ=0! Более достоверной эту модель сделало открытие Хабблом красного смещения, которое свидетельствовало о расширении нашего мироздания (и в еще в результате появилась постоянная Хаббла, характеризующая "разбег" отдаленных объектов Вселенной). В итоге великий Эйнштейн, умевший признавать свои поражения, в разговоре с Гамовым назвал идею космологической постоянной своим самым большим промахом в науке.

Тем не менее, проблема направления эволюции Вселенной осталась открытой. На съезде Астрономического общества в 2012 году академик Алексей Старобинский заявил, что в ближайшее время в космологии будут сделаны открытия, которые будут заключаться в уточнении космологических постоянных. Именно так, через точные данные космических экспериментов, которые становятся все надежнее и лучше, проявится таинственная пока истина!

Читайте также: Вселенская тайна легкого элемента

Космология бурно развивалась — еще в 1998 году обнаружили при наблюдении сверхновых звезд типа Ia в рамках проекта Supernova Cosmology Project, что постоянная Хаббла по сути не постоянна, и ее поведение можно описать подбором величины космологической постоянной — ʌ, вносящей вклад в среднюю плотность Вселенной. Так родилось представление о части скрытой массы, известной теперь под названием темной энергии. Эту невероятную идею в середине ХХ века сформулировал астрофизик Цвики на основе своих экспериментальных наблюдений и расчетов, но его идея сильно опередила время и тогда не была признана — она стала интереснейшим примером теоретического прозрения в науке.

Итак, наблюдения сверхновых во Вселенной, флуктуаций реликтового излучения в экспериментах показали, что наша Вселенная расширяется ускоренно. Этот согласуется с теорией о наличии во Вселенной вещества с отрицательным давлением, которое по сути является той самой обнаруживаемой по свойствам темной энергией. С тех пор теоретики спорят о ее свойствах, выписывая уравнения, вкоторых проглядываются самые невероятные характеристики таинственной субстанции. Представьте себе, в ней даже возможны субсветовые скорости для некоторых возмущений в скалярных полях!

Дошло до того, что ученые выделили в области темных энергий специальный подвид — призрачную энергию. Такая же энергодоминантность требуется для существования "кротовых нор" — ненаблюденных пока объектов, существующих в теории. Из них можно было бы сконструировать своеобразную "машину времени". Но в космологии из этих посылок получаются совсем иные следствия и предсказания различных космологических сценариев судьбы Вселенной.

Однако вернемся к эволюции представлений о структуре мироздания. В модели по Фридману (плоской и открытой), без темной энергии, расширение бесконечно, но с замедлением. При этом размер горизонта увеличивается быстрее, чем масштабный фактор Вселенной. По мере расширения она становится холоднее (температура реликтового излучения тоже понижается) и более темной (галактики и их скопления — разбегаются). Число видимых галактик (внутри горизонта) растет, появляются новые, ранее не наблюдавшиеся объекты.

В модели же Вселенной с темной энергией расширение ускоряется вечно. Она, опять-таки, становится темнее и холоднее, но ее размеры возрастают быстрее, чем горизонт. Из видимой области постепенно будут исчезать объекты, расположенные вблизи этой самой воображаемой линии. В конце концов в центре наблюдаемой области Вселенной останется только один гравитационно связанный объект — для нас это местная группа галактик. Давление и плотность заполняющего мироздание вещества убывают со временем. Правда, есть и исключение — вариант предельного случая, когда и давление, и плотность вещества остаются постоянными.

В модели Вселенной с призрачной энергией ее масштабный фактор обращается в бесконечность за конечный интервал времени. Это и есть так называемый называемый по-английски RIP, "Большой разрыв", по аналогии с Большим взрывом рождения Вселенной. Аббревиатура же финала Вселенной составлена из английской эпитафии Rest In Peace — "Покойся с миром", и означает смерть Вселенной. В некоторых теориях этот возраст смерти наступит через 22 миллиарда лет, а нашей Вселенной будет тогда 35 миллиардов лет. Как и в сценарии с темной энергией, удаленные объекты постепенно покинут область наблюдений, граница обозримой области пространства приблизится к наблюдателю за конечное время.

Величина призрачной энергии, плотность и абсолютная величина давления вещества возрастают и к моменту Большого Разрыва обращаются в бесконечность. Наступит момент — и гравитационно связанная система нашей Вселенной разорвется, положив предел ее существованию. Будут разорваны и все системы, связанные другими силами, только это произойдет позже, поскольку размеры негравитационно связанных систем меньше, а скрепляющие их силы — мощнее. Таким образом, Большой разрыв есть ни что иное, как план генеральной уборки во Вселенной.

Итог вариантов разнообразен: в теории предлагается (кроме давно предсказанных вариантов сжатия с последующим коллапсом или бесконечного расширения) еще одна возможность — Большой Разрыв. Пока, правда всего лишь как идея. Будет ли реализован такой вариант и с какой степенью точности по сравнению с предсказанным — сказать сложно.

Но можно с уверенностью говорить, что никакая физика не сможет заставить вещество обладать свойствами призрачной энергии до момента Большого разрыва. Только при изменении свойств вещества расширение Вселенной пойдет по сценарию разрыва. И конкретные преобразования представить себе пока невозможно.

Но, право, было быочень скучно без сценариявечно пульсирующей, как сердце, Вселенной — и этот сценарий недавно был предложен физиками из Университета Северной Каролины в Чэпел-Хилле. Лорис Баум и Пол Фрэмптон представили модель такой вечно пульсирующей Вселенной. Работа была опубликована 16 февраля в Physical Review Letters.

В этой модели не нужно порождать мир из точки Большого взрыва (они называются сингулярностями). В классических вариантах Вселенная рождается из подобной точки, а потом или бесконечно расширяется, или обращается в сингулярность в случае финального схлопывания в точку.

Бесконечной энергии в мире не бывает — это утверждает и теория, и практика. Поэтому сингулярности означает для физиков такое состояние системы, где классические законы физики вообще перестают работать. На смену им приходит квантовая физика со своими новыми правилами, которые частично решают проблемы, но не до конца. А нельзя ли вообще обойтись без коварной сингулярности? Придумать циклическую модель, которая будет гармоничной?

Две трудности на этом пути, увы, очевидны. Первая — это хорошо знакомая нам энтропия (то есть мера неупорядоченности системы), которая в процессе эволюции любой системы может только возрастать. После завершения некоего цикла Вселенная образуют упорядоченные структуры разных уровней сложности: галактические скопления, галактики, звезды и планеты.

Эта иерархия возникает из былого беспорядка. Восстановление порядка — это, по идее, снижение энтропии, однако на этот процесс наложен запрет в классической термодинамике (и никакому демону Максвелла пока что не удалось его обойти). Впрочем, даже если бы это препятствие удалось преодолеть, сразу же возникает вторая трудность — удлинение следующих друг за другом циклов в модели пульсирующей Вселенной. Мысленно отступая назад по времени, мы получаем коварную сингулярность в виде невероятно короткоживущих циклов!

Однако Баум и Фрэмптон нашли оригинальный способ — ввели в свои уравнения так называемую вакуумную энергию, особое физическое поле, создающее эффект антигравитации. Оно избавило от сложностей при совмещении циклической космологии с требованиями неумолимой термодинамики. Существание этого поля успешно подтверждается экспериментами последних лет. В 1998 году астрономы доказали, что скорость расширения Вселенной не уменьшается, а растет. Причина — наличие вакуумного поля (оно же темная энергия). Из взаимодействия этого поля с гравитацией можно образовать циклические модели Вселенной.

Их варианты могут быть весьма разнообразны, и им свойственна неоднородная "лоскутная" структура возможных преобразований. Пульсирующая Вселенная очень вариабельна — она может распадаться на независимые миры, сжиматься и расширяться, переживая фазу инфляции, останавливаться перед фазой большого разрыва и переживать фазовые переходы, порождать материю… И принципы термодинамики, опять-таки, сохраняются — ведь при этом каждый мир рождается с весьма умеренной энтропией.

Читайте также: Темная энергия — таинственная сила Вселенной

Самое интересное открытие ХХI века — темная энергия — требует исследований и экспериментальных наблюдений. Ее особые свойства лежат в основе мироздания и определяют течение процессов во Вселенной. Фундаментальные основы мироздания исследуются в космологии, а новейшие технологии космических исследований открывают ученым Вселенную во всем разнообразии процессов, ранее недоступных наблюдениям и оценкам.

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"