Внутренняя симметрия Вселенной (стр. 2 из 3)

Для полной определенности нужно еще договориться о том, в каком именно объеме вычисляется полное число частиц в каждом из невакуумных интегралов. Естественней всего в качестве такового взять полный объем Вселенной, доступный наблюдениям, - тогда эти три величины будут иметь «истинно космологический» смысл. Наблюдениям доступен сферический объем с радиусом порядка 10 млрд св. лет. Этот радиус называют расстоянием до горизонта мира: таков путь, который проходит свет за все время существования Вселенной, и дальше этого расстояния действительно не заглянуть. Так как современный возраст мира составляет по порядку величины 10 млрд лет, свет успевает за это время пройти расстояние, равное возрасту, умноженному на скорость света, - так и получается 10 млрд св. лет.

Возможно, последней величине принадлежит и еще более важная роль в космологии. Недавно парижский космолог (или космотополог, как он сам себя называет) Ж.-П.Люмине [7] выдвинул интереснейшую идею о том, что объем реальной Вселенной не бесконечен, как чаще всего считалось до сих пор, а конечен. Последнее, разумеется, никак не мешает ему неограниченно расширяться со временем. Причем в современную эпоху радиус мира как раз (!) близок к расстоянию до горизонта. Самое важное состоит в том, что это не просто умозрительная гипотеза, каких немало уже было в прошлом: в пользу такой возможности определенно свидетельствуют недавние наблюдения реликтового излучения (точнее, уровня его анизотропии) на самых больших угловых масштабах. Так впервые в истории космологии было получено реальное наблюдательное указание на конечность пространства. Если идея Люмине подтвердится в дальнейших исследованиях, это станет одним из самых замечательных открытий во всей истории науки.

Как бы то ни было, вычисляя первые три фридмановские интеграла по объему с радиусом в 10 млрд световых лет, найдем, что по порядку величины их численные значения близки друг к другу, а также и к четвертому (вакуумному) интегралу. Если измерять значения фридмановских интегралов в миллиардах световых лет, то интеграл для вакуума будет равен 10, для темного вещества - 3, для барионов - 0.3, для излучения - 0.1.

Этот набор четырех чисел (слегка округленных) никак не похож на процентные доли, которыми описываются вклады четырех энергий в полную энергию мира (см. выше). Теперь рецепт космической смеси записан не в долях полной энергии, а на языке фридмановских интегралов. Так как интегралы не зависят от времени, мы имеем «вечный» рецепт, который остается одним и тем же во все времена, когда четыре энергии вообще существуют в природе. Эти четыре числа не слишком малы и не слишком велики - они порядка единицы, как принято говорить о величинах в пределах от 0.1 до 10. Так что в новом рецепте нет ничего особенного - он не кажется ни сложным, ни странным; напротив, он выглядит просто и естественно. И даже как будто не нуждается в каком-либо специальном объяснении.

Но удивительно все же, что различие четырех фридмановских интегралов так невелико. А в принципе они ведь могли бы отличаться друг от друга сколь угодно сильно - на множество и множество порядков: никаких ограничений на этот счет не вытекает ни из каких фундаментальных принципов. Близость интегралов по порядку величины - это эмпирический факт, который прямо вытекает из совокупности конкретных наблюдательных данных о плотностях космических энергий. Причем этих данных для нашей цели оказалось достаточно, так что все загадки и неопределенности, относящиеся к микроскопической структуре четырех энергий, этому нисколько не помешали.

Численную близость фридмановских интегралов вряд ли можно считать простой арифметической случайностью. Скорее в этом факте нужно видеть указание на то, что космическая смесь - это отнюдь не случайный набор ингредиентов; между четырьмя энергиями определенно имеется нечто общее. Это общее проявляется на феноменологическом уровне в приближенном равенстве интегралов и означает наличие в природе особого рода внутренней (негеометрической) симметрии, объединяющей все четыре космические энергии.

По самому общему определению симметрия «обозначает тот вид согласованности отдельных частей, которая объединяет их в единое целое». Так говорил об этом Г.Вейль, один из крупнейших математиков ушедшего века, автор знаменитой книги о симметриях [8]. В данном случае имеются четыре весьма различные по своей физической сути космические энергии, но между ними существует определенная согласованность - приближенное равенство фридмановских интегралов, - что и объединяет их в одно целое, в квартет космических энергий. (Симметрия барионов и излучения была замечена вскоре после открытия реликтового излучения [9], а симметрия всех четырех энергий - после открытия космического вакуума [10].)

Хотя фридмановские интегралы были вычислены по современным значениям космологических величин, сами по себе они константы, а это означает, что их равенство, а с ним и внутренняя симметрия космических энергий, - неизменное свойство эволюционирующей Вселенной. Можно также убедиться, что симметрия ковариантна: она сохраняет свой смысл в любой системе отсчета. Она также устойчива - в том смысле, что не сильно зависит от тонких деталей наблюдательных данных или ошибок их определения.

Нужно еще отметить, что симметрия энергий является не строгой, а приближенной, слабо нарушенной; и это тоже одно из важных ее свойств. Как заметил Л.Б.Окунь [11], «понятие симметрии неразрывно связано с представлением о красоте. При этом истинная, высшая красота требует небольшого нарушения симметрии, придающего ей таинственный и манящий элемент незаконченности».

Проблемы и решения

Обнаружение внутренней симметрии привнесло порядок в космическую энергетику. В ней произошло, как сказал бы М.В.Ломоносов, «соединение вещей далековатых». В результате мы лучше понимаем теперь, из чего и как сделана Вселенная. Действительно, новая симметрия позволила увидеть в новом свете ряд классических и совсем свежих космологических проблем, которые до сих пор не поддавались решению и казались никак не связанными друг с другом.

Обратимся прежде всего к уже упомянутой выше проблеме большого барионного числа: почему это число столь неестественно велико? Барионное число можно выразить через фридмановские интегралы для излучения и барионов, и тогда ответ на вопрос станет очевидным: это число столь велико потому, что фридмановские интегралы близки друг к другу и имеют именно те численные значения, которые имеют.

Сразу после открытия космического вакуума возникла проблема «совпадения плотностей»: почему плотность вакуума и современная плотность темного вещества почти равны? Ведь одна из них не зависит от времени, а другая падает в ходе космологического расширения. Собственно, от этих двух плотностей не так уж далеки и две другие - современные плотности барионов и излучения. Это еще один вопрос, на который симметрия космических энергий обязана дать ясный ответ, раз уж она объединяет эти энергии. И симметрия свой ответ дает. Четыре наблюдаемые плотности близки по двум причинам: во-первых, их близость в принципе возможна из-за того, что четыре фридмановских интеграла приближенно равны, и во-вторых, это случилось именно в нашу эпоху, ибо как раз в нашу эпоху фридмановские интегралы близки к радиусу (видимой) Вселенной [12].

Процентный состав Вселенной (по массе).

На последнем обстоятельстве стоит остановиться. Действительно, фридмановские интегралы не зависят от времени, они константы. А радиус Вселенной растет со временем благодаря космологическому расширению. Например, при возрасте мира в несколько минут этот радиус был в миллиард раз меньше, чем сейчас. И только к нынешней эпохе он вырос настолько, что приблизился к фридмановским интегралам; он практически точно равен сейчас интегралу для вакуума. Ясно, что по этой причине современное состояние Вселенной нужно считать особенным, выделенным во всей истории мира. В чем же особенность современной Вселенной? С некоторой точки зрения эта выделенность очевидна. Действительно, Вселенная сейчас не слишком молода, так что в ней уже заготовлено достаточно углерода и кислорода, - а они нужны для зарождения и развития жизни. С другой стороны, она все еще в цветущем возрасте, так что в ней имеется много звезд, таких как Солнце, которые способны обеспечить жизнь необходимым светом и теплом. Эти соображения восходят к так называемому Антропному принципу, согласно которому наблюдаемая Вселенная такова, как она есть, потому что в ней имеется жизнь, разум и присутствуют наблюдатели - мы с вами [13].

Антропный принцип - это вполне здравое утверждение о том, что все свойства нашей Вселенной (даже еще не открытые) должны не противоречить существованию в ней тех объектов, которые нам уже известны, в том числе и человека. Связь человека со Вселенной иллюстрирует этот рисунок К.Фламмариона.

К этому принципу можно вообще-то относиться по-разному, но одно в нем бесспорно: возможность нашего существования в мире действительно ограничена рядом условий, о которых только что сказано в самом общем виде. Эти условия можно совсем коротко суммировать так: мы существуем и притом именно сейчас, поскольку в нашу эпоху радиус мира близок к значению фридмановских интегралов. Так благодаря внутренней симметрии Антропный принцип приобретает новый более определенный физический смысл.

Почему наблюдаемое сейчас трехмерное (сопутствующее) пространство мира почти плоское? Это одна из классических проблем космологии, поставленная еще 30-40 лет назад. Как оказывается, за видимой картиной почти эвклидова пространства Вселенной стоит в действительности баланс между тяготением вещества и антитяготением темной энергии [14]. Этот баланс контролируется внутренней симметрией энергий, которая полностью исключает сколько-нибудь существенные отклонения от эвклидовости пространства в настоящую эпоху, а также в любой момент в прошлом или будущем.