[Перевод] Спросите Итана: может ли тёмная энергия привести к повтору жизненного цикла Вселенной?

Есть какое-то сверхъестественное сходство с началом нашей Вселенной – периодом космической инфляции, и определяющим конечную судьбу Вселенной ускоренным расширением тёмной материи. Поневоле начнёшь размышлять, не связаны ли они между собою. На этой неделе я выбрал вопрос читателя Эндрю Жилетта, спрашивающего:

Если верна вечная инфляция, может ли тёмная энергия быть предшественником возвращения к этому изначальному состоянию?

Это не только возможно, тёмная энергия вообще не зависит от правильности теории вечной инфляции. Начнём с этапа, предшествовавшего началу Вселенной и подготовившего его наступление: с космической инфляции.


Температура Вселенной везде одинакова, даже в причинно независимых участках неба

Когда начала своё существование знакомая нам Вселенная – заполненная материей и излучением – некоторые её начальные свойства были довольно странными, и в принципе, они не обязаны были быть именно такими. Она была пространственно плоской, повсюду в ней была одинаковая температура, у неё не осталось реликтов ультравысоких энергий, и она обладала очень специфической картиной регионов повышенной и пониженной плотности. Возможно, что Вселенная родилась именно с такими свойствами, но идея космической инфляции состоит в том, что если Вселенная началась с периода экспоненциального расширения, во время которого пространство обладало внутренней энергией, а затем этот период закончился – то получился бы Большой взрыв именно с такими свойствами. Потребовалось много лет, чтобы правильно просчитать все последствия этой идеи, и ещё больше времени на то, чтобы получить её подтверждение из данных по флуктуациям реликтового излучения. Но теперь, космическая инфляция – это самый первый процесс, доказательства существования которого имеются у нас.

Вечная инфляция – это идея, родственная инфляции, основанная на свойстве, о котором вы, вероятно, редко размышляли. Обычно любой естественный переходный процесс – к примеру, чайник с горячей водой, переходящей от жидкого в газообразное состояние – происходит сразу в нескольких местах, и эти места расширяются и затем сливаются вместе. В случае с кипящей водой мы называем это «перколяцией», появление внизу небольших пузырей, объединяющихся по пути наверх, и к моменту достижения поверхности становящихся уже большими. Но с инфляцией есть проблема: те регионы, в которых инфляция не закончилась, продолжают экспоненциально расширяться, что мешает регионам, где она закончилась, «перколировать». Соответственно, наша обозреваемая Вселенная должна была появиться внутри цельного пузыря, в котором инфляция закончилась, а не из нескольких, слившихся друг с другом пузырьков.

Но на противоположном конце спектра существует факт ускорения расширения Вселенной. Лучшее объяснение ему, соответствующее измеряемой реальности с наивысшей из доступных нам точностью, состоит в том, что самому пространству присуща небольшая энергия: мы называем её тёмной энергией. Эта энергия вездесуща, она одинаково присутствует во всех местах, и она чрезвычайно мала: если преобразовать её в массу через эйнштейновское E = mc², получится эквивалент одного протона на кубический метр. Но пространство не только огромно, оно ещё и расширяется! Так что, со временем, эта тёмная энергия становится всё важнее, и в результате, после 8 миллиардов лет, она привела к ускорению расширения Вселенной, и позже стала доминирующей энергией.

Эти два периода могут казаться разными: инфляция и ускоренное расширение через какое-то время после начала. Действительно, порядок энергий различается примерно в 10¹²⁰ раз, то есть, чрезвычайно! Но оба они имеют дело с энергией, присущей самому пространству, оба они заставляют ткань космоса экспоненциально расширяться, и со временем, – от долей секунды в случае инфляции, до триллионов лет в случае тёмной энергии – они разнесут далеко в стороны всё, что не связано в цельную структуру. Существует великое множество моделей, пытающихся объединить эти процессы, известных как квинтэссенция.

Так каковы же возможности Вселенной по повторению цикла своего существования? Пока что есть два неплохих кандидата.

1) Если тёмная энергия – это космологическая константа, она может оказаться остаточной энергией от периода инфляции, с которого всё началось. В таком случае нет причин, по которым она по прошествии времени не может распасться до ещё более низкого энергетического состояния. Возможно, это породит огромное количество частиц чрезвычайно малой массы, таких, как нейтрино, аксионы или что-нибудь ещё более экзотическое, что, вероятно, сможет объединиться вместе, сформировать свои аналоги звёзд, планет или даже людей на достаточно больших временных масштабах. Только то, что это недоступно нам, не означает, что это невозможно, и это одна из вероятных судеб Вселенной на больших масштабах времени, даже если для её наступления потребуются гуголы лет.

2) Тёмная энергия может и не быть космологической константой, но может увеличивать её силу со временем. В таком случае она будет продолжать расти, что приведёт к сценарию «большого разрыва», в котором каждая связанная структура Вселенной в итоге будет разорвана. Но по сценарию Эрика Гавизера [Eric Gawiser] возможно, что в самый последний момент – когда само пространство уже будет готово разорваться – эта присущая пространству энергия, неотличимая от инфляции, совершит переход в горячий Большой взрыв! Сценарий «восстановленной» Вселенной может быть реальностью не только для нашего далёкого будущего, но и для нашего прошлого – из-за него Вселенная может оказаться гораздо старше, чем выглядит, и может быть, даже бесконечно старой!

Пока что лучшие из имеющихся у нас доказательств указывают на то, что тёмная энергия – это космологическая константа, т.е. 2-й сценарий не работает. Если не существует никакого более низкого энергетического состояния, то и 1-й сценарий исключается – но пока что у нас нет достаточно сведений, чтобы исключить любой из них. Если бы мне пришлось выбирать, я бы сказал, что переход на более низкий уровень энергии более вероятен, но имеющиеся у нас данные лучше поддерживают идею тёмной энергии как настоящей космологической константы. Но пока это точно не подтвердится, необходимо быть готовым к любым возможностям!

Миссии EUCLID, WFIRST и LSST помогут нам измерить тёмную энергию с ещё большей точностью, что должно предоставить аргументы за или против двух упомянутых возможностях, а наработки в теоретической физике высоких энергий могут больше рассказать нам о первой возможности. В любом случае ответ на вопрос Эндрю такой, что тёмная энергия может возвещать возвращение горячего Большого взрыва после состояния, напоминающего инфляцию, но это не зависит от вечной природы самой инфляции!