Александр Викторович Волков - 100 великих загадок астрономии
Дальнейшие исследования вновь принесли сенсацию. В далеком прошлом Вселенная расширялась медленнее, чем теперь. Сила гравитации сдерживала бег видимой материи. «Наша Вселенная напоминает обычного автомобилиста: она то тормозит, увидев красный свет, то залихватски мчится, заметив зеленый», – так сформулировал краткую историю космоса Адам Рис. Роль светофора поочередно выполняли гравитация и антигравитация.
Около 7 миллиардов лет назад «включилась» последняя – то бишь темная энергия. Как показывают теоретические модели, она переборола силу, противодействовавшую ей. Ее плотность, как полагают, со временем не меняется, в то время как плотность обычного вещества падает, ведь космическое пространство становится все обширнее. С тех пор Вселенная неудержимо расширяется, хотя «мотор», приводящий ее в движение, по-прежнему спрятан за кулисами.
По результатам наблюдений последних лет – и, в первую очередь, исследований, проведенных зондом Уилкинсона, – астрофизики создали новую модель Вселенной. Согласно ей, Вселенная состоит на 72 % из темной энергии, на 23 % – из темного вещества, а также содержит около 4,6 % обычного вещества в самых разных его проявлениях – от атомов водорода, снующих в космическом пространстве, до сверхплотных нейтронных звезд – и около 0,3 % нейтрино.
Общее количество темной энергии невероятно велико, но, поскольку она разлита по всему мирозданию, ее плотность, как показывают расчеты, не превышает четырех электронвольт на кубический миллиметр. Для сравнения: масса покоя одного электрона равна 511 тысячам электронвольт.
Так какова может быть природа темной энергии? Миновать этот вопрос нельзя. Ведь невозможно описать фундаментальные свойства времени, пространства, материи и энергии, игнорируя основной компонент Вселенной. Пока «темная энергия – пожалуй, главная загадка современного естествознания», отмечает на страницах журнала «Знание – сила» академик В.А. Рубаков.
Может быть, все дело в вакууме? Согласно квантовой теории, вакуум никогда не бывает пустым. В нем непрестанно рождаются и исчезают частицы. Многие ученые полагают, что энергия вакуума и есть темная энергия. Так, еще в середине 1960-х годов советский физик Э.Б. Глинер заметил, что гипотеза о космологической постоянной равнозначна предположению о том, что во Вселенной существует некая идеальная однородная «среда». Однако подобная среда и впрямь есть. Это – вакуум. «Но когда теоретики, – пишет Адам Рис, – попытались вычислить плотность энергии, связанной с квантовым вакуумом, то получили значение на 120 порядков выше необходимого». Пока неизвестно, чем объясняется такой чудовищный разрыв между теоретическими и опытными данными.
Удивляет и другое. Почему все-таки действие антигравитации проявилось так поздно? «Пусть мы не знаем пока, что такое темная энергия, мы убеждены в том, что, изучая ее, поймем, каким образом на ранней стадии Вселенной были взаимосвязаны фундаментальные силы и элементарные частицы, – подчеркивает Майкл Тернер. – Путь к этому пониманию лежит через телескопы, а не через ускорители».
Итак, в рамках общей теории относительности можно истолковать темную энергию как среду, испытывающую действие антигравитации. В квантовой теории она готова предстать в обличье вакуумной энергии. Есть и другие объяснения.
В 1998 году американские физики Пол Стейнхардт, Ричард Колдуэлл и Рауль Дэйв предположили, что за темной энергией скрывается не космологическая постоянная, а неизвестное пока квантовое поле, не описываемое Стандартной моделью физики. Оно пронизывает все пространство и вызывает непрестанное расширение Вселенной. Оно мало напоминает электрическое или магнитное поля и действует как антигравитационная сила. Стейнхардт и коллеги назвали его «квинтэссенцией», вспомнив одну из основ мироздания, придуманную Аристотелем в дополнение к уже известным четырем стихиям – огню, воде, земле и воздуху.
В этой гипотезе темная энергия меняется со временем. «Тогда она естественным образом может достичь своего нынешнего значения», – рассуждает Стейнхардт. Приняв подобную идею, можно не удивляться: «Почему так поздно?» Остается лишь опасаться, что со временем значение этой плотности снова изменится, и тогда Вселенная начнет ускоренно сжиматься, превращаясь из «бесконечности» в точку грядущего Большого взрыва.
Некоторые гипотезы звучат еще радикальнее. Авторы одних готовы упразднить темную энергию, авторы других меняют сам образ мира, то заставляя свет мчаться с какой угодно скоростью, то отрицая принцип однородности Вселенной. Возможно, космологические уравнения требуют уточнения. В таком случае, нельзя ли вообще обойтись без помощи темной энергии?
Темная энергия: все только иллюзия?
Новые размышления приводят к тревожным выводам. Возможно, темная энергия – это грандиозная ошибка? Космологи просто просчитались, пытаясь описать Вселенную? Быть может, мы живем в совершенно особом ее уголке и нам нельзя распространять полученные нами данные на все мироздание? Темная энергия – это иллюзия?
Это «еретическое» мнение некоторых исследователей взволновало научный мир.
Так, Эдвард Колб из Чикагского университета, Антонио Риотто из ЦЕРН и канадский физик Джон Моффат полагают, что плотность всей наблюдаемой нами части Вселенной ниже средней величины. Говоря иными словами, плотность той части Вселенной, что недоступна нашим телескопам, выше плотности видимой нами части мироздания. Возник этот перепад плотности благодаря космической инфляции, когда крохотные сгустки вещества в считаные доли секунды разрослись до вселенских размеров. Итак, та часть космоса, которую мы не видим, не расширяется ускоренно, зато создает своего рода тягу, и потому наша область космоса ускоренно расширяется.
Снимки сверхновых, сделанные космическим телескопом «Хаббл», позволили ученым предположить, что темная энергия является важной составляющей Вселенной
Что мы имеем в остатке? Темная энергия не нужна. Она существует, если справедлив важнейший космологический принцип: наша Вселенная однородна и изотропна. Только тогда можно описывать процессы, протекающие во Вселенной, и ее структуру с помощью общей теории относительности. Если мы отказываемся от этого принципа, то результаты наблюдений следует трактовать не так однозначно. В таком случае, темная энергия может оказаться фикцией космического масштаба.
Еще одну гипотезу предложил астрофизик Субир Саркар из Оксфордского университета. По его мнению, не только темная энергия не существует, но и Вселенная не расширяется ускоренно. «Наблюдают другое, видят, что отдаленные сверхновые звезды светят слабее, чем предполагает Стандартная модель. Этот эффект нельзя объяснить тем, что часть излучения поглощает пыль. Потому принято считать, что эти звезды находятся дальше от нас, чем ожидалось. Но ведь можно же предположить, что наша Вселенная неоднородна, вместо того чтобы использовать модель однородной Вселенной при интерпретации фактов. Может быть, скорость расширения нашей области космоса выше среднего показателя в отдаленных частях Вселенной, а потому мы ошибочно определяем расстояние до сверхновых звезд – наши результаты получаются завышенными». Впрочем, пока картина распределения галактик все-таки больше соответствует Стандартной модели, хотя новые результаты измерений могут внести какие-то уточнения.
Израильский астрофизик Мордехай Мильгром вообще сомневается в том, что закон всемирного тяготения справедлив. Он предложил «модифицированную ньютоновскую динамику», и надо думать, что желающие «подправить старика Ньютона» не переведутся ни на Западе, ни у нас. По его мнению, на очень больших расстояниях гравитация становится слабее, чем полагает традиция. Британский физик Мартин Рис так оценил его старания: «К гипотезе Мильгрома можно будет обратиться лишь в том случае, если все поиски темной энергии окажутся бесплодными и все иные возможности будут исключены».
В принципе, закон всемирного тяготения Ньютона уже трижды пришлось модифицировать. Он не действует на очень маленьких расстояниях, где главенствуют квантово-механические эффекты. При скоростях, превышающих 10 % световой скорости, ньютоновская механика заменяется частной теорией относительности Эйнштейна, а для очень массивных объектов – его же общей теорией относительности. Поэтому специалисты не исключают, что рано или поздно, если существование темной энергии не подтвердится, придется снова модифицировать многострадальный закон Ньютона.
Португальский физик Жоао Магуэхо ради новой любимицы физиков готов поступиться еще одной догмой. Он предположил, что на начальной стадии Вселенной скорость света была в миллиард раз выше, чем теперь. По мере расширения и остывания Вселенной скорость света уменьшалась, а когда температура Вселенной достигла некоего критического значения, произошел «фазовый переход» – что-то вроде превращения воды в лед: скорость света «застыла» на нынешнем уровне. В таком случае наблюдения за сверхновыми звездами можно истолковать иначе. Однако исследования космического фонового излучения, проведенные в начале 2000-х годов, опровергли эту гипотезу.
