Знание-сила, 2006 № 08 (950)

В отличие от Эйнштейна, Алан Гут не придумал свое "распирающее поле". Он "вывел" его из теории элементарных частиц, которая приводит к выводу (а эксперименты на ускорителях его подтверждают), что "пустое пространство" на самом деле не пусто — оно битком набито "виртуальными частицами". То и дело из "ничего" рождается пара "частица-античастица" (например, электрон и позитрон), и, потанцевав, как мотыльки, в течение кратчайшего, отпущенного им принципом неопределенности, времени, они сгорают в пылких объятиях друг друга, проще говоря — взаимно аннигилируют, выделяя энергию в виде искорки фотона. Это рождение-исчезновение "виртуальных пар" в вакууме наводит на мысль, что в действительности вакуум наполнен невидимой энергией.

В ходе анализа этих выводов теории частиц Гут пришел к заключению, что вакуум может иметь несколько разных, отличающихся по энергии состояний, или "фаз", подобно тому, как обычное вещество может находиться в твердой, жидкой и газообразной фазах. Вакуум может переходить из одной фазы в другую, и наибольший интерес представляет собой переход из фазы "ложного" (весьма энергетического) вакуума в фазу вакуума "истинного" (с минимальной энергией). Этот фазовый переход напоминает собой процесс замерзания воды, и так же, как в случае воды, "ложный" вакуум может быть "переохлажден", так что он при первом удобном случае "разом" переходит в состояние "истинного", выделяя огромную энергию. Вот эта энергия и создает инфляционное "распирание" Вселенной.

Способность к такому "распиранию" — уникальная особенность "ложного" вакуума, которой нет ни у одного другого объекта. Все обычные материалы отличаются тем, что плотность энергии в них создается веществом, и если объем увеличивается (и соответственно плотность вещества уменьшается), то уменьшается и плотность энергии. Но энергия "ложного" вакуума целиком порождена полем, а поле при увеличении объема попросту заполняет весь новый объем, и потому плотность его энергии все время остается постоянной.

Неизбежно возникает вопрос: откуда берется новая энергия, чтобы при увеличении объема плотность оставалась постоянной? Гут объясняет это так. Положим, "ложный" вакуум заполняет находящийся в обычном вакууме цилиндр с поршнем, и поршень выдвигается, увеличивая объем "ложного" вакуума в цилиндре. Для того чтобы плотность энергии "ложного" вакуума осталась при этом неизменной, нужно, чтобы его энергия возросла, а для этого надо совершить над ним работу. В таком примере вполне понятно, кто ее совершает — это та невидимая рука, которая отодвигает поршень. Но почему же отодвигание поршня требует работы, если дело происходит в обычном вакууме? Единственное объяснение состоит в том, что "ложный" вакуум, видимо, оказывает сопротивление увеличению объема в цилиндре. Заметим, что если бы в цилиндре был обычный воздух, он тоже оказывал бы сопротивление — но сжатию поршня. Обычный воздух сопротивлялся бы вдвигаемому в цилиндр поршню своим давлением на него, направленным наружу, положительным давлением. Стало быть, "ложный" вакуум оказывает сопротивление вытягиваемому из цилиндра поршню своим давлением, направленным внутрь, или "отрицательным" давлением.

Мы приходим к выводу, что странная форма материи, плотность энергии которой всегда, при любом объеме, остается постоянной, должна обладать не менее странным свойством "отрицательного" давления (то есть, в сущности, всасывания). Может показаться, что в масштабах всей Вселенной такой "ложный" вакуум должен оказывать сопротивление ее расширению, должен замедлять его. Увы, во Вселенной нет понятий "наружу" и "внутрь", "ложный" вакуум наполняет ее целиком, и поэтому силы его отрицательного давления во всех направлениях взаимно погашаются. Но все же некое — и фундаментальной важности — действие он оказывает.

Дело в том, что согласно уравнениям теории гравитации Эйнштейна, давление, подобно массе, тоже создает гравитационное поле (для интересующихся: в уравнение для параметров, определяющих геометрию пространства, входят на равных гравитация и давление вещества Вселенной). А отрицательное давление "ложного" вакуума создает, естественно, отрицательный гравитационный эффект — не стягивание Вселенной, а ее расширение. Вот почему "ложный" вакуум способен ускорять расширение Вселенной (а при переходе в "истинный" вакуум — превращать это обычное расширение в стремительную инфляцию).

Такова, грубо говоря, теория, трактующая темную энергию как проявление вакуумных полей с отрицательным давлением, как некую "космологическую постоянную" (поскольку это поле в данной теории трактуется именно как постоянное). Такая теория предсказывает, что Вселенная будет расширяться бесконечно и все более ускоренно.

В результате очень далекие космические объекты должны достичь такой скорости удаления от нас, что свет от них никогда не сможет прийти на Землю, иными словами — в ускоряющейся вселенной появляется "горизонт", дальше которого никакие телескопы проникнуть не смогут.