Астрофизики подсчитали общее количество темной материи. Оказалось, что она составляет порядка 25 % от всей материи и энергии во Вселенной. Получается, что на обычное барионное вещество (состоящее из привычных нам протонов, нейтронов, электронов) приходится всего лишь 5 % материи-энергии Вселенной. Оставшиеся 95 % приходятся на темную энергию и темное вещество, природа которых остается неясна. Как появляется темная материя, из чего она состоит, каковы свойства частиц темной материи? На все эти вопросы еще предстоит ответить. Физики построили множество теорий, претендующих на описание этих темных субстанций, но ни одна их них не получила окончательного экспериментального подтверждения. На современных ускорителях пытаются найти следы частиц темной материи. Но тоже пока безрезультатно. Возможно, новые астрономические наблюдения прольют свет на темные стороны нашей Вселенной, и мы узнаем, что собой представляют темная материя и темная энергия. А пока эти вопросы остаются открытыми.
Вопрос 65. Как в теории инфляции появляются параллельные Вселенные?
Несмотря на то, что теория Большого взрыва находит многочисленные подтверждения в наблюдательной астрономии, есть у нее и ряд проблем. Во-первых, она ничего не говорит о том, что же было до Большого взрыва. Во-вторых, из нее невозможно понять, почему наша Вселенная однородна и изотропна, т. е. одинакова всюду и по всем направлениям. Ведь изначально разные области Вселенной ничего «не знали» друг о друге (т. е. могли быть причинно не связаны). Почему же тогда все свойства Вселенной одинаковы в несвязанных областях? Почему эти несвязанные области пространства начали расширяться одновременно? В-третьих, почему Вселенная плоская? Не в смысле «двухмерная», а в смысле «кривизна трехмерного пространства Вселенной равна нулю». Для ответа на эти и многие другие вопросы была разработана теория инфляции или инфляционная модель Вселенной (от лат. inflatio – раздувание).
Основные идеи этой теории сформулировали в конце 1970‐х – начале 1980‐х годов физики Алексей Александрович Старобинский (1948–2023), Андрей Дмитриевич Линде (род. в 1948 г.), Вячеслав Федорович Муханов (род. в 1956 г.) и Алан Гус (род. в 1947 г.). Они предположили, что на самой ранней стадии эволюции Вселенной, с 10–36 до 10–32 секунд (разные модели дают разную оценку характерного времени), она была заполнена веществом особого типа (или инфлатонным полем), которое за счет отрицательного давления создавало антигравитацию и вынуждало пространство Вселенной расширяться с огромным ускорением. За эти микроскопические доли секунды Вселенная раздулась как минимум в 1026 раз. А затем энергия инфлатонного поля преобразовалась в энергию обычного вещества, которое за счет этого приобрело огромную температуру, и начались все те процессы, которые описывает уже теория Большого взрыва.
Благодаря такому быстрому расширению вся наша Вселенная «вырастает» из очень малой области пространства. А следовательно, все ее части оказываются причинно связаны друг с другом. Поэтому сегодня мы видим, что Вселенная однородна и изотропна. Кроме того, даже если изначально пространство Вселенной и было кривым, при столь колоссальном расширении радиус кривизны увеличился настолько, что все доступное нам для наблюдения пространство представляется абсолютно плоским. Точно так же, как поверхность Земли кажется нам плоской – мы не замечаем ее кривизны, потому что наши размеры чрезвычайно малы по сравнению с размерами нашей планеты и нам доступна для наблюдения лишь малая часть ее поверхности.
И еще один бонус, который мы получаем от стадии инфляции, – это флуктуации плотности вещества в ранней Вселенной, возникшие из квантовых флуктуаций инфлатонного поля. Именно из этих флуктуаций, «раздутых» за время инфляционного расширения в триллионы и триллионы раз, сформировалась крупномасштабная структура Вселенной со всеми планетами, звездами, галактиками и скоплениями галактик. Без этих флуктуаций вещество было бы равномерно распределено по всей Вселенной, и оно бы не смогло собраться в одном месте, чтобы образовать хоть какое-то макроскопическое тело. Это была бы очень скучная Вселенная, заполненная отдельными хаотично летающими частицами космического газа. Никаких планет, звезд и тем более галактик.
Помимо перечисленных достоинств, есть у теории инфляции еще одно очень важное следствие, дающее ответ на очень сложные вопросы о том, почему наша Вселенная выглядит именно так, почему в ней именно три пространственных измерения, почему базовые физические константы имеют именно такие значения и т. д. Ведь стоит хоть немного изменить значение элементарного электрического заряда, или скорость света, или постоянную Планка, и станет невозможным существование стабильных атомов, не смогут протекать термоядерные реакции, а звезды просто не смогут образоваться. Все выглядит так, будто кто-то специально настолько точно подобрал все параметры нашего мира, что стало возможно не только возникновение планет, звезд и галактик, но и существование нас с вами, рассуждающих об этом. Долгое время этот вопрос не давал покоя многим ученым, поскольку идея творца и разумного замысла совсем не встраивается в научную картину мира.
Так вот, теория инфляции дает чисто научный ответ. Оказалось, что на стадии инфляционного раздувания формируются пространственные пузыри, каждый из которых дает начало отдельной Вселенной. В каждом из этих пузырей могут быть свои значения физических констант, свои отдельные физические законы, и даже количество измерений в разных пузырях может быть разным. А наша Вселенная, в которой мы с вами живем, представляет собой лишь один из этих триллионов и триллионов пузырей Мультивселенной, раздувшихся на стадии инфляции до невообразимых размеров. И нам повезло, что именно в нашем пузыре, именно в нашей Вселенной все параметры так удачно совпали, что стало возможно наше существование.
Получается, что никто специально не подбирал параметры нашего мира. Просто таких миров, отличающихся друг от друга, изначально в Мультивселенной было огромное количество. Поэтому неудивительно, что хотя бы в одном из них оказалось возможным существование нас с вами. Точно так же на Земле никто специально не создавал условия для возникновения жизни. Просто во Вселенной сформировались миллиарды и триллионы планет с очень разными условиями на них. Какие-то планеты (такие как Меркурий) вращаются слишком близко к своим звездам, и там слишком жарко для жизни, а другие планеты (такие как Нептун) находятся чересчур далеко от звезд, и там слишком холодно. Но есть среди них те, где не слишком холодно и не слишком горячо, где есть жидкая вода и достаточное количество различных химических элементов, чтобы запустились цепочки сложных химических реакций, приводящих в итоге к возникновению сложных организмов, а впоследствии – и разумной жизни. Поэтому именно огромное разнообразие планет и условий на них объясняет такое редкое событие, как возникновение жизни на Земле, а разнообразие отдельных Вселенных объясняет точную настройку всех физических констант нашего мира.
Заключение
Вот и подошло к концу наше путешествие в удивительный мир физики. Я надеюсь, вы нашли ответы на интересующие вас (не)детские вопросы о том, как устроен мир вокруг вас, и смогли взглянуть на привычные вещи новым, научным взглядом. Конечно, невозможно на страницах одной книги охватить всё многообразие физических явлений. Поэтому мы так подробно останавливались на обсуждении базовых идей и принципов, лежащих в основе современных физических теорий, – чтобы с их помощью вы, мои дорогие читатели, могли строить уже свои собственные рассуждения и самостоятельно отвечать на новые вопросы. И мне бы очень хотелось, чтобы их у вас становилось все больше – ведь процесс познания бесконечен, и у человека, еще не утратившего способность мыслить, всегда будут появляться все новые и новые вопросы, пытающиеся проникнуть в суть явлений и увидеть всю красоту законов природы, стоящих за бесконечным разнообразием нашего мира.