Объекты в воображаемых мирах
Американский физик Фред Адамс рассмотрел возможность существования звезд в других вселенных, которые никогда не будут доступны для земных наблюдателей.
Астрофизики пришли к пониманию основных механизмов формирования и эволюции звезд уже в первой половине прошлого столетия. В течение последующих десятилетий они выяснили еще немало тонких деталей этих процессов и в конце концов создали надежно работающие модели звездообразования. Хотя эти модели постоянно уточняются, в целом они хорошо согласуются с данными астрономических наблюдений и в своих основах вряд ли будут пересмотрены.
Естественно, что все эти теории описывают процессы, протекающие в нашей Вселенной. Может показаться, что такое уточнение попросту излишне – ведь Мироздание по определению вроде бы существует и может существовать лишь в единственном экземпляре. Однако ученые вот уже около тридцати лет вполне серьезно рассматривают и иные возможности. Современная космология не только допускает, но даже предписывает существование бесконечного числа миров, отделенных друг от друга гигантскими дистанциями в пространстве и во времени – точнее, в пространстве-времени.
Эти расстояния настолько велики, что разделенные ими миры абсолютно изолированы друг от друга и в принципе не могут вступать ни в какие физические контакты. Поэтому каждый такой мир «изнутри» оказывается самостоятельной и самодостаточной вселенной – такой же, как и наша Вселенная, которую мы пишем с большой буквы.
Однако теоретики заходят и дальше. Многие сценарии образования множественных вселенных утверждают, что там могут и даже обязаны действовать различные законы физики. Как известно, все процессы нашего мира в конечном счете зависят от значений нескольких фундаментальных констант, входящих в уравнения основных физических теорий. Новейшая космология утверждает, что в других мирах эти константы могут принимать вовсе не те же самые численные значения, что в нашей Вселенной.
Самая приметная часть нашего мироздания – это космические светящиеся объекты, иначе говоря, звезды. А каковы шансы на то, что космические просторы других миров тоже озарены звездным светом? Эта проблема обсуждается в статье профессора физики Мичиганского университета в Энн-Арборе Фреда Адамса, которую скоро опубликует Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. А пока ее автор поделился своими выводами с Русской службой «Голоса Америки».
Алексей Левин: Фред, расскажите для начала, что, собственно, Вы хотели выяснить?
Фред Адамс: Я ограничил свои вычисления игрой только с тремя величинами, которые непосредственно входят в уравнения, описывающие свойства звезд. Во-первых, это гравитационная постоянная, от которой зависит масштаб силы тяготения. Во-вторых, это постоянная тонкой структуры, которая определяет интенсивность электромагнитного взаимодействия. Третий параметр характеризует темпы ядерных реакций, которые питают звезды своей энергией. Не вдаваясь в подробности, следует отметить, что он довольно сложным образом зависит от масс элементарных частиц и сравнительных величин их силовых взаимодействий.
Значения всех этих величин для нашего мира известны с очень высокой точностью – например, постоянная тонкой структуры очень мало отличается от одной стотридцатьседьмой. В других вселенных они, конечно, будут иными. Мне хотелось найти такие их комбинации, которые допускают существование стабильных космических тел, связанных собственным притяжением и генерирующих энергию за счет внутриядерных процессов. Именно такие объекты мы и называем звездами.
А.Л.: Много ли пришлось поработать?
Ф.А.: В общей сложности я имел дело примерно с полусотней уравнений, которые надо было рассмотреть совместно. Эта задача оказалась вполне разрешимой.
А.Л.: И к чему же Вы пришли?
Ф.А.: Мне удалось показать, что звезды могут существовать и в тех случаях, когда значения этих параметров отличаются от фактических величин не то, что в разы, но даже в десятки и сотни раз. Отсюда следует, что звездные миры – отнюдь не такое уж редкое явление в совокупности всех возможных вселенных. Выражаясь иначе, наше Мироздание в этом смысле отнюдь не уникально. В этом и состоит мой главный вывод.
Конечно, отсюда совершенно не следует, что звезды других миров окажутся копиями тех, что светят в нашем Космосе. В нашей Вселенной основной источник звездной энергии – это термоядерное горение водорода, его превращение в гелий. Не так уж трудно вычислить, что при существующих значениях каждого из трех параметров, с которыми я работал, массы новорожденных звезд должны лежать в диапазоне от восьми процентов массы Солнца до примерно сотни солнечных масс. Отсюда следует, что звездные массы нашей Вселенной могут отличаться примерно на три порядка, и астрономические данные это подтверждают. В других мирах эти пределы будут иными.
Конечно, дело не только в чисто количественных различиях. В недрах звезд иных вселенных вовсе не обязательны те же ядерные превращения, которые характерны для нашего мира. Например, звезды нашей Вселенной родили и все еще рожают углерод, кислород и другие элементы, без которых невозможна жизнь земного типа. Космические светила миров с другими значениями основных параметров отнюдь не обязаны служить фабриками этих элементов, Однако при всем этом они все равно останутся звездами.
Растяжение пространства
В течение последних лет астрономы пришли к выводу, что космическое пространство расширяется с возрастающей скоростью. Если бы его динамика определялась только силой тяготения, темпы космологического расширения, напротив, постоянно бы убывали. Поскольку на деле происходит обратное, приходится признать, что расширением Вселенной управляет не только гравитация, но и антигравитация.
Большинство специалистов считает, что за ускоряющееся расширение Космоса отвечает особое физическое поле, которое не связано ни с материальными телами, ни с какими-либо уже известными элементарными частицами. Тем не менее, оно обладает энергией и потому участвует в искривлении пространства-времени. Однако это поле деформирует пространственно-временной континуум, если так можно выразиться, в противоположном направлении по сравнению как со светящейся, так и с темной материей. Именно по этой причине оно и служит источником тяготения с обратным знаком, антигравитации. По аналогии с темной материей его называют темной энергией.
Еще десять лет назад ученые знали о темной энергии только то, что она существует. Сейчас ситуация несколько прояснилась. Темная энергия влияет на структуру спектра микроволнового реликтового излучения, которым заполнено всё космическое пространство. Уже в нашем десятилетии были выполнены очень точные промеры этих спектров, в которых использовались приборы, поднятые на стратостатах и запущенные в космос.
Благодаря этим данным удалось вычислить как плотность темной энергии, так и ее вклад в общий энергетический баланс Вселенной (он оказался очень большим, свыше 70%). Тем не менее, о природе темной энергии пока ровно ничего не известно, Точно так же сейчас никто не может сказать, постоянна ли плотность темной энергии или же она меняется во времени и пространстве. Так что не удивительно, что астрономы и астрофизики всячески стараются получить побольше новой информации об этом таинственном поле.
Эти поиски сейчас ведутся очень активно и множеством способов. К их числу относятся и наблюдения за тем, как микроволновое излучение проходит через самые гигантские скопления галактик (их называют галактическими суперкластерами) и столь же гигантские зоны космической пустоты. Максимальные размеры тех и других доходят до полумиллиарда световых лет, это самые крупные элементы глобальной структуры космоса, доступные земным приборам. Оказывается, что эти объекты могут служить естественными полигонами для исследования темной энергии.
Дело здесь вот в чем. Предположим, что космический фотон входит в зону повышенной плотности материи, скажем, в тот же галактический суперкластер. Поскольку вещества там больше, чем в окружающем пространстве, то выше и сила тяготения. Фотоны втягиваются в эту гравитационную яму и увеличивают свою энергию. Когда фотон пройдет через суперкластер и вновь окажется в пустом космосе, ему придется преодолевать притяжение оставшихся позади галактик и теперь уже терять энергию. Точно то же самое происходит с катящимся шариком, на пути которого попадается лунка – он разгоняется, падая на ее дно, а затем замедляется, выходя на поверхность.
Но причем здесь темная энергия, ведь пока речь шла об обычном тяготении? Оказывается, очень даже причем. Если бы ее не было, фотоны теряли бы на выходе из суперкластеров столько же энергии, сколько набирали на входе. Однако она существует и растягивает пространство. Вычисления показывают, что благодаря этому фотон на выходе теряет меньше энергии, нежели приобретает на входе. То же самое случается и с шариком, если глубина, на которую он опускается при падении в лунку, больше глубины, преодолеваемой на выходе. Когда же излучение проходит через космические суперпустоты, происходит обратное – оно не набирает, а теряет энергию.
Явление, о котором идет речь, было теоретически вычислено в 1967 году, задолго до открытия темной энергии. Его назвали по имени первооткрывателей – интегрированный эффект Сакса-Вольфа. Благодаря ему на карте реликтового излучения должны появляться пятна повышенной энергии фотонов, вызванные их прохождением через галактические суперкластеры.
Конечно, такое же влияние оказывают и не столь гигантские структуры, но заметить его практически невозможно. Фотон движется через суперкластер в течение нескольких сотен миллионов лет, и за это время скорость расширения пространства успевает заметно измениться. Обычную галактику вроде нашего Млечного Пути свет пересекает всего лишь за десятки тысяч лет, и за столь ничтожный срок темная энергия себя практически никак не проявляет.
В 2003 году сразу четыре коллектива астрономов объявили, что им впервые удалось выявить на карте реликтового излучения зоны с разной энергией фотонов, порожденные эффектом Сакса-Вольфа. Однако достоверность тогдашних результатов была недостаточно высокой, и потому их в принципе можно было объяснить и другими причинами.
Теперь сотрудники Института астрономии Гавайского университета получили куда более надежные данные. Они проследили мельчайшие изменения фоновой энергии реликтовых фотонов, вызванные их прохождением через полсотни галактических суперкластеров и такое же количество пустых областей столь же гигантских размеров. Иштван Сапуди [István Szapudi] и его коллеги Бенджамен Гранетт [Benjamin Granett] и Марк Нейринк [Mark Neyrinck] обнаружили в направлениях на эти структуры именно такие зоны повышенной и пониженной энергии фотонов, которые они ожидали увидеть (на приложенной карте эти участки выделены красным и синим цветом).
Они также вычислили, что вероятность ошибочной интерпретации результатов новых измерений очень мала, не более одной двухсоттысячной. Эта работа в августе или сентябре будет опубликована в Astrophysical Journal Letters. Есть все основания считать, что последующие наблюдения интегрированного эффекта Сакса-Вольфа обогатят науку ценнейшими сведениями о загадочной темной энергии.