Черные дыры и молодые вселенные

Как же получилось, что начальная плотность оказалась так тщательно выбрана? Возможно, существует какая-то причина, по которой Вселенная должна иметь точно критическую плотность. Этому можно найти два объяснения. Одно – это так называемый антропный принцип; его можно перефразировать следующим образом: Вселенная такова, потому что будь она другой, нас бы тут не было, чтобы ее наблюдать. Идея заключается в том, что могло быть множество вселенных с разными судьбами. И только вселенные с плотностью, очень близкой к критической, смогли просуществовать достаточно долго и содержать достаточно материи для образования звезд и планет. Только в таких вселенных могли появиться разумные существа, чтобы задаться вопросом: почему это плотность Вселенной так близка к критической? Если это объяснение, то нет смысла полагать, что материи во Вселенной больше, чем мы уже обнаружили. Чтобы образовались галактики и звезды, хватило бы и десятой части критической плотности. Однако многим не нравится антропный принцип, поскольку он, похоже, придает слишком большую важность нашему собственному существованию. Поэтому они искали какое-то другое объяснение тому, почему плотность должна быть так близка к критической. Эти поиски привели к теории инфляции в ранней Вселенной. Идея заключалась в том, что размеры Вселенной постоянно удваивались, как каждый месяц удваиваются цены в странах с высокой инфляцией. Однако инфляция Вселенной была гораздо быстрее и выше: рост с коэффициентом как минимум миллиард миллиардов миллиардов – такая крохотная инфляция – привел бы к тому, что Вселенная подошла бы очень близко к критической плотности и имела бы плотность, близкую к критической, и сейчас. Это означает, что Вселенная, вероятно, в конце концов опять сожмется, но на это ей понадобится не намного больше времени, чем те примерно пятнадцать миллиардов лет, в течение которых она расширяется.

Чем может оказаться дополнительная темная материя, если теория инфляции верна? По-видимому, она отличается от нормальной материи, из которой состоят звезды и планеты. Мы можем рассчитать количество различных легких элементов, произведенных на ранних, горячих этапах развития Вселенной в первые три минуты после Большого Взрыва. Количество этих легких элементов зависит от количества нормальной материи во Вселенной. Можно начертить график, где ординатой будет количество легких элементов, а абсциссой – количество нормальной материи. Получится хорошее соответствие с наблюдаемым содержанием элементов, если полное количество нормальной материи составит примерно лишь одну десятую от критического количества сейчас. Возможно, эти расчеты неверны, но тот факт, что мы получаем наблюдаемое содержание элементов, очень впечатляет.

Если существует критическая плотность темной материи, главным претендентом на то, чтобы быть темной материей, будут остатки от ранних этапов развития Вселенной. Возможно, это элементарные частицы. Есть несколько гипотетических кандидатов – частицы, наличие которых мы предполагаем, но которые в действительности пока не обнаружены. Но самый многообещающий вариант – это частица, о существовании которой есть свидетельства, – нейтрино. Считалось, что она не имеет собственной массы, но некоторые недавние наблюдения позволили предположить, что нейтрино может иметь маленькую массу. Если это подтвердится и будет найдено ее правильное значение, нейтрино обеспечат достаточно массы, чтобы довести плотность Вселенной до критического значения.

Другая возможность – черные дыры. Можно предположить, что ранняя Вселенная испытала так называемый фазовый переход. Примеры фазового перехода – замерзание и закипание воды. При фазовом переходе первоначально однородная среда, вроде воды, порождает аномалии, – в случае с водой это кристаллики льда или пузырьки пара. Эти аномалии могли сжаться, образовав черные дыры. Если бы черные дыры были очень малы, они бы к настоящему времени испарились вследствие принципа неопределенности в квантовой механике, как было описано выше. Но если их масса была больше нескольких миллионов тонн (масса горы), они могут по-прежнему где-то летать, и их очень трудно обнаружить.