Открытия, положившие начало науке о Вселенной

39

Рисунок 2.2 - Расширяющийся шар на фоне антигравитирующего вакуума.

В отличие от всемирного тяготения, всемирное антитяготение стремится не сблизить тела, а, напротив, удалить их друг от друга. Но и наблюдаемые скорости разбегания галактик тоже

приводят к их удалению друг от друга.

Это означает, что сила антитяготения направлена вдоль скорости, и потому она помогает галактикам разбегаться, все время увеличивая их скорость.

Раз наблюдаемое расширение происходит с ускорением, оно будет продолжаться неограниченно долго -- ничто уже не способно этому помешать. Действительно, средняя плотность вещества и излучения будет при расширении только убывать. Но это означает, что тяготение никогда уже не будет преобладать во Вселенной. Динамическое доминирование вакуума будет только усиливаться, а разбегание галактик будет происходить все быстрее и быстрее. Очень важно, что это заключение относится ко всем трем вариантам геометрии трехмерного пространства. Трехмерное пространство может иметь положительную, нулевую или отрицательную кривизну, а расширение все равно будет продолжаться вечно.

Так вакуум с его антитяготением меняет прежнее предсказание теории о судьбе мира. В космологических моделях с нулевой энергией вакуума был возможен вариант смены расширения сжатием: при положительной кривизне пространства. Теперь такое предсказание уже отпадает. Только неограниченное расширение -- таково новое предсказание теории, ставшее возможным с открытием космического вакуума.

При полном и подавляющем преобладании вакуума расстояния между галактиками и их системами возрастают со временем экспоненциально:

R(t) ~ exp(ct/A).

Здесь константа А размерности длины определяется плотностью вакуума:

A = (kс_v )^-1/2 ~ 10²⁸ см.

Эта зависимость расстояний от времени содержится в теории Фридмана в качестве предельного случая, когда все в мире определяет вакуум, а влиянием невакуумных компонент космической среды можно полностью пренебречь. Закон экспоненциального расширения показан графически на рис. 2.3.

39

Рисунок 2.3 - Изменение расстояний в реальном мире.

По свойству экспоненциальной функции, в таком экспоненциально расширяющемся мире скорость взаимного разбе-гания тел пропорциональна расстоянию между ними.

Но тогда в законе Хаббла V = HR, постоянная Н будет независимой не только от направлений и расстояний в пространстве, но также и от времени:

Н = с/А.

Космологической длине А отвечает время А/с ~ 10 млрд. лет. Близость по порядку величины к современному возрасту мира -- не случайное совпадение.

Обратимся теперь не к будущему, а к прошлому Вселенной. Вакуум доминировал в мире не всегда. Его плотность не меняется со временем, тогда как плотность темного вещества падает при расширении мира и, значит, растет назад -- в прошлое. Плотность вещества меняется обратно пропорционально квадрату возраста мира. Все это означает, что антитяготение вакуума было несущественно в достаточно отдаленном прошлом.

В ранней Вселенной безраздельно господствовало всемирное тяготение невакуумных компонент космической среды. А эпоха антитяготения наступила только при возрасте мира в 6-8 миллиардов лет: в этот момент плотность темного вещества упала до значения плотности вакуума (см. рис. 2.4).

39

Рисунок 2.4 - Вещество и вакуум в расширяющемся мире.

Но тогда точные измерения космологического расширения по сверхновым должны прямо на это указать, -- если только удастся найти сверхновые, находящиеся от нас на расстоянии в 6--8 и более миллиардов световых лет. Такие примеры очень далеких сверхновых в самое последнее время найдены, и они определенно подтверждают; что в далеком прошлом расширение действительно происходило не с ускорением, а с замедлением -- по закону R ~ t^2/3 . Это закон замедляющегося расширения -- оно тормозится тяготением и потому происходит медленнее, чем по инерции.

Скорость расширения в этом случае V ~ R/t , при этом постоянная Хаббла H ~ 1/t .

В реальном мире этот закон расширения справедлив с очень хорошей точностью для всех трех типов пространственной геометрии, если возраст мира не превышает 6--8 миллиардов лет.

Это эпоха доминирования темного вещества. А вскоре после того, как плотность темного вещества становится меньше плотности вакуума, справедлив экспоненциальный закон расширения.

Так что практически вся история расширения Вселенной может быть описана с помощью этих двух соотношений: сначала степенной закон расширения, а потом экспоненциальный.

В эпоху, когда плотности темного вещества и вакуума сравниваются по величине, приближенно справедливы обе выписанные выше формулы для постоянной Хаббла. Значит, в эту эпоху c/A ~ 1/t. Тогда A/c ~ t ~ 10 млрд. лет.

Если записать последнее равенство с несколько большей точностью, то из него и получится указанный выше характерный возраст 6--8 миллиардов лет, как граница между стадией преобладания тяготения и следующей за ней стадией преобладания антитяготения.

Остается добавить для полноты картины, что в самые первые несколько сотен тысяч лет (тогда по плотности доминировало излучение) расширение происходит по закону:

R ~ t^1/2 .

Это, естественно, замедляющееся расширение, более медленное, чем инерциальный разлет.

Итак, можно сказать, что первую половину своей жизни Вселенная замедлялась, а во вторую ускорялась. В будущем ее ждет дальнейшее ускоренное расширение, которое никогда не окончится.