Теория инфлатонов: можно ли создать новую Вселенную

«Как устроена Вселенная
» (англ. How the Universe Works) — цикл научно-популярных телепередач о Вселенной, показанных на телеканалах Discovery Channel (в 2010 году) и Discovery Science (с 2012 года). Среди участников фильма: американские учёные Л. М. Краусс, М. Каку, Э. Майнцер и другие[1].

Перевод на русский язык выполнен студией «Кириллица», текст озвучен Владимиром Рыбаченко и Вячеславом Лагутиным. В России транслируется на телеканале Discovery Science по пятницам[2]. Помимо синхронно переведённых обычным образом серий в России также выходит смонтированная версия сериала со вставками, которую якобы ведёт Фёдор Бондарчук, содержательная часть при этом оставлена без изменений (в оригинальной версии никакого ведущего нет).

Сезоны

Список выпусков согласно IMDb[3]:

Первый сезон

Второй сезон

Третий сезон

Четвёртый сезон

Пятый сезон

Тонкий баланс

Но не стоит спешить с выводами. Заново изготовленную вселенную необходимо наделить тяготением, которое, как известно, обладает отрицательной потенциальной энергией. Это означает, что сумма гравитационной энергии и положительной энергии новорожденных частиц может оказаться близкой к нулю. Поэтому юную вселенную можно сотворить с весьма умеренными энергетическими затратами. А опасности вселенского каннибализма можно избежать, если заставить крошечный зародыш будущего мироздания некоторое время расширяться с быстро возрастающей скоростью. Увеличивающаяся в размерах «затравочная» вселенная за счет внутренних ресурсов сформирует свое собственное пространство и вскоре уйдет за горизонт событий, навсегда исчезнув из поля зрения породившей ее цивилизации.

Мир из пробирки

Такой сценарий лабораторного сотворения новых миров не противоречит некоторым версиям инфляционной космологии. Как известно, она постулирует возможность «выдувания» вселенных из сверхмикроскопических флуктуаций особых квантовых полей — инфлатонов. При надлежащих условиях такие флуктуации влекут за собой экспоненциальный рост геометрических размеров зародыша будущей вселенной, завершаемый массовым рождением гамма-квантов и прочих элементарных частиц. Если эти условия реализовать в эксперименте, то в лаборатории можно произвести на свет эмбрион новой вселенной.

При этом ее фундаментальные физические свойства будут зависеть от той комбинации давления, температуры и напряженности инфлатонного поля, которую выберут экспериментаторы. В частности, они могут создать мир с максимально благоприятными условиями для возникновения разумной жизни. Некоторые космологи допускают даже, что наша собственная Вселенная возникла именно таким путем.

Вселенная в наследство

Нельзя не признать, что подобные проекты — поистине верх альтруизма, поскольку материнская цивилизация никакой пользы для себя извлечь не сможет, ведь из отпочковавшейся вселенной не получить ни энергии, ни минерального сырья, ни даже информации. Так зачем же тратить на это силы и средства? По мнению профессора Стэнфордского университета Андрея Линде, который занимался проблемой вселенского конструирования, единственная разумная цель такого предприятия — это передача будущим обитателям новой вселенной важных сведений, которые смогут способствовать их интеллектуальному и техническому прогрессу: «Именно так поступают родители, оставляющие детям в наследство свой жизненный опыт».

Весточка от создателей

Как передать такое сообщение? Если даже нанести на оболочку будущей вселенной некие знаки, инфляционное расширение растянет их до исполинских размеров, и эти символы станут нечитаемыми. Но информацию можно закодировать физическими параметрами будущей вселенной — например, соотношениями между массами элементарных частиц. «Если бы я захотел отправить послание обитателям созданной мною вселенной, — говорит Андрей Линде, — я бы записал его в локальных законах физики. А для передачи длинного и содержательного сообщения мне придется сделать эти законы достаточно сложными. Например, надо позаботиться о том, чтобы массы электрона, протона и нейтрона находились в нетривиальных соотношениях, разгадывание которых станет серьезной задачей для будущих физиков. Поэтому не исключено, что мы, сами того не ведая, пытаемся дешифровать закодированное послание от сверхразумных, но, конечно, отнюдь не божественных создателей нашего мира». В самом деле, почему бы и нет?
Статья «Вселенная своими руками» опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2011).

Как устроена Вселенная

Ещё в 90-е почти всё с устройством Вселенной вроде было в порядке. Учёные довольно надёжно обосновали теорию Большого взрыва. Итак, 13,7 млдр. лет была так называемая сингулярность – некая сущность, из которой всё родилось: материя, пространство, физические законы, время…

Да, времени до «срабатывания» этой сингулярности (это и называется «Большой взрыв») тоже не было. А спустя несколько минут возникли привычные для нашего представления условия, в которых и образовались галактики, звёзды, планеты, живой мир, человечество.

Теория Большого взрыва обосновывается, прежде всего, свойствами микроволновой космической радиации, которая пронизывает всё пространство. Это излучение так и называется – реликтовым, потому что оно «помнит» тот давний катаклизм и, постепенно охлаждаясь, доносит до нас информацию о возрасте Вселенной. В наше время температура этого излучения снизилась почти до абсолютного нуля, и сейчас составляет всего 2,725 Кельвинов. Охлаждается реликтовое излучение, потому что Вселенная расширяется. Непонятен был только результат этого расширения: приведёт ли оно к бесконечно разряжённой Вселенной или, постепенно замедляясь, сменится обратным процессом – сжатием, которое возвратит нашу Вселенную в исходную сингулярность.

Физики резонно считали: материя Вселенной разбегается в разные стороны по инерции, с постоянной скоростью. А гравитационное взаимодействие эту скорость разбегания ещё замедляет. – Т.е. Вселенная расширяется с замедлением.

Как замеряли скорость разбегания?

Из теории относительности следует, что длина волны, излучаемая удаляющимся от нас объектом, увеличивается. Грубо говоря, зелёный фонарь, улетающий от нас со скоростью, близкой к скорости света, кажется нам красным.

И что? Мы знаем спектр излучения, цвета, неподвижных относительно нас звёзд. Звёзды более далёкие остаются физически подобными нашим звёздным соседям. Но свет, ими излучаемый, имеет в целом более длинные волны. Это явление так и называют – красное смещение. Только наблюдаем мы на очень больших расстояниях уже не отдельные звёзды, а их скопления, – галактики. – Что, впрочем, не мешает так же изучать их спектр. Так вот, чем дальше от нас галактика, тем «краснее» она выглядит.

Иногда в далёких галактиках вспыхивают сверхновые звёзды. Они светят недолго, но очень ярко, ярче чем сама галактика. Как сверхновые должны светиться, будь они неподвижны относительно нас, физики знают. А вот по отличиям в светимости мы можем узнать скорость убегания от нас этой галактики. Такие сверхновые так и называют – «стандартные свечи».

И вдруг неожиданность. В 1998 году обнаружилось, что расширение Вселенной происходит с ускорением. Причём ускоряется Вселенная экспоненциально, т.е. чем дальше во времени, тем это ускорение больше.

На самом деле, в ранней Вселенной это ускорение разбегания было ещё больше, но потом оно замедлилось. А сейчас снова ускоряется. Вот такая сложная получилась картина.

Физики в череде этих новостей несколько растерялись. Ускорение стали «объяснять» энергией вакуума, тёмной энергией, просто неким «свойством» пространства. Как мы объясняли бы устройство компьютера: «В нём есть такая штуковина, которая считает и запоминает всё, что наберёшь на этой вот хреновине с кнопками».

Причём этой непонятной «хреновины» очень много. 73% всей энергии Вселенной – это и есть тёмная энергия. Причём она равномерно распределена в пространстве. – В отличие от обычной материи, которая комкуется в галактики, звёзды и планеты. Её, наблюдаемой нами материи, только 4-5%, — если перевести её в энергетический эквивалент, E = mc2, помните? А оставшиеся 22% — это тёмная материя. Она тоже как-то комкуется, причём где-то рядом с нами, в том числе. Но что это такое и как это наблюдать, мы пока не знаем.

С этим комкованием тоже неясности. Ну был Большой взрыв, материя разлетелась в разные стороны. По привычным физикам теориям, должны были образоваться неоднородности, слои плотной и разряжённой материи. Но этих неоднородностей нет. Абсолютно равномерно распределённые галактики, а в них – также равномерно размещённые звёзды.

Но самое главное в новой теории – это всё-таки тёмная энергия как неотъемлемое свойство пространства. Абсолютно равномерно распределённая и скалярная – то есть одинаковая во всех направлениях, -такая вот Тёмная энергия. Именно из-за неё Вселенная разбегается с ускорением.

Обнаружить тёмную энергию экспериментально в ближайшее время вряд ли получится: очень уж она разряжена и с обычным веществом взаимодействует только силой гравитации, — конечно, с обратным знаком, расталкивая материю.

То же относится и к тёмной материи – не можем мы её увидеть и обнаружить рядом с нами. Редкая она и слабовзаимодействующая с обычным веществом. А вот по искажениям вида далёких галактик зафиксировать её наличие – можем.

Что имеем в итоге? Был Большой взрыв. Вселенная стала раздуваться: из-за тёмной энергии и её скалярных свойств, — равномерно во всех направлениях. Когда Вселенная была ещё очень маленькой, случайные, квантовые флуктуации в пространстве образовывали кусочки материи, которые со временем превратились в галактики. А в галактиках образовались, уже понятным нам образом, звёзды, планеты, кометы и межзвёздная пыль.

Так что, считаем, что нам повезло. Воздуха, еды, развлечений, прочего секса вроде бы хватает. Сила тяжести, тёплый дождик и яркое солнышко нас комфортно обслуживают. Лишь бы сам Человек, находясь в столь удобном мире, не вцепился зубами своему соседу в глотку, навеки прервав столь редкое в существующем сонме Миров свойство как Жизнь.