Вселена или Мегавселена?

Какво има зад хоризонта? Как изглежда Вселената на много големи разстояния, в областите, недостъпни за наблюдение? И има ли предел далечината, на която можем да надникнем?

Нашият космически хоризонт се определя от разстоянието до най-далечните обекти, светлината от които е успяла да дойде до нас за 14 милиарда години от момента на Големия взрив.

Поради ускореното разширение на Вселената тези обекти сега са отдалечени вече на 40 милиарда светлинни години. От по-далечните обекти светлината още не е стигнала до нас. Така че какво има там, зад хоризонта?

Доскоро физиците даваха много прост отговор на този въпрос – всичко там е същото – същите галактики, същите звезди. Но съвременните постижения в космологията и физиката на елементарните частици са позволили да преразгледаме тези представи.

В новата картина на света далечните области на Вселената значително се различават от това, което виждаме около себе си, и може дори да се подчиняват на други закони на физиката.

Новите представи са основани на теорията на космическата инфлация. Да се опитаме да разясним нейната същност. Да започнем с кратък обзор на стандартната космология на Големия взрив, която е била доминираща теория до откриването на инфлацията. Според теорията на Големия взрив Вселената е започнала с колосална катастрофа, която се е разразила преди около 14 млрд. години.

Големият взрив не се е случил в някое определено място на Вселената, а едновременно навсякъде. В това време нямало звезди, галактики и дори атоми, и Вселената била запълнена с много горещ, плътен и бързо разширяващ се концентрат материя и лъчение. Увеличавайки размери, той изстивал.

Около три минути след Големия взрив температурата се е понижила достатъчно за формирането на атомни ядра, а след половин милион години електроните и ядрата се обединили в електрически неутрални атоми и Вселената станала прозрачна за светлината.

Това ни позволява днес да регистрираме светлината, изпусната от огнения облак. Той идва от всички посоки на небето и се нарича космическо фоново лъчение.

Първоначално огненият облак бил почти идеално еднороден. Но малки нееднородности в него все пак имало – в някои области плътността била малко по-висока, отколкото в други. Тези еднородности нараствали, привличайки все повече вещество от околното пространство, и за милиарди години се превърнали в галактики. И едва наскоро според космическите мерки на сцената сме се появили ние, хората.

В полза на теорията на Големия взрив говорят множество наблюдателни данни, които не оставят съмнение в това, че този сценарий основно е коректен. Преди всичко ние виждаме как далечните галактики се разбягват от нас с много големи скорости, което сочи на разширението на Вселената.

Също теорията на Големия взрив обяснява разпространеността на леките елементи във Вселената – като хелий и литий. Но за най-главната улика, която може да се нарече димящият ствол на Големия взрив, служи космическото фоново лъчение – зарево от първичното светещо кълбо, което и досега позволява да се наблюдава и изследва. За неговото изучаване са връчени вече две Нобелови награди.

И така, ние, изглежда, разполагаме с доста успешна теория. И все пак тя оставя без отговор някои интригуващи въпроси, отнасящи се до началното състояние на Вселената веднага след Големия взрив.

Защо Вселената е била толкова гореща? Защо е започнала да се разширява? Защо е била толкова еднородна? И накрая – какво е било състоянието ѝ преди Големия взрив?

На всички тези въпроси отговаря инфлационната теория, която Алан Гът издига преди 30 години.

Космическата инфлация

Централна роля в тази теория играе особена форма материя, наречена фалшив вакуум. В обикновеното разбиране на тази дума вакуумът е абсолютно празно пространство. Но за физиците, занимаващи се с физика на елементарните частици, вакуумът далеч не е пълно нищо, а физически обект, притежаващ енергия и налягане, който може да се намира в различни енергийни състояния.

Физиците наричат тези състояния различни вакууми, от техните характеристики зависят свойствата на елементарните частици, които могат да съществуват в тях. Връзката между частиците и вакуума е подобна на връзката на звуковите вълни с веществото, по което се разпространяват те – в различните материали скоростта на звука не е еднаква.

Ние живеем в много нискоенергиен вакуум и дълго време физиците смятаха, че енергията на нашия вакуум е равна на нула. Но наблюдения показват, че той притежава малко различна от нула енергия (тя е получила названието тъмна енергия).

Компютърен модел на вечната инфлация. Фалшивият вакуум (в жълто) се разширява двойно всеки 10^-33 секунди. В областите,където той се е разпаднал, са се образували вселени, подобни на нашата. На границите настъпва „голям взрив“.

Съвременните теории на елементарните частици предсказват, че освен нашия вакуум съществуват редица други, високоенергийни вакууми, наречени фалшиви. Наред с много високите енергии фалшивият вакуум се характеризира с голямо отрицателно налягане, което се нарича напрежение. Това е същото като да се разтегне парче каучук: появява се напрежение – сила, насочена навътре, която кара каучукът да се свива.

Но най-странното свойство на фалшивия вакуум е неговата отблъскваща гравитация. Според общата теория на относителността на Айнщайн гравитационните сили се предизвикват не само от масата (тоест енергията), но и от налягането. Положителното налягане предизвиква гравитационно привличане, а отрицателното води до отблъскване.

В случая с вакуума отблъскващото действие на налягането превъзхожда привличащата сила, свързана с неговата енергия, и в резултат се получава отблъскване. А колкото по-висока е енергията на вакуума, толкова по-силно е то.

А още фалшивият вакуум е нестабилен и обикновено много бързо се разпада, превръщайки се в нискоенергиен вакуум. Излишъкът от енергия отива за пораждане на огнен концентрат елементарни частици.

Тук е важно да подчертаем, че Алан Гът не е изобретил фалшив вакуум с толкова странни свойства специално за своята теория. Неговото съществуване следва от физиката на елементарните частици.

Гът просто е предположил, че в самото начало на историята на Вселената пространството се е намирало в състояние на фалшив вакуум. Защо се е случило така? Добър въпрос, и тук има какво да се каже, но към този въпрос ще се върнем в края на статията.

А сега да предположим заедно с Гът, че младата Вселена е била запълнена с фалшив вакуум. В такъв случай предизвикваната от него отблъскваща гравитация би довела до много бързо ускоряващо се разширение на Вселената.

При такъв тип разширение, който Гът е нарекъл инфлация, съществува характерно време на удвояване, за което размерът на Вселената се е увеличил два пъти. Това прилича на инфлацията в икономиката – ако темповете са постоянни, то цените се удвояват, да речем, за 10 години.

Космологичната константа протича много по-бързо, с такава скорост, че за малка част от секундата мъничка област с размер по-малко от атом се раздува до размери, превишаващи наблюдаваната днес част от Вселената.

Тъй като лъжливият вакуум е нестабилен, той в резултат се разпада, пораждайки огнен концентрат, и с това инфлацията завършва. Разпадът на фалшивия вакуум играе в тази теория ролята на Големия взрив. От този момент Вселената се развива в съответствие с представите на стандартната космология на Големия взрив.

От остроумие към теория

Теорията на инфлацията по естествен начин обяснява особеностите на началното състояние, което преди е изглеждало толкова загадъчно. Високата температура възниква поради високата енергия на фалшивия вакуум.

Разширението е свързано с отблъскващата гравитация, която кара фалшивия вакуум да се разширява, а огненият концентрат продължава да се разширява по инерция. Вселената е еднородна, тъй като фалшивият вакуум навсякъде има строго еднаква плътност на енергията (с изключение на малките нееднородности, които са свързани с квантовите флуктуации във фалшивия вакуум).

Когато инфлационната теория била публикувана за първи път, я възприели само като остроумна хипотеза. Но сега, 30 години по-късно, тя е получила впечатляващи наблюдателни потвърждения, повечето от които са свързани с космическото фоново лъчение.

Спътниците WMAP и Planck са построили карта на интензивността на лъчението за цялото небе и са открили, че видимият на нея петнист модел се намира в безупречно съгласие с теорията.

Има и още едно предсказание на инфлацията, състоящо се в това, че Вселената трябва да е почти плоска. Според общата теория на относителността пространството може да е изкривено, но инфлационната теория предсказва, че наблюдаваната от нас област от Вселената трябва с голяма точност да се описва от плоската, Евклидова геометрия.

Представете си изкривената повърхност на сфера. Сега мислено увеличите тази повърхност огромен брой пъти. Точно това се е случило с Вселената по време на инфлацията. Ние виждаме само мъничка част от тази огромна сфера. И тя изглежда плоска точно така, както Земята, когато разглеждаме малък неин участък.

Това, че геометрията на Вселената е плоска, е било проверено по пътя на измерването на ъглите на гигантски триъгълник с размер почти до космическия хоризонт. Тяхната сума била 180 градуса, както и следва да бъде при плоска, Евклидова геометрия.

Сега, когато данните, получени в наблюдаваната от нас област от Вселената, са потвърдили инфлационната теория, може в известна степен да се доверим на това, което ни казва тя за регионите, недостъпни за наблюдение. Това ни връща към въпроса, с който започнахме – какво лежи зад нашия космически хоризонт?

Светът на безкрайните двойници

Отговорът, който дава теорията, е доста неочакван – макар в нашата част от Космоса инфлацията да е завършила, във Вселената като цяло тя продължава.

Тук-там в нея се случват „големи взривове“, в които се разпада фалшив вакуум и възниква област от Космоса, подобна на нашата. Но инфлацията никога не завършва напълно в цялата Вселена. Работата е там, че разпадът на вакуума е вероятностен процес и в различните области той се случва в различно време.

Излиза, че Големият взрив не е бил уникално събитие в нашето минало. Множество „взривове“ са се случвали преди и безброй още ще се случат в бъдеще. Този никога несвършващ процес се нарича вечна инфлация.

Може да се опитаме да си представим как би изглеждала инфлираща Вселена, ако погледнем на нея отстрани. Пространството би било запълнено с фалшив вакуум и много би се разширявало във всички посоки. Разпадът на фалшивия вакуум е подобен на вряща вода. Тук-там спонтанно възникват мехурчета нискоенергиен вакуум.

Едва зародили се, мехурчетата започват да се разширяват със скоростта на светлината. Но те много рядко се сблъскват, тъй като пространството между тях се разширява още по-бързо, образувайки място за все нови и нови мехурчета. Ние живеем в едно от тях и виждаме само малка негова част.

За съжаление пътешествията в други мехури са невъзможни. Дори ако се качим на космически кораб и се движим почти със светлинна скорост, няма да догоним разширяващите се граници на нашия мехур. Така че се явяваме негови пленници. От практична гледна точка всеки мехур се явява самодостатъчна отделна вселена, която няма връзка с другите мехури. В хода на вечната инфлация се поражда безкраен брой такива мехури-вселени.

С появата на инфлационната теория Големият взрив е престанал да бъде единствено уникално събитие. Според нея вселените възникват и се разширяват като мехурчета в чаша шампанско. И тези „чаши“ може да са множество.

Но ако не можем да се доберем до другите мехури, как да се убедим, че действително съществуват? Една от впечатляващите възможности е наблюдението на сблъсъка на мехурите. Ако друг мехур се е ударил в нашия, това би оказало забележимо въздействие на наблюдаваното космическо фоново лъчение.

Проблемът обаче е в това, че сблъсъците на мехури са много редки и не е факт, че такова събитие се е случило в пределите на нашия хоризонт. Удивителен извод следва от такава картина на света – тъй като броят на вселени-мехури е безкраен и всяка от тях неограничено се разширява, в тях ще се съдържат безкраен брой области с размери на нашия хоризонт.

Всяка такава област ще има своя история. Под „история“ се има предвид всичко, което се е случило, чак до най-малките събития – като сблъсъка между два атома. Ключовият момент се състои в това, че броят на различните истории, които може да съществуват, е краен. Как е възможно това?

Например можете да преместите стола си с един сантиметър, с половин сантиметър, четвърт и т.н.: изглежда, че тук вече се крие неограничено число истории, тъй като можете да преместите стола по безкраен брой различни начини на колкото искате малко разстояние. Но поради квантовата неопределеност прекалено близките една до друга истории принципно е невъзможно да се различат.

По такъв начин квантовата механика ни говори, че броят на различните истории е краен. От момента на Големия взрив за наблюдаваната от нас област той е около 10¹⁵⁰. Това е невъобразимо голямо число, но е важно да подчертаем, че то не е безкрайно.

И така, ограничено количество истории се разгръщат в безкраен брой области. Неизбежен е изводът, че всяка история се повтаря безкраен брой пъти. По-конкретно съществува безкраен брой земи с такива истории като нашата. Това значи, че десетки ваши двойници четат тази фраза. Трябва да съществуват също области, където историите, по нещо се различават и се реализират всички възможни вариации.

Например има области, в които е различно само името на вашето куче, и други, където по Земята още ходят динозаври. Макар, разбира се, в повечето области да няма нищо подобно на нашата Земя – има доста повече начини да се отличават от нашия Космос, отколкото да са подобни на него. Тази картина може да изглежда малко тъжна, но тя е трудно да се избегне, ако се признае инфлационната теория.

Мехурите на Мегавселената

Доскоро смятахме, че другите вселени-мехури си приличат по своите физични свойства. Но не е задължително да бъде така. Свойствата на нашия свят се определят от набор числа, наречени фундаментални константи. Сред тях са Нютоновата гравитационна константа, масата на елементарните частици, техните електрични заряди и т.н.

Общо съществуват 30 такива константи и възниква съвсем естественият въпрос: защо те имат именно такива стойности, каквито имат? Дълго врече физиците мечтаеха, че един ден ще могат да изведат стойността на константата от някоя фундаментална теория. Но съществен прогрес не е постигнат.

Ако запишем на лист хартия стойността на известните фундаментални константи, те ще изглеждат напълно случайни. Някои от тях са много малки, други – големи, и в тази поредица числа не се вижда никакъв ред. Но в тях все пак е била забелязана система, макар и от малко по-различен род, отколкото се надявали да открият физиците.

Стойностите на константите, изглежда, са строго „подбрани“ за осигуряване на нашето съществуване. Това наблюдение е получило названието антропен принцип. Константите сякаш специално са фино настроени от Твореца, за да създадат подходяща за живот Вселена – точно това ни казват привържениците на учението за разумния замисъл.

Но съществува друга възможност, рисуваща съвсем различен образ на Твореца – той по произволен начин поражда множество вселени и случайно някои от тях се оказват годни за живот. Появилите се в такива редки вселени разумни наблюдатели откриват чудната фина настройка на константите. В тази картина на света, наречена Мегавселена, повечето мехури са безплодни, но в тях няма никой, който да се оплаче от това.

Но как да проверим концепцията за Мегавселена? Преките наблюдения нищо няма да дадат, тъй като ние не можем да пътешестваме в другите мехури. Може обаче, както в криминално разследване, да открием косвени улики.

Ако константите се изменят от една вселена към друга, техните стойности не може да се предскажат с точност, но може да се направят вероятни предсказания. Може да се запитаме: какви стойности ще открие средностатистическият наблюдател?

Това е аналогично на опита да се предскаже ръстът на първия срещнат човек на улицата. Едва ли той ще се окаже гигант или джудже, затова ако дадем прогноза, че ръстът му е някъде около средния, обикновено няма да сгрешим.

Същото е и с фундаменталните константи – няма основания да се смята, че техните стойности в нашата област от Космоса са много големи или малки, с други думи, те съществено се отличават от тези, които измерват повечето наблюдатели във Вселената. Предположението за нашата неизключителност е важна идея, нека я наречем принцип на посредственост.

Този подход е приложен към т.нар. космологична константа, която характеризира плътността на енергията на нашия вакуум. Стойността на тази константа, получена от астрономични наблюдения, е в добро съгласие с предсказанията на концепцията за Мегавселена. Това е станало първото свидетелство за съществуването там, отвъд хоризонта, на наистина колосална, вечно разширяваща се Вселена.

Това свидетелство, разбира се, е косвено, каквото само може и да бъде. Но ако имаме щастието да направим още няколко удачни предсказания, то новата картина на света може да се признае за доказана извън пределите на разумните съмнения.

Какво е било преди Големия взрив?

Имала ли е Вселената начало? Описахме безгранично разширяващия се Космос, пораждащ все нови и нови „големи взривове“, но бихме искали да знаем: винаги ли Вселената е била такава?

Мнозина намират такава възможност за доста привлекателна, тъй като тя ни избавя от някои трудни въпроси, свързани с началото на Вселената. Когато Вселената вече съществува, нейната еволюция се описва от законите на физиката. Но как се описва нейното начало? Какво е накарало Вселената да се появи? И кой е задал нейните начални условия?

Би било доста удобно да кажем, че Вселената винаги пребивава в състояние на вечна инфлация без край и без начало.

Тази идея обаче се натъква на неочаквано препятствие. Арвинд Борд и Алан Гът са доказали теорема, която твърди, че макар инфлацията да е вечна в бъдещето, тя не може да бъде вечна в началото, а това значи, че тя трябва да има някакво начало. И каквото и да е то, ние можем да продължим да питаме: какво е било преди това? Получава се, че един от основните въпроси на космологията – с какво е започнала Вселената? – така и няма удовлетворителен отговор.

Единствен опит досега да се заобиколи този проблем с безкрайна регресия се състои в това, че Вселената може да е създадена спонтанно от нищото. Често се казва: нищо не може да се появи от нищото. Действително, материята притежава положителна енергия и законът за нейното съхранение изисква във всяко начално състояние енергията да е била същата.

Но математическият факт се състои в това, че затворената вселена има нулева енергия. В общата теория на относителността пространството може да бъде изкривено и да се затваря подобно на повърхността на сфера.

Ако в такава затворена вселена се движиш през цялото време в една посока, то в края на краищата ще се върнеш там, откъдето си тръгнал – точно така, както се връщаш в изходната точка, обикаляйки около Земята. Енергията на материята е положителна, но енергията на гравитацията е отрицателна и може строго да се докаже, че в затворена вселена те точно се компенсират взаимно, така че пълната енергия на затворена вселена е равна на нула.

Друга съхраняваща се величина е електричният заряд. И тук също се оказва, че пълният заряд на затворена вселена трябва да е нулев.

Ако всички съхраняващи се величини в затворена вселена са равни на нула, то нищо не препятства нейната спонтанна поява от нищото. В квантовата механика всеки процес, който не е забранен от строгите закони на съхранението, с известна вероятност може да се случат. А значи затворените вселени би трябвало да се появяват от нищото подобно на мехурчетата в чаша шампанско.

Тези новородени вселени може да бъдат с различен размер и запълнени с различни типове вакуум. Анализът показва, че най-вероятните вселени имат минимални начални размери и най-висока енергия на вакуума. Стига да се появи такава вселена, и незабавно под влиянието на високата енергия на вакуума тя започва да се разширява. Именно така и започва историята на вечната инфлация.

Космологията на Августин Блажени

Нека направим уговорката, че аналогията между възникващите от нищото вселени и мехурчетата шампанско не е съвсем точна. Мехурчетата се раждат в течности, а вселените нямат никакво околно пространство.

Зараждащата се затворена вселена е всъщност цялото налично пространство. До нейната поява никакво пространство не съществува, както не съществува и време. В общата теория на относителността пространството и времето са свързани в единна същност, наречена пространство-време, и времето започва своя ход едва след като се появи Вселената.

Нещо подобно преди много столетия е описано от Августин Блажени. Той се опитал да разбере какво е правил Господ, преди да създаде небесата и земята. Своите размишления над този проблем Августин Блажени е изложил в забележителната книга „Изповеди“.

Изводът, до който той е стигнал, се състои в това, че Бог трябва да е създал времето заедно с Вселената. Преди това не е имало време, а това значи, че е безсмислено да се пита какво е било по-рано. Това много прилича на отговора, който дава съвременната космология.

Може да попитате: какво е накарало Вселената да се появи от нищото? Колкото и да е чудно, не се изисква никаква причина. Ако вземем радиоактивен атом, той се разпада за определен интервал от време, да речем за минута. Но ако попитате: защо атомът се е разпаднал именно в конкретен момент, а не в друг, то отговорът ще бъде, че не е имало никаква причина – този процес е напълно случаен. Аналогично не се изисква причина и за квантовото създаване на Вселената.

Законите на физиката, които описват квантовото рождение на Вселената, са същите, които описват нейната последваща еволюция. От това очевидно следва, че законите са съществували в известен смисъл, преди да възникне Вселената. С други думи, законите, изглежда, не се явяват описание на Вселената, а притежават някакво платонично съществуване, в допълнение към Вселената. Ние още не знаем как да разбираме това.

Авторът на статията – Александър Виленкин – е директор на Института по космология към университета „Тъфтс“ (Бостън, щата Масачузетс).