Спросите у Этана: может ли темная энергия начать Вселенную заново?

Есть нечто жутко похожее в зарождении нашей Вселенной, названном космической инфляцией, и в ускоренном расширении темной энергии, которое в итоге решит ее судьбу. Это вызывает подозрения в том, что данные явления могут быть взаимосвязаны. На этой неделе свои вопросы задавал Эндрю Джилетт (Andrew Gillett), пожелавший узнать: если теория вечной инфляции соответствует действительности, то может ли темная энергия быть предвестницей возврата к этому изначальному состоянию?

Это не просто возможно. Для этого даже не нужно, чтобы данная теория была верной. Давайте начнем разговор с этапа, предшествовавшего рождению Вселенной в том виде, в котором она нам известна — с космической инфляции.

Когда родилась известная нам Вселенная, полная материи и радиации, она обладала несколькими довольно странными свойствами: в пространственном отношении она была плоской, у нее везде была одинаковая температура, у нее не было остатков сверхвысокой энергии, и она обладала очень странными закономерностями в виде участков с избыточной и пониженной плотностью. Возможно, что Вселенная родилась уже с этими условиями. Теория космической инфляции состоит в следующем: если Вселенная началась с периода расширения в геометрической прогрессии, в котором было огромное количество неотъемлемой от пространства энергии, а затем этот период закончился, то горячий Большой взрыв произошел бы уже при наличии всех этих условий. Понадобилось время, чтобы понять эти последствия, и еще больше времени ушло на то, чтобы подтвердить теорию данными флуктуаций космического микроволнового фона. Но сейчас космическая инфляция считается первым и главным из всего того в истории Вселенной, что мы можем подтвердить доказательствами.

Вечная инфляция — это следствие инфляции, основанное на свойствах, о которых мы задумываемся редко. Обычно, когда в природе есть переход, скажем, кастрюля кипятка, вода в которой переходит из жидкого в газообразное состояние, то начинается этот переходный процесс в разных точках. Эти точки расширяются и сливаются воедино, создавая большие пузыри к моменту выхода на поверхность. Когда речь идет о воде, мы говорим, что она кипит. В процессе кипения маленькие пузырьки поднимаются вверх и соединяются в более крупные пузыри к моменту выхода на поверхность. Но с инфляцией есть проблема. Там участки, где инфляция не заканчивается в определенный момент времени, продолжают экспоненциально расширяться, и это не дает «закипеть» тем участкам, где она закончилась. Следовательно, наблюдаемая нами Вселенная должна полностью находиться в одном пузыре, где инфляция закончилась, а не в многочисленных пузырьках, которые кипят вместе.

Но на дальнем конце этого спектра мы наблюдаем то обстоятельство, что расширение нашей Вселенной по всей видимости ускоряется. Оптимальное объяснение этому на основании наших самых точных измерений состоит в том, что пространству изначально присущ небольшой компонент энергии, которую мы называем темной энергией. Этот энергетический компонент вездесущ и равномерно присутствует во всех точках в пространстве. И он исключительно мал. Если перевести его в массу по формуле Эйнштейна E = mc2, он будет равен всего лишь одному протону на кубический метр Вселенной. Но пространство не только огромно, оно к тому же и расширяется! По прошествии времени эта темная энергия становится все важнее и важнее. Со временем, примерно через восемь миллиардов лет, она ускоряет расширение Вселенной, а затем становится доминирующей составляющей энергии во Вселенной.

Эти два периода инфляции и ускоренного расширения на позднем этапе могут показаться очень разными. Разница на этих энергетических весах просто колоссальная, она составляет 10 в 120-й степени! Но оба периода представляют неотъемлемую от пространства энергию, оба заставляют материю Вселенной экспоненциально расширяться. И при наличии времени (доли секунд для инфляции и триллион лет для темной материи) они возьмут все, что во Вселенной не связано в единую структуру, и разведут в стороны. Такого рода моделей существует немало, и в своей основе все они объединяют инфляцию и темную энергию.

Итак, каковы шансы на то, что Вселенная начнет повторный цикл своего формирования? Они немалые.

1. Если темная энергия действительно является космологической константой, она может быть остаточной энергией из инфляционного периода, когда все началось. Если так, есть основания говорить о том, что при наличии времени она может еще больше ослабнуть, перейдя в новое, гораздо более низкое энергетическое состояние. Возможно, такой переход даст толчок возникновению большого количества частиц крайне малой массы, таких как нейтрино, аксионы, или к чему-то еще более экзотическому. Эти частицы, в свою очередь, соединятся и создадут собственные аналоги звезд, планет, а может, и человечества на достаточной длинной шкале времени. Если мы не можем увидеть данный процесс, это вовсе не означает, что он невозможен. Может быть, именно такая судьба ждет нашу Вселенную в очень и очень далеком будущем, пусть на это уйдут гуголы лет.

2. Темная энергия может и не быть космологической константой, однако со временем она способна увеличиться. Если это так, значит, она будет расти и расти, что способно привести к сценарию «большого разрыва», когда со временем разорвутся все связанные структуры во Вселенной. Но при таком сценарии, разработанном Эриком Гавайзером (Eric Gawiser), есть возможность, что в последний момент, прямо перед тем, как пространство рассыплется и уйдет в небытие, изначально присущая пространству энергия, неотличимая от инфляционных сценариев, совершит переход к Большому взрыву! Такой сценарий «возрожденной Вселенной» не только может осуществиться в нашем далеком будущем. В нем наша Вселенная может оказаться гораздо старше, чем кажется. Не исключено, что она бесконечно стара.

Ну, а сейчас имеющиеся у нас данные указывают на то, что темная энергия действительно является космологической константой. Это значит, что сценарий № 2 исключается. Если для перехода нет более низкого энергетического состояния, то и вариант № 1 тоже можно будет исключить. Но сейчас у нас недостаточно данных, чтобы отвергнуть хотя бы один из них. Если бы мне довелось делать ставки, я бы сказал, что вариант с более низким энергетическим состоянием более вероятен. Но идею о том, что темная энергия действительно постоянна и существует вечно, лучше подкреплять имеющимися данными. И пока мы не знаем наверняка, нам лучше не исключать никакие возможные варианты. Космический аппарат «Евклид», широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп НАСА WFIRST и, наконец, большой синоптический исследовательский телескоп LSST помогут нам еще точнее измерить темную энергию, а это даст новые доказательства в подтверждение либо первой, либо второй теории. А новые открытия в теоретической физике высоких энергий смогут больше рассказать нам о первой концепции. Так или иначе, Эндрю, ответ на твой вопрос следующий: темная энергия может предвещать возврат к горячему Большому взрыву из инфляционного состояния, но она не зависит от вечного характера инфляции.

Источник: http://inosmi.ru/science/20160321/235795702.html

Оригинал публикации: http://www.forbes.com/forbes/welcome/#3411b5bd1cd2