Вселенная. Вопросов больше, чем ответов

После ослепительных картин рождения Вселенной, вопрос этот может показаться даже несколько мелковатым, но, уверяем, космологов он волнует гораздо больше, чем величественное, но сильно гипотетическое здание той же Мультивселенной.

372

Что же такое космологическая постоянная?

Казалось бы, ответ уж был дан — так проявляется действие физического вакуума. Увы, если начать разбираться глубже, то к «ответу» этому возникнет очень, очень много новых вопросов.

Например, можно подсчитать ожидаемую плотность энергии физического вакуума. Вакуум представляет собой, как мы уже говорили, наинизшее состояние всех квантовых полей. Любое квантовое поле можно представить в виде совокупности кванто­вых осцилляторов — до некоторой степени (в математическом, конечно, смысле) «похожих» на обычные маятники и характери­зующиеся «частотой» своих «колебаний». В силу законов кван­товой физики у этих осцилляторов существуют так называемые «нулевые» колебания, т. е. даже в своем наинизшем состоянии осциллятор обладает некоторой энергией.

Таким образом, энергию вакуума получить очень легко — мы возьмем и просуммируем все эти «минимальные» энергии всех квантовых осцилляторов со всеми возможными частотами, т. е. суммируем от нулевой частоты до бесконечной и получаем... бес­конечность.

М-да, как-то неловко получилось, не правда ли? Ведь такой ва­куум через гравитационное воздействие будет оказывать гигант­ское — собственно, тоже бесконечное влияние на Вселенную.

Разумеется, эту плотность энергии можно попробовать как-то ограничить. Но первое приходящее на ум ограничение — планков- ская плотность энергии — делу помогает не сильно. Бесконечность или около 5 х ю⁹³ г/см³ — прикладная разница невелика.

Еще можно ограничить предельный размер колебаний раз­мером Вселенной. Увы, это тоже проблему не решает. Ведь плот­ность энергии, соответствующая космологической постоянной (порядка 7 х 1о^_3° г/см³, как мы уже говорили), более чем на 120 порядков (в ю¹²⁰ раз!) ниже планковской.

Можно придумать механизм, который как-то ограничивает или компенсирует энергию вакуума, или тем или иным спосо­бом не позволяет ему влиять на эволюцию Вселенной — но очень трудно дать разумное объяснение, почему эта компенсация на­

373

столько «виртуозна», т. е. не полная, а оставляющая крохотную «утечку».

Одна из таких возможностей на первый взгляд возникла в так называемой «теории бран», являющейся одним из вариантов те­ории суперструн. «Брана» — это сокращение от слова «мембра­на», и в рамках этой теории не все остальные пространственные измерения, кроме трех, компактифицировались к планковским размерам. Еще одно, например (но не обязательно одно) «сжа­лось» не до конца, «остановившись» на достаточно макроскопи­ческих размерах — порядка миллиметра или даже больше.

Однако палец, условно говоря, мы в это измерение засунуть не можем — все частицы и все взаимодействия могут распростра­няться только в пределах «обычных» трех измерений.

Все — кроме гравитации.

Гравитация «чувствует» все измерения без исключения. Так что, например, при вспышках Сверхновых часть энергии, уно­симая гравитацией в дополнительные измерения, на взгляд со стороны, может «исчезать» непонятно куда.

Вообще, в этой теории есть очень много интересных момен­тов. Например, черные дыры в ней могут образовываться при гораздо меньших плотностях энергии, чем в «классической» физике (роль которой на этот раз исполняет ОТО). Причем, в зависимости от параметров модели (числа и «размера» измере­ний) — вплоть до доступных в современных ускорителях. Но все это, впрочем, тема другого разговора.

Интересным для нашего разговора представляется следу­ющий момент: если мы попробуем оценить частоту (и, соответ­ственно, длину волны) квантового осциллятора, при суммирова­нии до энергии которого «набирается» наблюдаемая величина космологической постоянной, то у нас получится около 1 мил­лиметра. Очень близко к теоретически ожидаемому размеру до­полнительного измерения...

Но не спешите потирать руки — вообще-то связь между до­полнительными измерениями и предельной частотой вовсе не очевидна. Ведь мы же говорили, что все поля, кроме гравита­

374

ционного, дополнительных измерений вообще не чувствуют! И чем-то «ограничивать» они себя вовсе не обязаны.

Ученые очень хитроумны, так что кое-какие ответы они при­готовили и на этот вопрос. Мы не будем их здесь касаться, по­тому что статус их гипотетичности еще выше, чем «средний» по этому разделу. Тем более, что даже если и позволяя связать кос­мологическую постоянную и физический вакуум, они ничего не говорят о других возможных типах темной энергии: квинтэссен­ции и фантомной энергии.

Так что более популярным ответом на вопрос об их приро­де является то, что все они — разновидности скалярного поля. Примерно такого же (но не обязательно того же самого) поля, что «двигало» эволюцией нашей Вселенной в ее начальные мо­менты, и которое вовсе не обязано иметь уравнение состояния, в точности равное вакуумному.