Прорыв за край мира

где  — ȧ производная масштабного фактора по времени, a R(t) пропорционален масштабному фактору: R(t) = R_o·a(t). Это и есть уравнение Фридмана, описывающее однородную изотропную вселенную. Оно получено только из первого (0, 0) уравнения Эйнштейна, но остальные уравнения либо нулевые, либо ему тождественны. Напомним, в простейшей модели Вселенной знак трехмерной кривизны определяет ее судьбу: если k > 0, то за расширением последует сжатие («закрытая» Вселенная); если k < 0 («открытая» Вселенная), то расширение будет вечным; если k = 0 («плоская» Вселенная), то скорость расширения со временем будет стремиться к нулю. Сейчас мы знаем, что величина R настолько велика, что влияние члена k/R² на динамику Вселенной незаметно на довольно хорошем уровне точности. Раньше ее влияние было еще меньше, поэтому для дальнейшего анализа последний член в уравнении Фридмана можно отбросить.

Уравнение стало совсем простым, остается найти зависимость плотности энергии от масштабного фактора. Для этого надо знать уравнение состояния, дающее связь между плотностью энергии и давлением и зависящее от того, чем заполнена Вселенная. Самое простое и весьма правдоподобное предположение — давление равно нулю. Это так, если основная часть материи во Вселенной сосредоточена в звездах и холодном газе. Сейчас мы знаем, что гораздо большая часть массы Вселенной заключается в темной материи. Но мы также знаем, что темная материя состоит из сравнительно медленно движущихся частиц, которые не создают давления. В случае нулевого давления плотность энергии (она же просто плотность, помноженная на с²) ε ~ а^-3, поскольку масса вещества в сопутствующем объеме V ~ а³ остается постоянной. В этом случае уравнение Фридмана принимает совсем простой вид:

ȧ = const·a^-1/2

Как решаются подобные простейшие дифференциальные уравнения, объяснено во врезке. В данном случае его решение:

a(t) = const·t^2/3

В конце 1990-х оказалось, что предположение о нулевом давлении в современной Вселенной неверно, и закон расширения другой. Об этом чуть ниже.

Есть еще один жизненно важный вариант уравнения состояния Вселенной — ультрарелятивистский:

р = 1/3 ε,

возникающий, когда основная масса частиц движется со скоростью света или близкой к ней. Такое уравнение состояния у Вселенной было в первые 80 тыс. лет ее существования. При расширении Вселенной плотность энергии релятивистского содержимого падает как 1/а⁴ (число частиц в единице объема падает как 1/а³, и энергия каждой частицы падает как 1/а, что проще всего представить как растяжение волны фотона вместе с пространством: λ ~ а). Уравнение Фридмана приобретает вид:

(ȧ/a)²= const/a⁴,

или

ȧ = const/a

Решение в данном случае

a(t) = const·t^1/2

Получается, что ранняя Вселенная, в которой давление материи огромно, расширяется по более медленному закону (t^1/2), чем нынешняя (t^2/3). Это, казалось бы, противоречит здравому смыслу. Но так диктуют уравнения. Запомним этот странный факт — дальше будет еще интересней.

13. Отталкивающая гравитация

В этой главе автор допускает некоторое занудство, приводя подробную серию выкладок, чтобы дотошный читатель мог проследить, как и откуда берутся парадоксальные явления, связанные с появлением Вселенной на свет. Здесь уже нет уравнений в частных производных, только обыкновенные простейшие дифференциальные уравнения, метод решения которых изложен на врезке.

Выше мы допустили, что пространство может быть заполнено неким скалярным полем, которое мы напрямую не ощущаем. Сейчас мы знаем по крайней мере один пример фундаментального скалярного поля — поле Хиггса. Квант этого поля (бозон Хиггса) недавно открыт на Большом адронном коллайдере. Еще одним примером скалярного поля может оказаться темная энергия, доминирующая в плотности энергии современной Вселенной, хотя в этом случае возможны разные интерпретации.

Абстрагируясь от конкретных примеров, предположим, что Вселенная заполнена однородным и постоянным во времени скалярным полем. Допустим, это поле имеет ненулевую плотность энергии, которую обозначим, как ε. Как это поле будет влиять на Вселенную?