Текст книги "Дыхание Вселенной (Единство мира)"

Можно отметить важное совпадение, касающееся фундаментального вывода науки об особом современном состоянии Вселенной, нацеленном на появление в ней человека, разума. С одной стороны, это следует, как мы видели, из глубоких теоретических подходов и наблюдательных данных космологов, астрофизиков. С другой стороны, находит опору и в независимых представлениях о Вселенной как единой, вращающейся целостности, организованной в соответствии с гармонизирующим принципом золотого отношения. Если в материале А.Д.Чернина подчёркивается, что расстояние до горизонта расширяющейся Вселенной, за который мы заглянуть не в состоянии, является также и её радиусом именно в настоящую эпоху, то концепция, изложенная в недавно вышедшей книге «Фрактальная Вселенная и золотое отношение» [92], позволяет прийти к выводу, что золотая вращающаяся и циклически развивающаяся Живая Вселенная как раз ныне проходит свой специфический возраст – «половозрелость», порождая антропоморфный вариант жизни (с. 170). И если раньше в своём «младенческом» возрасте она была несравненно теснее связано с «родовым гнездом» – сингулярностью, когда доминировали могучие силы гравитации, то теперь они словно обернулись своей противоположностью: выявляют себя силы отталкивания. Вообще на существование антигравитации ещё более ста лет назад указывала Е.П.Блаватская в «Тайной Дотрине». Так всё в мире двуначально, имеет свою оборотную сторону. Если есть вдох, то за ним следует и выдох…

Незримая ткань Вселенной[136]136
  См. также журнал «Дельфис» № 1(57)/2009. – Прим. Я.Н.


[Закрыть]
А. В. Зубко

 
Наш Мир – не завершенье.
Там дальше – новый Круг.
Невидимый – как Музыка,
Вещественный – как Звук.
 

Э.Дикинсон

В последние годы научное сообщество обнаружило, что в современную эпоху наша Вселенная расширяется ускоренным образом. В космологии это повлекло за собой пересмотр многих взглядов. Стало очевидным, что на огромных расстояниях проявляет себя антипод гравитации – силы отталкивания, о которых говорит эзотерическая наука, берущая начало от Древней Мудрости…

Если очень условно и очень крупными мазками нарисовать картину изменения наших представлений о глобальном строении мироздания, то на ней можно выделить несколько этапов. Сначала основным материальным телом Вселенной считалось Земля. Затем, когда стало понятно, что Солнце и планеты также являются гигантскими небесными телами, осознаваемая Вселенная выросла до размеров Солнечной системы. Потом пришло понимание того, что звёзды – огромные светила, подобные Солнцу, и именно они и есть основные структурные элементы Вселенной. Однако, благодаря прогрессу средств наблюдения, вскоре было обнаружено, что так называемые «туманности» на звёздном небе есть не что иное, как колоссальные «звёздные острова», подобные нашей Галактике. На следующем шаге познания оказалось, что действительными элементами крупномасштабной структуры Вселенной являются даже не галактики, а их скопления и сверхскопления, образующие как бы грани грандиозных космических «сот» – ячеек.

Но все эти изменения представлений о мироздании происходили в рамках предположения, что основой материальной составляющей Вселенной служит известное нам вещество в его разных формах и состояниях, обычно называемое в космологии барионной материей, так как именно барионы (протоны и нейтроны) составляют почти всю его массу.

В первой половине прошлого века пришло время отказаться и от этого «естественного» и «очевидного» предположения. Анализ динамики как скоплений галактик, так и внутригалактических объектов (звёзд и газа) показал наличие в этих структурах тяготеющей ненаблюдаемой и небарионной материи, многократно превосходящей по массе их барионную составляющую. По данным наблюдений были построены ротационные кривые галактик – графики круговых скоростей звёзд и газа в зависимости от их расстояния до галактического центра. Если бы масса галактик определялась только их барионной материей (обладающей электромагнитным взаимодействием и поэтому легко наблюдаемой), то при выходе из области оптически наблюдаемого галактического диска скорости вращения звёзд должны были бы убывать с расстоянием. В действительности же круговые скорости остаются почти постоянными в широком диапазоне расстояний [1][137]137
  Список литературы автора статьи см. в её конце. – Прим. Я.Н.


[Закрыть]. Это является наиболее убедительным и прямым свидетельством существования тёмной материи (ТМ), формирующей гравитационно связанные образования – гало, гравитационные потенциальные ямы, внутри которых находятся галактики и их скопления. Размеры гало из ТМ намного больше их видимого галактического содержимого.

Оценки суммарной плотности барионной материи и ТМ дали величину, примерно в три раза меньшую, чем так называемая критическая плотность ρ_с ≈ 10^-29 r · см^–3, необходимая для объяснения практически плоской (то есть евклидовой – с почти нулевой кривизной) геометрии нашей Вселенной и времени её существования около 14 млрд лет.

Ответ на загадку недостающей космической массы-энергии удалось увидеть благодаря звёздному свету. В 1998 году были опубликованы первые результаты по вспышкам сверхновых звёзд типа 1а, находящихся на очень больших расстояниях. (Предполагается, что эти сверхновые возникают при взрыве углероднокислородных белых карликов. Теория таких звёзд неплохо разработана, позволяет связать между собой их наблюдаемые характеристики и, с известными предосторожностями, использовать их в космологии как «стандартные свечи».) Оказалось, что оценка расстояния до этих звёзд по их светимости давала систематически завышенные результаты по сравнению с оценкой расстояний по закону Хаббла, исходя из величины красного смещения их спектра. Напомним, что, согласно закону Хаббла, относительная скорость удаления двух объектов и, соответственно, величина красного смещения линий спектра наблюдаемого излучения, обусловленная расширением Вселенной, прямо пропорциональна расстоянию между ними. А фактически звёзды оказывались дальше, чем должны были быть в соответствии с простым линейным законом расширения. Отсюда следовал вывод: Вселенная расширяется с положительным ускорением; значит на космологических масштабах во Вселенной преобладают силы отталкивания, то есть антитяготения. Для физиков в том нет ничего необычного; данный эффект типичен для вакуумноподобных состояний материи с ненулевой плотностью энергии. Оценка плотности энергии такого состояния, исходя из величины ускорения, как раз и дала недостающую долю 2/3 · р_с плотности массы-энергии Вселенной, а сама эта энергия и была названа тёмной энергией (ТЭ).

Согласно современным данным, полная плотность энергии Вселенной практически точно соответствует критической плотности, доля барионной материи составляет около 4 %, ТМ – 26 %, ТЭ – 70 %. О физической природе ТМ и ТЭ пока достоверно не известно почти ничего, кроме факта их существования (хотя и здесь не всё так просто).

Таким образом, на долю «тёмного сектора» (ТМ и ТЭ) в современную эпоху приходится около 96 % полной энергии Вселенной, и именно он почти целиком определяет её крупномасштабную структуру и динамику

Здесь необходимо добавить, что в процессе расширения Вселенной плотность различных её составляющих – вещества (обычного и тёмного), излучения и тёмной энергии – ведут себя различным образом, так что количественные соотношения между ними меняются в ходе космической эволюции. Но именно эти соотношения определяют вклад каждой из форм космической материи в динамику Вселенной, а также и характер этой динамики. Гравитационное влияние вещества и излучения замедляет расширение, а влияние ТЭ ускоряет.

Из результатов наблюдений за сверхновыми типа 1а следует, что примерно первую половину своей истории Вселенная расширялась с замедлением, так как доминировал вклад вещества и излучения, но около 7 млрд лет назад началась фаза ускоренного расширения, ибо стал преобладать вклад ТЭ.

Если подвести краткий итог нашего небольшого введения, то, образно выражаясь, можно сказать, что тёмная энергия и тёмная материя в совокупности образуют незримую ткань Вселенной, на которой вышит звёздный узор. Это – незримый океан неведомых форм материи, на гребнях волн которого сверкает лёгкая пена видимого космоса. (Написал эти слова и сразу вспомнился молочный океан из космогонических преданий «Пуран», пахтая который боги и асуры добыли Амриту – напиток вечной жизни. Вспомнилась морская пена, из которой родилась Афродита – богиня красоты, ведь космос и косметика – однокоренные слова. По-гречески «космос» означает – украшенный.)

Теперь давайте рассмотрим ряд вопросов, связанных с тёмной энергией.

Представление об антитяготении, необходимое для объяснения ускоренного расширения Вселенной, кажется довольно необычным, но возможность описания подобного эффекта в общей теории относительности была предложена ещё А.Эйнштейном. Он ввёл в качестве источника гравитационного поля дополнительное (кроме «обычной» материи) слагаемое, пропорциональное метрике пространства-времени с некоторым коэффициентом пропорциональности «лямбда» Л. Такое слагаемое точно отвечает наличию у вакуума плотности энергии, равной p_v = A/8nG (где G – гравитационная постоянная, а скорость света полагается равной единице). Плотность энергии вакуума постоянна и не меняется при расширении Вселенной. Как следует из теории относительности, такая вакуумная энергия обладает отрицательным давлением и отрицательной гравитационной массой, что и соответствует антитяготению, то есть гравитационному отталкиванию.

Предположение, что ТЭ есть энергия вакуума, описываемая единственной величиной//, является одной из наиболее популярных гипотез о природе ТЭ. Именно её и придерживается А.Д.Чернин в своей работе [2], опубликованной также в журнале «Дельфис» (№ 4/2008). Гораздо более полное и развёрнутое изложение взглядов А.Д.Чернина можно найти в его недавней работе [3], которая сразу же вызвала научную полемику [4], так как вопрос о природе ТЭ не так прост и однозначен, как можно было бы подумать с первого взгляда.

Другая, достаточно популярная, точка зрения связывает ТЭ с новым сверхслабым и сверхлёгким полем – квинтэссенцией, фантомным полем и т. п. Дело в том, что современная стадия ускоренного расширения Вселенной качественно аналогична периоду инфляции – ускоренного расширения в самом начале её эволюции, отличаясь лишь величиной ускорения. А в инфляционных теориях обычно используется некоторое новое поле – инфлатон, аналогом которого и служит тёмная энергия в форме сверхслабого поля. В теориях этого типа её плотность может зависеть от времени, а ускоренное расширение может быть всего лишь ограниченным периодом космической эволюции и даже смениться сжатием!

Не менее интересна теория, объясняющая эффект ускорения на основе представлений о роли дополнительных пространственных измерений [5]. Такая возможность существует в картине «мира на бране», вытекающей из теории струн. В этой модели трёхмерное пространство нашей Вселенной представляет собой 3-брану (обобщение двухмерной мембраны) в пространстве более высокой размерности. Частицы «обычной» материи (электроны, кварки, нейтрино, фотоны, глюоны и т. п.) описываются как колебания открытых струн с разомкнутыми концами, которые прикреплены к 3-бране и могут двигаться по ней. Поэтому обычные частицы прикреплены к пространству нашей Вселенной и не могут его покинуть. Гравитон же описывается замкнутой в кольцо струной, которая не прикреплена к бране и в принципе может покинуть её, как это показано на рис. 1. Однако, взаимодействие гравитонов с «материалом» браны приводит к своеобразному эффекту удержания гравитонов. Очень хорошую аналогию этому процессу приводит в статье [6, с. 63] один из авторов этой теории: «Даже в таком случае гравитоны не всегда могут двигаться, как им заблагорассудиться. Испущенные звёздами и другими объектами, расположенными на мембране, они могут уходить в дополнительные измерения только после того, как пройдут некоторое критическое расстояние. Гравитоны ведут себя, как звук в металлическом листе, удар по которому создаёт звуковую волну, распространяющуюся вдоль его поверхности. Но звук распространяется не только в плоскости: часть энергии уходит в окружающий воздух. Вблизи от места удара потеря энергии незначительна, однако по мере удаления от него она становиться заметной». Такая «утечка» гравитонов и, соответственно, ослабление гравитации на космологических масштабах, создают в бране неустранимую деформацию, напряжение, которое также приводит к ускоренному расширению Вселенной, как и в случае наличия «настоящей» ТЭ. Кстати, в модели мира на бране может быть реализована упоминавшаяся выше возможность такой модели тёмной энергии, когда ускоренное расширение сменяется сжатием, а эволюция Вселенной в целом является циклической, с возрастающим от цикла к циклу её размером [7].

Рис. 1. 3-брана Вселенной и элементарные частицы

Кроме того, существует возможность объяснения космологического ускорения путём обобщения тензорной общей теории относительности Эйнштейна (в которой гравитация описывается метрическим тензором пространства-времени) до скалярно-тензорной теории гравитации, модифицирующей закон тяготения на больших расстояниях.

Согласно современным представлениям, эволюцию Вселенной в самых общих чертах можно представить следующим образом.

Стадия сверхбыстрого экспоненциального расширения Вселенной – инфляция – начинается в микроскопически малой области с планковскими размерами порядка 10"³³см, в которой скалярное поле инфлатона принимает достаточно большое значение. Это поле образует вакуумоподобное состояние – ложный вакуум с большой плотностью энергии и, соответственно, с большим отрицательным давлением, за счёт которого и начинается стадия инфляции. Сочетание квантовых флуктуаций (случайных квантовых изменений) поля инфлатона с быстрым расширением приводит к стремительному увеличению размера – длины волны (и, естественно, уменьшению частоты) исходно микроскопической коротковолновой флуктуации. Она просто «растягивается» расширением Вселенной. (Это похоже на то, как в слоге АУМ высокочастотный звук «А» постепенно превращается в низкочастотный «М».) В результате такого процесса формируется почти «плоский» спектр флуктуаций инфлатона, когда их амплитуда (порядка 10^-5-10^-4 по относительной величине) почти не зависит от длины волны, то есть от размеров области пространства. Затем, в результате постепенного уменьшения величины поля инфлатона в процессе расширения, наступает такой момент, когда неустойчивый ложный вакуум начинает распадаться, быстро «скатываясь» в состояние истинного вакуума с минимальной и малой по величине плотностью энергии. Накопленная в ложном вакууме энергия превращается в энергию первичной материи – сверх-горячей плазмы пар частица-античастица («обычных» и «тёмных»), фотонов и пр., рождающихся из квантов поля инфлатона. Распад ложного вакуума завершает стадию инфляции, и начинается «спокойное» расширение родившейся Вселенной. При этом флуктуации величины поля инфлатона превращаются, соответственно, во флуктуации плотности плазмы. Наличие в плазме неоднородностей плотности приводит к возникновению в ней звуковых колебаний – волн сжатия и разрежения точно так же, как и в воздухе. Однако сжатию и разрежению в этих звуковых волнах подвергалось только обычное вещество, но не тёмная материя, частицы которой не обладают электромагнитным взаимодействием. В областях сжатия плазма нагревается, а в областях разрежения – охлаждается, соответственно, меняется и температура – энергия фотонов, излучаемых в этих областях.

Период распада ложного вакуума был микроскопически краток, поэтому колебания всех длин волн (на всех пространственных масштабах) начались одновременно, то есть колебания первичной плазмы оказались синхронизированы, связаны по фазе. Таким образом, отдельные частотные составляющие этого «первичного космического звука» – его гармоники – также оказались связаны по фазе, то есть колебались в унисон. (Как здесь не вспомнить об Акаше, которая имеет лишь один характерный признак, а именно Звук, а также о творящем Космос звуке АУМ и Логосе – «Вначале было Слово…»)

По мере расширения и охлаждения Вселенной первыми приобрели независимость – почти перестали рождаться и аннигилировать – очень тяжёлые частицы тёмной материи (которая с тех пор эволюционировала только благодаря силам гравитации). За ними последовали реликтовые нейтрино, и, наконец, когда возраст Вселенной был равен примерно 380 000 лет, а температура упала до значения около 3000 °C, протоны стали захватывать электроны и образовывать устойчивые электро-нейтральные атомы. В результате фотоны реликтового излучения (РИ) практически перестали взаимодействовать с веществом, то есть картина распределения «первичного света Творения» («Да будет Свет…») перестала изменяться. Так картина горячих и холодных областей, созданная звуковыми волнами, навеки запечатлелась в картине температуры РИ: первичный Свет сделал видимым первичный Звук. С тех пор Вселенная увеличила свои размеры примерно в 1000 раз, во столько же раз увеличилась длина волны, и, соответственно, уменьшилась частота и энергия – температура РИ, которая в наше время равна примерно 2,7 °C. Другими словами, наблюдая сейчас РИ, мы видим фотографию Вселенной в её младенческом возрасте.

Рис. 2. Угловой спектр флуктуации реликтового излучения в модели ACDM (сплошная кривая) и данные трёх лет наблюдений спутника WMAP, экспериментов ACBAR и ВОО-MERANG03 [8]

Дошедшее до нас в неизменном виде (не считая абсолютной величины температуры) распределение флуктуаций температуры РИ несёт на себе отпечаток неоднородностей распределения плотности первичного вещества, обусловленных как флуктуациями инфлатона, так и звуковыми волнами и последующим гравитационным воздействием ТМ на фотоны и излучающую их барионную материю (БМ). То есть спектр обертонов первичного света РИ оказывается промодулированным также и влиянием ТМ.

В дальнейшем, благодаря силам тяготения, происходил рост неоднородностей плотности ТМ, которые образовали волокнисто-ячеистую крупномасштабную структуру Вселенной. На ней и сконденсировалась БМ в виде галактик и их скоплений. Роль ТМ оказывается решающей при образовании структуры не только скоплений галактик, но отдельных галактик. Так, именно гравитационное влияние тёмной материи делает устойчивой распространённую красивую спиральную форму галактик.

Изучение углового спектра флуктуаций температуры РИ (рис. 2) позволяет получить многие важные характеристики «тёмного сектора» мироздания, которые находятся в замечательном соответствии со значениями этих же величин, полученных другими методами астрономии (наблюдение звёзд, галактик и т. п.). Первый максимум спектра соответствует «основному тону» колебаний и отвечает областям небесной сферы с угловым размером около 1°, хорошо видны и следующие гармоники основного тона. Теоретическая форма спектра рассчитана по критерию наилучшего согласия в соответствии с популярной моделью ACDM: космологическая постоянная Л («лямбда»-член), которая описывает ТЭ, и CDM (Cold Dark Matter) – холодную ТМ, которая образована очень тяжёлыми частицами, слабо взаимодействующими как между собой, так и с барионной материей.

Рассмотрим теперь более внимательно рис. 2, на котором отложена амплитуда сферической гармоники флуктуаций температуры РИ в зависимости от номера гармоники. Большие номера отвечают малым угловым размерам и наоборот. Видно очень хорошее соответствие экспериментальных точек теоретической кривой, кроме амплитуды наименьшей гармоники (1 = 2- квадрупольная составляющая). Другими словами, для больших угловых размеров наблюдается слишком однородное распределение температуры РИ, то есть почти нет гармоник с вселенскими размерами. Одной из причин такого отсутствия больших длин волн в спектре РИ может быть, образно говоря, то, что «струна Вселенной» короче, чем мы привыкли думать. То есть не исключено, что пространство Вселенной имеет нетривиальную топологию и конечные линейные размеры, как это предлагается в модели Люмине [9].

Рис. 3. Платоновы тела, названные по числу граней, и стихии Вселенной (рисунки Леонардо да Винчи в книге: Пачиоли Лука. О божественной пропорции. Венеция, 1509)

Пространство в модели Люмине отличается как от бесконечного плоского трёхмерного пространства с нулевой кривизной, так и от трёхмерной поверхности четырёхмерной гиперсферы с положительной кривизной и конечным максимальным размером. Это так называемое додекаэдралъное пространство Пуанкаре, которое имеет небольшую положительную кривизну, совместимую с современными экспериментальными данными, а объём этого пространства в 120 раз меньше, чем трёхмерный объём гиперсферы с той же кривизной. Оно получается отождествлением противоположных пятиугольных граней сферического додекаэдра после поворота одной из них на 7₁₀ полного поворота. Всё пространство Пуанкаре состоит из 120 таких додекаэдрических блоков. (Здесь вспоминаются древние греки, которые сопоставляли пяти стихиям пять правильных Платоновых тел – тетраэдр, куб, октаэдр, икосаэдр, додекаэдр. Причём додекаэдр соответствовал Вселенной, то есть космическому пространству – см. рис. З из [10]. Упоминание о додекаэдре мы можем найти и в Агни Йоге.)

Подобная конструкция может показаться довольно искусственной, но, во-первых, она правильно воспроизводит спектр сферических гармоник РИ и вполне совместима с имеющимися на сегодняшний день экспериментальными данными, а во-вторых, как пишет в работе [9] автор этой модели, в теории мира на бране высшие размерности пространства часто свёрнуты (скомпактифицированы) в весьма нетривиальные многообразия Калаби-Яу. В таком случае было бы странно, что три пространственных измерения Вселенной остаются некомпактными. Кроме того, в [9] предлагаются эксперименты, которые могли бы подтвердить или опровергнуть данную модель.

Мы здесь уделили столько внимания этой модели потому, что она (на мой взгляд. – А.З.) красива и даёт некоторое представление о направлениях поисков в современной космологии.

Что же касается природы частиц, составляющих тёмную материю, то на этот счёт существует множество самых экзотических гипотез. Кратко упомянем только некоторые из них.

1) Одними из самых популярных кандидатов на роль частиц ТМ являются вимпы (англ. WIMP – Weakly Interacting Massive Particles) – слабовзаимодействующие массивные частицы, которые предположительно были рождены в первые мгновения после Большого Взрыва.

2) По другой гипотезе, вимпы могут являться суперпартнёрами частиц Стандартной модели (СМ). Такие частицы появляются при обобщении СМ путём введения новой симметрии – суперсимметрии между частицами с целым и полу-целым спином. При этом у частиц СМ появляются (супер)партнёры со спином, отличающимся на /4.

3) В ряде моделей мира на бране возможно существование нового вида частиц, являющихся возбуждёнными состояниями частиц СМ, связанными с движением в высших размерностях пространства-времени. Это так называемые частицы Калуцы-Клейна, которые должны быть достаточно массивными.

4) Также в моделях мира на бране возможно появление нового класса частиц, кандидатов в ТМ – бранонов. Браноны являются квантами колебаний упругой 3-браны Вселенной в высших размерностях. (Захватывающая картина – пространство Вселенной колеблется подобно струне, и снова звук – Звук высших измерений!)

5) Ещё одним кандидатом на роль вимпов считаются гипотетические частицы аксионы, достаточно давно введённые в физику для решения проблемы нарушения так называемой СР-инвариантности.

За дальнейшими подробностями о возможной природе частиц ТМ можно обратиться к обзору [1].