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 послесвечием 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.

Виктория Ветрова

Частицы гравитации: они существуют?

Физики-теоретики утверждают, что энергию можно черпать прямо из вакуума, используя гравитацию. Если ученым удастся показать, что это возможно, в долгосрочной перспективе это может вылиться в постулирование доказательства гравитона, частицы гравитации, и приблизить ученых на шаг ближе к разработке «теории всего», которая может объяснить работу Вселенной от самых малых до крупнейших масштабов.

Новое исследование предполагает, что может быть возможно показать существование гравитонов, используя сверхпроводящие пластины, которые измеряют явление с эзотерическим названием «гравитационный эффект Казимира».

«Самое интересное в этих результатах то, что их можно протестировать с учетом современных технологий», — заявил автор работы Джеймс Квач, физик-теоретик из Токийского университета.

Демонстрация существования гравитонов может помочь ученым, которые давно стремятся разработать «теорию всего» — универсальную теорию, описывающую работу космоса в целом. В настоящее время они используют теорию квантовой механики, чтобы объяснить работу Вселенной на самом крошечном уровне, и общую теорию относительности, чтобы объяснить работу Вселенной во вселенских масштабах. Квантовая механика может объяснить поведение всех известных частиц, а общая теория относительности описывает природу пространства-времени и гравитации.

Квантовая механика предполагает, что частицы — в том числе и неуловимый гравитон — могут вести себя одновременно как частицы и волны.

Но квантовая механика также показывает, что мир становится нечетким и расплывчатым на самых мельчайших уровнях. Например, атомы и другие фундаментальные строительные блоки существуют в состоянии «суперпозиции», то есть чуть ли не находятся в двух местах одновременно или вращаются в противоположных направлениях, тоже одновременно. Таковы следствия квантовой механики.

Поскольку квантмех предполагает, что любая из частиц может находиться не там, где мы думаем, а скорее находится сразу во всех местах, одним из многих странных следствий этой теории является то, что вакуум (совершенно пустое пространство) на самом деле содержит «виртуальные частицы», которые регулярно появляются и исчезают. Эти призрачные частицы не просто теоретические — они могут генерировать вполне ощутимую силу.

Эффект Казимира — одна из таких сил, а ее можно измерить как силу притяжения или отталкивания между зеркалами, размещенными в нескольких нанометрах друг от друга в вакууме. Отражающие поверхности могут фактически двигаться, благодаря виртуальным фотонам, или частицам света, которые появляются и исчезают в вакууме между двумя зеркалами.

В принципе, эффект Казимира может быть справедливым не только для фотонов, но и для гравитационных частиц, а значит, что гравитоны могут появляться и исчезать в вакууме между зеркалами. Если этот эффект будет обнаружен, ученые смогут доказать существование гравитонов. В свою очередь, наличие гравитонов показало бы, что гравитация обладает квантовой природой и может вести себя одновременно как частица и как волна. Это был бы важный шаг в сторону согласования квантовой механики с ОТО.

Такой «гравитационный эффект Казимира» довольно трудно обнаружить, потому что обычная материя не отражает гравитоны так же хорошо, как отражает свет. Тем не менее последние теоретические исследования показывают, что гравитоны могут отражать сверхпроводники.

Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электричество с нулевым сопротивлением. В сверхпроводниках электроны конденсируются в так называемую квантовую жидкость и могут течь без рассеивания энергии.

В обычных материалах, отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные атомные ядра или ионы, которым они принадлежат, двигаются по одним и тем же траекториям. Тем не менее в сверхпроводниках квантовой жидкости из электронов совсем не обязательно двигаться вместе с ионами, говорит Квач.

Однако отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы в сверхпроводнике будут притягиваться друг к другу. Когда входящие гравитоны пытаются заставить электроны и ионы двигаться по разным путям, притяжение между электронами и ионами может удерживать их вместе, потенциально приводя к тому, что гравитоны будут от них отражаться, говорит Квач.

В обычной материи гравитационный эффект Казимира слишком слаб, чтобы быть обнаруженным, он оказывает одну сотую миллиарда триллиона триллионной величины давления, оказываемого атмосферой Земли на уровне моря. В сверхпроводниках же, если гравитационный эффект Казимира реален, он может оказывать эффект в 10 раз сильнее, чем ожидается от виртуальных фотонов.

Остается непонятным, могут ли сверхпроводники отражать гравитационные волны в реальном мире. «Это пока просто теория, и пока не будут проведены эксперименты, мы не сможем принять ее как факт, — говорит Квач. — Тем не менее я надеюсь провести этот эксперимент».

Хотя эффект Казимира по сути позволяет извлекать энергию из вакуума, Квач отмечает, что это не значит, что энергия вакуума может обеспечить энергией весь мир.

«Эффект Казимира очень и очень слаб, — говорит Квач. — Требуется слишком много усилий, чтобы его обнаружить, не говоря уж о том, чтобы использовать его в качестве источника энергии».

Впрочем, от использования этого эффекта в качестве источника тяги для космических кораблей пока никто не отказывался.

ИЛЬЯ ХЕЛЬ