Судьба расширяющейся Вселенной

До недавних пор (1997—1999 гг.) считалось, что варианты будущего Вселенной исчерпываются тремя сценариями (п. 5.1.1), по каждому из которых расширение Вселенной должно замедляться. Суть стандартной космологической модели заключается в том, что при наличии инфляционного этапа предпочтительным является третий сценарий: пространство-время евклидово (что подтверждается исследованиями реликтового излучения, п. 5.1.3), расширение Вселенной останавливается, но в бесконечно удаленный момент времени.

С течением времени, однако, становилось все сложнее согласовывать стандартную модель с астрономическими наблюдениями. Если расширение Вселенной замедляется, то оценка ее возраста на с. 129 завышена: если в прошлом галактики разбегались быстрее, им надо было меньше времени, чтобы занять современные положения. Более точные расчеты в рамках стандартной модели дают возраст Вселенной не больше 10 миллиардов лет. Но астрономам известны шаровые скопления звезд, возраст которых по всем признакам не меньше 10–12 миллиардов лет. Даже Солнечная система, которая относится к поздним космическим образованиям, — прежде чем она возникла, должны были возникнуть, прогореть и взорваться звезды первого поколения, — начала формироваться не позже, чем 5 миллиардов лет назад.

Вопросов добавили исследования далеких Сверхновых, расстояния до которых исчисляются миллиардами световых лет. Пока их свет летел к Земле, Вселенная успела заметно состариться, что наложило отпечаток на его свойства, регистрируемые телескопами. Эти свойства, как оказалось, согласуются с предположением, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется[55].

Гипотеза ускоряющегося расширения, в пользу которой свидетельствует и целый ряд других астрономических исследований последних лет, снимает вопрос о недостаточной зрелости Вселенной. Если в прошлом галактики разбегались медленнее, то чтобы попасть в современные положения, им требовалось больше времени, чем дает оценка на с. 129. Возраст Вселенной в 13—15 миллиардов лет устраняет все противоречия между космологией и космогонией.

Если подтвердится, что Вселенная расширяется с ускорением (а самые последние наблюдательные данные, полученные уже в XXI веке, подтверждают это), то, значит, Эйнштейн был отчасти прав: «пустое» пространство, вакуум, обладает энергией, благодаря которой возникает отталкивающая гравитационная сила[56]. Существует и альтернативная, но похожая гипотеза[57], что энергия, равномерно распределенная в пространстве и приводящая к космологической антигравитации — это энергия некоторого поля («квинтэссенции»), которое не было обнаружено до сих пор потому, что очень слабо взаимодействует с обычной материей. Эмпирических данных, которые позволяли бы отдать предпочтение одной из этих гипотез, пока что нет. Поэтому космологи предпочитают употреблять термин «темная энергия», под которым можно понимать и энергию вакуума, и энергию гипотетической «квинтэссенции» — главное, что и та и другая распределены в пространстве равномерно. Мы в дальнейшем будем, для определенности, говорить о вакууме, свойства которого изучены лучше.

Пояснить, почему существование «темной энергии» приводит к отталкиванию, можно с помощью следующей, довольно грубой, аналогии. Если бы у Земли внезапно исчезла атмосфера, вес всех предметов на ней немного увеличился бы, поскольку исчезает архимедова выталкивающая сила, действующая на все тела, погруженные в воздух. Если предмет погрузить не в воздух, а в воду, обладающую большей плотностью (1000 кг/м³ против 1,3 кг/м³ у воздуха), то и потеря веса будет соответственно

больше. Среда, в которой находится тело, как бы противодействует силе притяжения Земли, и тем сильнее, чем больше масса самой среды, приходящаяся на единицу объема. Аналогично, если все тела во Вселенной погружены в некоторую материальную среду (вакуум или «квинтэссенцию»), обладающую ненулевой энергией, а, следовательно, и массой (п. 2.5.5), то сила гравитационного притяжения между ними уменьшается, что воспринимается как наличие, помимо всемирного тяготения, еще и противодействующего ему всемирного отталкивания.

Оценки, основанные на известных астрономам фактах, говорят, что плотность энергии вакуума в настоящую эпоху может быть сравнима или несколько превосходить среднюю плотность энергии вещества. А это означает, что мы живем на переломе космологических эпох. Дело в том, что плотность вещества по мере расширения Вселенной падает: увеличение размеров вдвое приводит к уменьшению плотности в восемь раз. Вакуум же — он и есть вакуум: его средняя энергия в расчете на единицу объема остается постоянной. Таким образом, в будущем во Вселенной будет преобладать энергия вакуума, приводя ко все убыстряющемуся расширению. В прошлом же преобладала энергия вещества. Поэтому стандартная инфляционная модель оказывается приближенно верной для прошлого Вселенной — тем более верной, чем ближе к Большому взрыву.