Мы в общих чертах знаем историю Вселенной, ее возраст и стадии эволюции. Но хорошо ли мы представляем будущее Вселенной? Оказывается, мы недостаточно хорошо знаем особенности содержимого Вселенной, чтобы ответить на этот вопрос. Главная субстанция, определяющая будущее, — темная энергия. Она же — доминирующая: ее доля составляет примерно 70% от плотности энергии Вселенной.
Что такое темная энергия? В принципе ее может вообще не существовать как физической сущности, ее просто может имитировать дополнительный член в уравнениях Эйнштейна, так называемый лямбда-член. Она может быть просто вакуумом с ненулевой плотностью. Физики до сих пор не понимают, почему плотность энергии вакуума такая маленькая — возможно, существует непонятый принцип, который делает ее маленькой или строго нулевой. А может быть, это просто случайность: если значение энергии вакуума случайно, как при броске костей, «выпадает» при образовании вселенной, то жить можно только в такой из вселенных, где эта плотность оказалась маленькой. В этом суть антропного принципа. Еще одна возможность: темная энергия — стабильное физическое поле. Все три возможности неотличимы друг от друга, по крайней мере на современном уровне понимания.
При любом из этих вариантов Вселенная будет вести себя одинаковым образом: экспоненциально расширяться без каких-либо ограничений во времени. Галактика расширяться не будет, локальное скопление галактик — тоже. И то и другое связано гравитацией. Но уже через несколько десятков миллиардов лет, кроме локального скопления, ничего не будет видно даже в самые сильные телескопы: все галактики улетят за горизонт. Что касается нашей Галактики — она, скорее всего, превратится в эллиптическую после слияния с галактикой Андромеды, темп звездообразования резко упадет, но старые звезды будут светить очень долго — по крайне мере триллион лет близ красных карликов сохранятся условия для белковой жизни.
Другая интересная возможность: темная энергия — медленно меняющееся физическое поле (скалярное), для которого прижилось название «квинтэссенция». Оно может меняться, поскольку находится на склоне своего потенциала, а не в минимуме. Однако оно меняется медленно — это называется режимом «медленного скатывания». Точно то же самое происходило в процессе космологической инфляции, только тогда характерное время составляло 10–35 секунды, а сейчас — миллиарды лет. Как и тогда, скалярное поле начнет колебаться и «выгорит» — превратится в частицы неизвестной нам природы, очень легкие и холодные. Ускоренное расширение сменится расширением с торможением. Если к тому времени во Вселенной сохранится разумная жизнь, то на ней этот переход никак не скажется. Более того, его будет очень трудно обнаружить.
Сейчас наблюдения свидетельствуют в пользу первого варианта: темная энергия стабильна, экспоненциальное расширение продолжится неопределенное время. Однако наблюдения имеют конечную точность, и нельзя гарантировать, что со временем ускоренное расширение закончится и когда-то сменится сжатием. Но это «когда-то», учитывая, что сейчас масштаб времени изменения Вселенной — миллиарды лет, составляет, скорее всего, десятки миллиардов или триллионы лет.
Есть более экзотические варианты будущего Вселенной типа «большого разрыва», но они требуют очень хитрой новой сущности — фантомной энергии, поэтому не будем тратить время на их разбор.
В начале мая в СМИ широкого профиля прошелестела очередная новость: уже через 100 миллионов (не миллиардов!) лет Вселенная перейдет от ускоренного расширения к сжатию. Более грамотные журналисты писали: «может перейти». Триггером сенсации стала статья [1], опубликованная 5 апреля в пафосном издании PNAS (Труды Национальной академии наук США). Среди соавторов — знаменитый Пол Стейнхардт, участвовавший в становлении теории космологической инфляции, но потом перешедший в стан ее непримиримых критиков. В критике Стейнхардта есть и здравые аргументы (нестыковка между параметрами космологической инфляции и планковским масштабом), есть и те, что были охарактеризованы большей частью научного сообщества как демагогические. (По этому поводу см. заметку в ТрВ-Наука [2].) У Пола Стейнхардта есть свой любимый сценарий: отскок, или осциллирующая Вселенная. В отличие от многих любителей, Стейнхардт понимает, что для реализации отскока требуется новая нетривиальная сущность — среда с уравнением состояния жестче, чем у ультрарелятивистского газа. Иначе сжимающееся пространство окажется неустойчивым и вселенная разобьется на множество сингулярностей. Это было показано Белинским, Лифшицем и Халатниковым в 1970 году. Впрочем, Стейнхардта эта проблема не пугает, у него есть рецепт, к тому же теория осциллирующей Вселенной имеет много сторонников, особенно за пределами сообщества космологов.
Дата разворота Вселенной — 100 миллионов лет — выглядит нонсенсом: как было сказано выше, характерное время динамики Вселенной — многие миллиарды лет. Однако авторы статьи придумали трюк, приводящий к такому парадоксу. Трюк заключается в предположении о том, что темная энергия есть квинтэссенция, которая имеет очень хитрый специфический потенциал. Потенциал — это зависимость плотности энергии стационарного поля V от его значения ϕ.
Такой потенциал составлен из двух экспонент: пологой Voe –ϕ/M и стремительно падающей в отрицательные значения: -V1e –ϕ/m (m << M). Сейчас мы находимся на пологой части потенциала при ϕ = 0 (абсолютное значение ϕ можно нормировать, определяя его с точностью до константы: ϕ = ϕ + c). Из-за пологости потенциала (значение поля огромно, а плотность энергии ничтожна) скорость изменения поля настолько мала, что перемены не могут быть детектированы из наблюдений за динамикой Вселенной. Но по предположениям авторов, вот-вот всё изменится! Скоро в точке ϕdec ускоренное расширение перейдет в замедленное, а еще спустя некоторое время, когда плотность энергии квинтэссенции станет сильно отрицательной, расширение перейдет в быстро ускоряющееся сжатие.
Судя по оправданиям авторов, их уже критиковали за то, что их модель притянута за уши (farfetched). В оправдание они пишут, что зато модель соответствует их концепции осциллирующей Вселенной.
Имеет ли эта работа некий позитивный смысл? Видимо, да, несмотря на то что этот дикий потенциал темной энергии действительно притянут за уши. Статью можно рассматривать как попытку расширить границы наших расхожих представлений и нащупать границу нашего незнания. Дескать, всем кажется, что Вселенная будет расширяться с ускорением по крайней мере десятки миллиардов лет, а если придумать вот такой потенциал, то в соответствии с ним всё грохнется уже через сто миллионов лет.
Таких работ в физике очень много, они полезны и вполне заслуживают изучения профессионалами, но точно не заслуживают широковещательной сенсации. Впрочем, пути журналистики неисповедимы, эффект возникновения и распространения сенсаций сильно нелинеен, поэтому многие сенсации — результат своеобразной лотереи. А то, что многие журналисты заменят утверждение «Существует некая модель, не противоречащая данным, по которой уже через 100 миллионов лет Вселенная начнет сжиматься» на: «Вселенная уже через 100 миллионов лет начнет сжиматься», — это вполне предсказуемо и общепринято.
Борис Штерн
1. pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2200539119
2. trv-science.ru/2017/05/stolknovenie-kosmologov/
(5 оценок, среднее: 4,60 из 5)
Загрузка...
Всё это гадание на кофейной гуще.
Интереснее кажется то, что вселенная “расширяется” неоднородно по разным направлениям и существует “ось зла”.
То что галактики или их скопления останутся неизменными – это сомнительно, так как в расширяющейся Вселенной их взаимное влияние ослабевает, соответственно растет роль гравитации внутри. Так что каждое такое образование может сжиматься и отскакивать самостоятельно, не дожидаясь общего конца света. Возможно, что множество сингулярностей опасно только тем, что они отменяют большой взрыв.