Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман Страница 19

невозможно точно определить одновременно и положение, и скорость частицы, то есть нашей воображаемой пружины, только что-то одно. Энергия пружины зависит от ее сжатия и частоты осцилляций. Гейзенберг показал, что оба значения не могут одновременно равняться нулю, поэтому эти пружинки в вакууме всегда сохраняют в себе некую энергию.

Проблема заключается в том, что если мы посчитаем совокупную энергию осцилляций в нулевой момент, то есть в момент образования Вселенной, окажется, что их запас энергии в тот момент как минимум на 120 порядков превышал величину темной энергии сегодня. Энергия этих осцилляций неизменна, поэтому ее значение по-прежнему соотносится с темной энергией как 120 к 1. Это явление известно как проблема космологической константы.

Здесь перед космологом встает выбор: либо признать, что Λ не является результатом квантовых флуктуаций (а значит, также признать, что причина ее возникновения неведома), либо разработать механизм, позволяющий снизить Λ до нынешнего значения, которое в 15 раз больше плотности материи во Вселенной. Конечно, если бы Λ была в 10120 раз больше, чем сейчас, Вселенной в известном нам виде уже просто бы не существовало: из-за высокой скорости расширения не успевали бы формироваться галактики, и нуклеосинтез не был бы возможен.

Таким образом, если мы согласимся, что изначально размер космологической постоянной был действительно так велик, как мы думаем, нам придется найти механизм, который мог бы его уменьшить – и уменьшить быстро. Попытки сделать это продолжаются, но договориться о каком-либо едином мнении пока не выходит.

Как обычно, есть и третий путь. Не так давно ряд космологов оспорили практику рассмотрения сверхновой типа 1а в качестве стандартной свечи. Свою позицию они объяснили тем, что данные наблюдений не являются корректными, а темной энергии вообще не существует (похожим образом в 2011 году было анонсировано открытие нейтрино, чья скорость превышала скорость света, но вскоре оказалось, что в оборудовании были неполадки с соединением). Подобный аргумент стал бы весьма элегантным решением проблемы. У космологов есть и другие причины сомневаться в существовании темной энергии, но на данный момент они не так популярны. В надежде, что эта книга будет оставаться актуальной хоть чуточку дольше, чем будут сохнуть чернила на ее страницах, я воздержусь от участия в этой дискуссии.

На самом деле у нас есть еще как минимум один выход. Если бы космологическая постоянная была так велика, что галактики не могли бы формироваться, жизнь во Вселенной почти наверняка была бы невозможна. Сам факт, что вопрос задает человек, уже говорит в пользу того, что космологическая постоянная невелика. Это прекрасный пример антропного мышления, к которому мы еще вернемся в главе 15.

* * *

Вы могли заметить, что проблема космологической постоянной напоминает другую – загадочное соотношение фотонов к барионам, о котором мы говорили в главе 6. Обе они сводятся к тому, чтобы объяснить величину, не имеющую причин быть такой, какая она есть. Вы также могли подумать, что подобные головоломки имеют другую природу, нежели, например, определение величины постоянной Хаббла, ведь последнее зависит исключительно от наблюдений.

Это правда. Проблема соотношения фотонов к барионам, равно как и проблема космологической постоянной, скорее ставят вопрос почему, а не как, хотя принято считать, что наука отвечает именно на вопрос как. Все же в течение прошлого века, по мере того как пропасть между наблюдением и теорией продолжала расти, акцент в теоретической физике сместился в сторону почему.

Вопрос почему неразрывно связан с тем, что физики называют безразмерными величинами. Как было кратко замечено в главе 6, любое количество всегда лучше выражать в соотношении. Новость о том, что на последних президентских выборах кандидат одержал победу с отрывом в 9 870 325 голосов, не имеет почти никакого смысла. Но стоит вам узнать, что 9 870 325 – это 87 % всех избирательных бюллетеней, и вы сразу же захотите оспорить результаты голосования.

Безразмерная величина – это отношение двух числовых характеристик, в котором единицы измерения одинаковы и нивелируются и остается только число, выражающее соотношение показателей друг к другу.

Плотность свинца равна приблизительно 11 г/ см3, или 0,4 фунт/дюйм3. Эти числа кажутся очень разными и сами по себе говорят нам не так уж много. В то же время плотность свинца – измеренная хоть в английских фунтах, хоть в системе потжеби[21] – приблизительно в 11 раз превышает плотность воды. Это безразмерная величина, позволяющая сравнивать яблоки с яблоками, а блины с блинами.

Соотношение количества фотонов к количеству барионов, составляющее миллиард к одному, как и космологическая постоянная, чье значение превышает количество темной энергии во Вселенной на 120 порядков, – это безразмерные величины. Чтобы обозначить, что электростатическая сила, действующая между двумя протонами, в 1036 раз больше, чем гравитационная сила между теми двумя протонами, нужно использовать безразмерное число.

Но на вопрос, почему эти числа имеют ту величину, которую имеют, ответить можно пока только: потому что так получилось. Не стесняйтесь говорить именно так. С другой стороны, физики полагают, что все безразмерные величины должны быть примерно одинаковы и предпочтительно равны 1. Если одно из чисел на порядок больше или меньше всех остальных, работа с ними превращается в пример тонкой настройки Вселенной. Лучше избегать этого и стараться найти причину, по которой безразмерные величины являются такими, какими являются.

В истории физики почему достаточно часто перерастает в как, а учитывая, что многие космологи считают космологическую постоянную важнейшей загадкой своей дисциплины, к этому нужно относиться серьезно.

Являются ли проблемы тонкой настройки Вселенной реальными или философскими?

9

Галактики существуют – и мы тоже

Перейдем к другим вопросам, требующим нашего безотлагательного внимания. В соответствии с космологическим принципом, описанным в главе 5, Вселенная должна быть однородной, когда ее рассматривают в достаточно крупных масштабах. В данном случае «достаточно крупных» – осознанно и к месту расплывчатая формулировка, но для простоты (а может, даже из философских соображений) большинство космологов XX века в своих вычислениях предполагали, что Вселенная однородна независимо от масштабов (классическим примером могут служить вычисления, связанные с первичным нуклеосинтезом). Тем не менее Вселенная не однородна. В масштабах любого уровня. Возможно, вы уже сталкивались с компьютерными симуляциями крупномасштабной структуры Вселенной вроде той, что видите на рис. 11, – с длинными нитями, напоминающими то ли внутреннюю часть легкого, то ли одну из картин Джексона Поллока.

Рис. 11

Нити, изображенные на картинке, – это сверхскопления галактик, являющиеся крупнейшими структурами во Вселенной. Каждый из них может вмещать в себя сотни тысяч галактик и растягиваться в пространстве-времени на сотни миллионов галактических лет. Млечный