Текст книги "Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса"
Автор книги: Йостейн Кристиансен
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 15 страниц)
Схемы и числа буквально распирало от отталкивающей гравитации. К концу 1998 года группа Перлмуттера опубликовала статью, в которой они проанализировали целых 42 далекие сверхновые. Результаты остались неизменными: отталкивающая гравитация, похоже, никуда исчезать не собиралась.
Места для сомнений оставалось все меньше, ведь группа Перлмуттера была не одинока в своих исследованиях. На момент публикации результатов в январе 1998 года другая исследовательская группа уже работала над анализом наблюдений за сверхновыми. Группу возглавлял американский астроном Брайан Шмидт. Совместно с Адамом Риссом Шмидт и его группа провели точные наблюдения за различными сверхновыми звездами.
Хотя изучали они не те же самые вспышки, что и группа Перлмуттера, выводы тем не менее оказались практически идентичными: вспышки сверхновых свидетельствуют об ускоренном расширении Вселенной. Рисе, Шмидт и их коллеги представили свои заключения общественности в мае 1998 года. У статьи было на редкость понятное название: Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant («Данные наблюдений за сверхновыми подтверждают ускоренное расширение Вселенной и космологическую постоянную»). Что такое ускоряющаяся Вселенная, мы уже поняли, а скоро разберемся и с космологической постоянной.
Когда две независимые исследовательские группы, наблюдавшие разные объекты, приходят к одному и тому же революционному выводу, списать результаты на ошибку не так-то легко. К тому же они нашли решение нескольких упомянутых ранее проблем, таких как распределение галактик и возраст Вселенной. Конечно, выводы из наблюдений за вспышками сверхновых стали сюрпризом, но для многих сюрприз этот был долгожданным.
Чтобы подчеркнуть важность результатов исследований сверхновых, можно добавить, что журнал Science в 1998 году назвал их прорывом года. А в 2011 году Перлмуттер, Шмидт и Рисе получили Нобелевскую премию по физике «за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдений дальних сверхновых».
Позднее были проведены наблюдения и за другими сверхновыми, но это лишь подтвердило результаты 1998 года. Однако на этом рассказ о темной энергии заканчивать рано. Ведь разве можно так просто довериться наблюдениям за сверхновыми звездами? Некоторые из сверхновых, описанные в статьях 1998 года, настолько далеки, что, должно быть, взорвались, когда Вселенная была примерно вдвое моложе, чем сегодня. Можно ли считать, что те сверхновые вели себя в точности так же, как более поздние? И вообще, надежно ли использовать сверхновые в качестве стандартных свечей? Мог ли свет исчезнуть за время долгого путешествия по Вселенной? Для такой смелой гипотезы, как существование темной энергии, требуются еще более надежные доказательства. И это еще не всё.
Но прежде, чем рассматривать другие наблюдения, доказывающие существование темной энергии, давайте-ка переместимся в 1917 год и заглянем в гости к Альберту Эйнштейну, а заодно познакомимся с космологической постоянной.
3.3. Эйнштейн и космологическая постоянная
До этого момента я постоянно использовал термин «темная энергия» для описания взаимодействия с отталкивающей гравитацией. Но, строго говоря, это понятие было введено только в 1998 году после революционных наблюдений за сверхновыми. А раньше все говорили почти исключительно о том, что мы называем «космологической постоянной» или просто «А» (греческая буква лямбда). Настало время познакомиться с А.
При создании теории отталкивающих гравитационных сил А – самое простое из всех возможных решений. До 1998 года, пока отталкивающая гравитация еще не стала популярной концепцией, изучать в подробностях условия возникновения отталкивающей гравитации не было необходимости. После 1998-го все изменилось: сразу появилось множество теоретических моделей, в которых фигурировала отталкивающая гравитация. Сейчас все эти модели объединены общим понятием темной энергии. То есть А – это определенная модель темной энергии, но не первая попавшаяся, а простейшая и наиболее популярная форма темной энергии. Да и к тому же, кажется, она неплохо подтверждает наши наблюдения. И еще А – наиболее старая модель темной энергии. Эйнштейн «придумал» ее еще в 1917 году.
Специальная теория относительности
В 1905 году двадцатишестилетний Альберт Эйнштейн (1879–1955) опубликовал статью, описывающую то, что сам он назвал специальной теорией относительности. Так он решил проблему несоответствия между уравнениями Максвелла и законами Ньютона. В теории Ньютона существует единое пространство, своего рода четко определенная система координат, по отношению к которой можно измерить любое движение. Согласно Ньютону, свет движется со скоростью с относительно этой системы. Но если вы бежите с огромной скоростью вслед за световой волной, то, согласно теории Ньютона, почувствуете, что волна движется относительно вас со скоростью ниже с. Значит, вполне реально догнать и даже обогнать световую волну. Однако уравнения Максвелла прогнозируют, что свет всегда будет двигаться с одной и той же скоростью г, независимо от того, кто ее измеряет. Теории Максвелла и Ньютона – взаимоисключающие. Из этой ситуации Эйнштейн вышел, отказавшись от идеи единства пространства. Вместо этого он полагал, что имеет смысл измерять движение только относительно наблюдателя (отсюда и название теории относительности). В то же время он соглашался с выводами Максвелла о том, что скорость света всегда будет одинаковой. А это порождает ряд парадоксов. Разберем один из них.
Представьте, что суперсамолет будущего пролетает мимо вас со скоростью в два раза медленнее скорости света. Оказавшись прямо над вами, он направляет лазерный луч по направлению движения, а именно к горе. Вы точно знаете, что стоите ровно в километре от горы. И раз уж вам известна скорость света «С» и расстояние до горы, можно рассчитать, сколько времени понадобится свету, чтобы ее достигнуть (разделив расстояние на скорость). А что, если пилот тоже захочет узнать, за сколько секунд луч лазера доберется до своей цели? Он тоже решит, что луч двигается со скоростью с относительно его самого. При этом он помнит, что движется со скоростью с/2 в сторону горы. Тогда время, которое рассчитает пилот, должно получиться короче, чем то, которое вышло у вас. Но ведь луч достигнет цели лишь один раз. Кто из вас прав? Как разрешить этот парадокс?
Альберт Эйнштейн в 1921 году.
Эйнштейн, понятное дело, не хотел, чтобы его теория была напичкана парадоксами. Совсем наоборот: ученый кропотливо создавал математическую модель, способную объяснить всевозможные ситуации, в которых разные объекты движутся относительно друг друга с разной скоростью. В результате ему пришлось отказаться от единства не только пространства, но и времени. Когда мимо пролетает самолет на суперскорости, для вас и пилота время будет идти по-разному. Время – это не данная свыше координата, которая тикает сама по себе. Время относительно: для каждого человека оно свое. И раз у вас с пилотом часы тикают по-разному, воспринимать скорость вы будете тоже по-разному (ведь скорость – это расстояние, деленное на время). А еще специальная теория относительности утверждает, что, например, расстояния мы тоже воспринимаем по-разному. Теория Эйнштейна перевернула наши представления не только о времени и пространстве, но еще и о материи и энергии. Именно специальная теория относительности легла в основу бессмертного уравнения Е=mc2, которое ученый вывел в 1907 году.
Я не стал подробно рассказывать, как воспринимаете время вы и пилот. Но, надеюсь, из примера ясно, что нужно принимать во внимание относительность времени, если мы считаем аксиомой постоянность скорости света независимо от того, кто ее измеряет. Давайте не будем тратить время на еще более детальное изучение парадоксов и забавных следствий из специальной теории относительности. А для тех, кто никуда не торопится (ни абсолютно, ни относительно), по этой теме существует много хорошей и доступной литературы.
В обычной жизни мы не замечаем странных эффектов специальной теории относительности, потому что они невообразимо малы, но это пока речь не заходит об объектах, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Но специальная теория относительности – это не просто воздушные замки в голове физика. Эффект вполне реален и был неоднократно подтвержден различными способами. Мой любимчик – так называемый эксперимент Хафеле – Китинга, проведенный в 1971 году. В ходе него два физика (которых, что неудивительно, звали Хафеле и Китинг) взяли с собой четыре комплекта сверхточных атомных часов и облетели вокруг Земли. После полета они могли сравнить часы, которые были в этом путешествии, с часами, остававшимися на земле. И, конечно, обнаружились расхождения, подтверждающие предсказания Эйнштейна.
Общая теория относительности
Но этого Эйнштейну было мало. Специальная теория относительности не включала силу тяжести, а закон всемирного тяготения Ньютона не согласовывался со специальной теорией относительности. Например, в теории Ньютона скорость гравитации считается бесконечно большой. А согласно теории относительности, ничто, даже гравитация, не может двигаться быстрее с. Эйнштейн намеревался разработать новую теорию гравитации, которая бы не зависела от единства времени и пространства Ньютона и не противоречила специальной теории относительности. В результате родилась совершенно новая теория гравитации, известная сегодня как общая теория относительности.
Чисто математически специальная теория относительности не особо сложна. Если сначала изучить постулаты Эйнштейна о скорости света и придерживаться математической теории, то, чтобы производить вычисления по этой теории, хватит и школьного образования. Общая теория относительности как с точки зрения идеи, так и вычислений стоит обособленно. Потратив семь долгих лет, в 1915 году Эйнштейн представил окончательный результат. Общая теория относительности, несомненно, является одним из величайших интеллектуальных достижений прошлого века.
Уже в специальной теории относительности Эйнштейн отказался от понимания времени и пространства как абсолютных величин. В общей же теории относительности он основательно развил эту идею. Общая теория относительности основана на понятии геометрического пространства, которое мы называем пространство-время, или пространственно-временной континуум. Пространственно-временной континуум – эго четырехмерная система отсчета, в которой время представляет собой такое же пространственное изменение, как длина, ширина и высота. Пространство-время способно менять свою кривизну. В соответствии с общей теорией относительности, объект в свободном падении всегда выберет кратчайший путь между двумя точками в пространственно-временном континууме. Согласно общей теории относительности, когда камень падает на землю, вниз его тянет, строго говоря, не совсем сила. Камень просто следует по прямой линии через искривленный континуум. И когда кажется, что брошенный камень движется по кривой траектории в наших трех измерениях, это соответствует прямой линии в искривленном отрезке пространства-времени. Возможно, это звучит крайне абстрактно. Так и есть. Но независимо от того, представляет собой «истинная» реальность искривленный пространственно-временной континуум или нет, одно мы знаем наверняка: общая теория относительности работает! Ведь ее прогнозы совпадают с реальными наблюдениями. И эта теория описывает электромагнетизм, движения и гравитационные силы без каких-либо противоречий.
Как вы видите, уравнений в этой книге немного, но раз уж мы рассмотрели самое известное уравнение Эйнштейна (Е=mc2), то давайте взглянем и на его самые важные уравнения, составляющие основу общей теории относительности. Прошу любить и жаловать – «уравнения Эйнштейна»:
В значение символов углубляться не станем, скажем лишь, что в целом эти уравнения гравитационного поля лежат в основе многих явлений.
Для начала – почему мы называем их «уравнения Эйнштейна», хотя выражение всего одно? Да, но греческие буквы р и v могут иметь четыре разных значения каждая (соответствующие четырем измерениям). Вот и получается: 4x4 = 16 различных комбинаций р и v и, следовательно, 16 различных уравнений, объединенных в одном. Некоторые из уравнений, правда, симметричны, поэтому остается только десять уравнений, которые нужно решить. Эти десять сложных уравнений тесно взаимосвязаны, и, как правило, найти их точное решение сложновато.
О чем нам говорят уравнения гравитационного поля Эйнштейна? Правая часть уравнения описывает количество, например, материи, энергии или излучения в пространстве-времени. Все это содержание заключено в символ Т. Левая часть содержит геометрические величины, описывающие искривление пространства-времени. А между геометрией слева и содержимым справа стоит знак равенства. В этом вся суть общей теории относительности: содержание Вселенной определяет, как будет выглядеть кривизна пространства-времени. А кривизна пространства-времени определяет, как должны двигаться объекты. Да, уравнения сложны, зато принципы просты и удивительно красивы.
Как мы обсуждали, говоря о теории MOND (Модифицированная ньютоновская динамика), общая теория относительности в большинстве случаев дает предсказания, почти идентичные закону всемирного тяготения Ньютона. Например, можно планировать полеты на Луну, используя исключительно законы Ньютона. Работать с ними гораздо проще, а результаты практически такие же, даже несмотря на длительность путешествий и зависимость от гравитационных сил. Различия между теориями Ньютона и Эйнштейна проявляются только тогда, когда гравитация становится чрезвычайно мощной, а расстояния очень большими или же при чрезвычайно точных измерениях. Пример практического использования общей теории относительности – геопозиционирование с помощью спутников GPS. Когда GPS-приемник определяет ваше местоположение, он использует очень точные сигналы времени со спутников. Здесь необходимо учитывать общую теорию относительности, чтобы достичь желаемой точности в определении положения.
Помимо геопозиционирования, общая теория относительности выдержала и другие проверки. Ранее в книге мы коснулись двух из них – гравитационного линзирования и движения перигелия Меркурия. Оба этих явления использовались в качестве первых тестов, в которых теории Ньютона и Эйнштейна давали разные результаты. В обоих случаях теория Эйнштейна доказала свое превосходство. Применив свою теорию при расчете орбиты Меркурия, Эйнштейн самостоятельно убедился в собственной правоте.
Испытания с помощью гравитационного линзирования были проведены лишь в 1919 году, после публикации работы. В те времена у нас еще не имелось ни знаний, ни оборудования для наблюдения гравитационного линзирования от скоплений галактик. Однако Эйнштейн рассчитал, насколько свет далеких звезд будет отклоняться, проходя очень близко к Солнцу. Свет отклоняется из-за гравитационных сил Солнца. Или, выражаясь в терминах общей теории относительности, свет будет двигаться через пространство-время, искривленное массой Солнца. По теории Ньютона тоже можно рассчитать такое отклонение света, но отклонение, предсказанное теорией относительности, больше.
Проблема, конечно, заключается в том, что наблюдать звезды в непосредственной близости от Солнца, как правило, невозможно. Поэтому наблюдения проводились во время полного солнечного затмения 1919 года. В момент затмения Луна перекрывает весь солнечный диск и становится настолько темно, что можно наблюдать звезды, в том числе и крайне близкие к Солнцу, а затем – понаблюдать, как меняется видимое положение звезд на небе без влияния Солнца.
Британский астроном Артур Эддингтон возглавил экспедицию на африканский остров Принсипи – одно из немногих мест, где полное солнечное затмение 1919 года было прекрасно видно с суши. Осуществить достаточно точные измерения оказалось задачей не из легких, но к результатам Эддингтона было не придраться, и их даже представили позже в том же году на собрании Королевского общества в Лондоне. Теория Эйнштейна подтвердилась. То, что старая теория Ньютона, похоже, вот-вот уступит место чему-то новому и более совершенному, не осталось незамеченным. На следующий день после заявления Эддингтона британская газета «Таймс» заявила: «РЕВОЛЮЦИЯ В НАУКЕ – НОВАЯ ТЕОРИЯ ВСЕЛЕННОЙ – ОТКАЗ ОТ ИДЕЙ НЬЮТОНА».
Конечно, к заголовкам британских газет в качестве научных доказательств следует относиться с осторожностью. Но благодаря наблюдениям Эддингтона теория относительности совершила решительный прорыв и стала основной теорией гравитации. Позже теория прошла ряд тестов, показавших, что она описывает гравитацию намного лучше, чем теория Ньютона.
Космологическая постоянная
Сформулировав общую теорию относительности, Эйнштейн первым делом применил ее к целой Вселенной, а в 1917 году опубликовал статью «Вопросы космологии и общая теория относительности». Как вы помните, уравнения Эйнштейна не особо простые – так не слишком ли самонадеянно пытаться объяснить ими целую Вселенную? Возможно, что и нет. Эйнштейн сделал серьезное обобщающее предположение, которое используется и по сей день: он предположил, что вся Вселенная абсолютно однородна, то есть одинакова повсюду. Если не вдаваться в детали, то эта идея может показаться откровенно абсурдной. Но если взглянуть чуть шире, в этом предположении вырисовывается определенная логика. Стоит нам перейти к большим масштабам, и становится очевидно, что скопления галактик распределены во Вселенной довольно однородно.
В статье 1917 года Эйнштейн говорит, что его теория, похоже, не допускает статичности Вселенной: Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться. Как мы обсуждали ранее, проблема заключалась в том, что нерасширяющаяся Вселенная рано или поздно начнет сжиматься из-за своих же гравитационных сил. Чем-то похоже на камень, который не может вечно висеть в воздухе и все равно начнет падать. И не забывайте, что все это происходило за десятилетие до открытия Хабблом расширяющейся Вселенной. На тот момент в науке господствовала теория статической Вселенной, то есть остающейся неизменной с течением времени. Конечно, звезды и галактики немного движутся, но по большому счету видимая Вселенная никогда не менялась. Эйнштейн тоже был привязан к этой идее вечной статичной Вселенной и не мог смириться с тем, что общая теория относительности не допускает этого. В этот момент, точнее в 1917 году, Эйнштейну выпал уникальный шанс сделать предположение, которое еще сильнее укрепило бы его положение на астрофизическом Олимпе: он мог бы предсказать, что Вселенная расширяется (или сжимается) до того, как были проведены соответствующие наблюдения. Но тут Эйнштейн – человек, совершивший научную революцию, – потерпел поражение именно потому, что поддался укоренившимся предрассудкам о том, каким «должен» быть мир. У ученого не хватило решимости отказаться от собственного заблуждения в статичности Вселенной.
В 1917 году Эйнштейн почувствовал необходимость ввести космологическую постоянную в свои уравнения, чтобы избежать коллапса Вселенной. Тогда ему было 37 лет. Здесь же мы видим пожилого, слегка расстроенного Эйнштейна, который рассказывает о своей «величайшей ошибке», параллельно вписывая Л в уравнение.
Чтобы решить эту проблему, ученый ввел в свое уравнение гравитационного поля новый элемент – он добавил Л (лямбду), то есть космологическую постоянную.
(По правде говоря, Эйнштейн обозначил космологическую постоянную буквой X (прописная греческая лямбда), а не Л (заглавная буква), хотя сегодня более распространено второе обозначение. Впрочем, суть космологической постоянной от этого не меняется.)
Формально говоря, никаких проблем с вводом постоянной нет. С математической точки зрения теория стала чуть более «уродливой», но ведь не в красоте счастье. Ввод космологической постоянной не изменит предсказания об орбите Меркурия или искривлении звездного света Солнцем, однако сыграет важную роль при рассмотрении Вселенной как единого целого: Л «отвечает» за отталкивающую гравитацию. Эйнштейн предполагал, что Л должна быть достаточно большой, чтобы компенсировать тенденцию Вселенной к сжатию. Чтобы Вселенная оставалась неподвижной, требовалось уравновесить силу отталкивания Л и силу притяжения. Получилось подогнанное под ситуацию решение, позволившее связать теорию и господствующее мировоззрение.
Но главная проблема космологической постоянной заключалась совсем не в уродливости теории. Как выяснилось впоследствии, обеспечить статическую Вселенную не в силах и она. Но почему нет? Да потому, что Вселенная, в которой сила притяжения уравновешивается отталкивающей Л, будет неустойчивой. Ситуация похожа на попытку сохранить равновесие и не дать бильярдному шару упасть с острия иголки. Понятное дело, в чистой теории возможно поместить шар так, чтобы он в равновесии лежал на игле, вот только на практике это невыполнимо. Едва заметный толчок – и всё, конструкция разрушена. То же самое происходило с равновесием во Вселенной Эйнштейна. Если такую Вселенную слегка подтолкнуть к расширению, космологическая постоянная сама запустит все больше и больше ускоряющееся расширение Вселенной. А если толкнуть ее к сжатию, то она начнет сжиматься все быстрее и быстрее, пока совсем не схлопнется. То, что Вселенная должна вечно балансировать на острие космической иголки, уж точно не является физически приемлемым решением. Позднее, когда расширение Вселенной уже было открыто, Эйнштейн признал введение космологической постоянной своей «величайшей ошибкой».
(Предполагаемое высказывание Эйнштейна, в котором он признал Л своей величайшей ошибкой («biggest blunder»), пошло от физика Георгия Гамова (в посмертно опубликованной автобиографии «Му world line»). Однако следует отметить, что Гамов вряд ли является наиболее достоверным свидетелем по истории физики, и сомнительно, что Эйнштейн когда-либо говорил это. Несомненно, Эйнштейн несколько раз выражал сожаление по поводу введения Л.)
И раз Вселенной больше не требовалось быть статичной, то и потребность в отталкивающих силах космологической постоянной отпала. Поэтому о лямбде в астрономической среде на долгие годы забыли почти все. Похвальное исключение – трое норвежских астрономов: Ян Эрик Сольхейм, Рольф Ста– белл и Шур Рефсдал. Еще в 1960-х они изучали расширяющуюся Вселенную с космологической постоянной. Но пришли 1990-е годы, а вместе с ними возобновилась и потребность в отталкивающей гравитации. Тогда-то космологическая постоянная и ожила вновь. А «величайшая ошибка» Эйнштейна сегодня является неотъемлемой частью наших стандартных представлений о Вселенной.
Доминирование Л во Вселенной
Если вы снова посмотрите на математическое выражение, которое Эйнштейн записывает на доске, то заметите, что он пишет Л (лямбда-член) слева от знака равенства. Как мы помним, левая часть уравнения описывает геометрию пространства-времени. Поместив космологическую постоянную слева, ученый наделил ее физическими свойствами: он считал, что Л вносит свой вклад в искажение пространства-времени. Но все, кто проходил уравнения в школе, знают, что любой член можно запросто перенести из одной части уравнения в другую, главное – не забыть поменять знак на противоположный. Сегодня принято писать Л в правой части уравнения вместе со всем содержимым Вселенной. Эта простейшая математическая манипуляция с уравнениями гравитационного поля дает нам новую интерпретацию Л. Сейчас большинство людей смотрит на Л как на нечто присутствующее во Вселенной. Это такой же компонент, как и обычная материя, темная материя, излучение и другие ингредиенты, скрытые в несколько загадочном символе Т в правой части уравнений.
Если космологическая постоянная – это один из компонентов Вселенной, то как же она себя ведет? Понятное дело, она постоянна. На первый взгляд, впечатляет не особо. Но космологическая постоянная впечатляет потому, что постоянна именно плотность Л-вещества. Несмотря на расширение Вселенной, плотность остается неизменной. Объясню это на примере норвежских гор.
Представьте себе большой грузовик, который едет в гору, чтобы выпустить овец на летнее пастбище. В грузовике стоит сотня обычных овец и одна – особая, назовем ее Л-овцой. Животных выпускают наружу, и они начинают разбегаться. Понятное дело, что внутри машины им было тесновато, а сейчас они начали разбредаться по более просторной площади. По мере распределения стада плотность обычных овец уменьшается, и вскоре они находятся в нескольких метрах друг от друга. А чем в это время занимается та причудливая Л-овца? Она тоже отошла от грузового автомобиля, но, отдаляясь, не перестает делиться, создавая своих Л-клонов. Стадо распространяется по горам все дальше, а Л-овца постоянно делится на новых особей. Плотность Л овец постоянна, несмотря на расширение пространства. В грузовике в стаде преобладали обычные овцы. Однако по мере увеличения территории плотность обычных овец уменьшается, а вот Л-овцы сохранили ту же плотность. Через некоторое время Л овец становится больше, чем обычных. Те, кто составлял незначительное меньшинство, вскоре начинают преобладать. А все из-за постоянной плотности Л-овец.
Такие чудные свойства Л-овцы разделяют с космологической постоянной: при расширении Вселенной плотность ее вещества не меняется.
Считается, что во Вселенной сейчас примерно в три раза больше темной энергии, чем материи. Ранее в истории Вселенной плотность материи была больше, чем сегодня. Взять, к примеру, период образования реликтового излучения. Тогда в каждом кубическом метре Вселенной содержалось в среднем более чем в миллиард раз больше материи (как обычной, так и темной), чем сейчас. Но если темная энергия является космологической постоянной, то она всегда обладала одной и той же плотностью. Таким образом, в молодой Вселенной космологическая постоянная играла совершенно незначительную роль. Но Вселенная росла, материя становилась все тоньше и тоньше, и сегодня мы живем в мире, где доминирует космологическая постоянная.
Это также повлияло на скорость расширения Вселенной. В первое время после Большого взрыва Вселенная расширялась, но все медленнее и медленнее из-за влияния гравитации материи. Только когда Вселенной было около 10 миллиардов лет, космологическая постоянная стала доминировать над ее содержимым и расширение начало ускоряться. Следовательно, ускоряющееся расширение – относительно новое состояние в эволюции Вселенной. А какой будет следующая ступень? Вселенная продолжит расширяться все быстрее и быстрее, а космологическая постоянная будет доминировать все больше и больше. Поэтому, когда мы говорим, что Вселенная на 70 процентов состоит из темной энергии (которая, например, может быть космологической постоянной), это касается Вселенной в ее современном виде. Ведь пока космологическая постоянная обладает постоянной плотностью, плотность материи продолжит уменьшаться по мере расширения пространства. Несколько миллиардов лет назад процент темной энергии был ниже, а через несколько миллиардов лет этот процент станет выше.
Приведенные выше вычисления основываются на принятии темной энергии за космологическую постоянную. А так ли это на самом деле, никто с уверенностью сказать не может. Но пока космологическая постоянная неплохо встраивается в наши наблюдения, например, за сверхновыми звездами. Так что даже если темная энергия представляет собой нечто другое, то она все равно должна быть похожа на космологическую постоянную.
Чуть позже мы познакомимся с другими возможными формами темной энергии. Но для начала давайте потратим немного времени и разберемся с тем, что может представлять собой космологическая постоянная. Сами посудите, Л-овцы ведут себя и впрямь странно: если некая субстанция при распределении на большой территории не теряет плотности, это крайне необычно.
Вакуумная энергия и квантовая флуктуация
Давайте заглянем в микромир. Как квантовая физика объясняет космологическую постоянную? Что же это за такое вещество, не теряющее плотности при расширении пространства? Естественно было бы представить, что Л – неизбежное свойство самого пространства. Иными словами, всегда будет оставаться энергия, от которой невозможно избавиться, даже если откачивать все частицы лучшим в мире вакуумным насосом. На самом деле, мысль о том, что вакуум обладает энергией, не так уж притянута за уши, как может показаться на первый взгляд.
Как мы помним из нашего разговора о частицах, пары частиц и античастиц могут возникать и снова исчезать. Если обратиться к квантовой физике, у нас всегда будут такие испаряющиеся и появляющиеся пары частиц. Даже самый идеальный вакуум никогда не будет пуст. В нем варится суп из частиц и античастиц, которые возникают и исчезают в бурлящем хаосе. Где есть частицы, там будет и масса. А где есть масса – есть и энергия. Итак, согласно квантовой физике, вакуум всегда содержит энергию. Плотность этой энергии должна быть постоянной, потому что это свойство самого пространства. Эту форму энергии часто называют вакуумной. Если включить такую форму энергии в уравнения гравитационного поля Эйнштейна, она будет вести себя точно так же, как космологическая постоянная, и порождать отталкивающие гравитационные силы.
Конечно, проще считать, будто энергия вакуума – это концепция, существующая только в отстраненных от реальности головах физиков и не имеющая ничего общего с действительностью. Но не тут-то было – вакуум существует. Доказано это было, в частности, с помощью забавного явления, которое мы называем эффектом Казимира. Для возникновения эффекта нужно расположить две металлические пластины в вакууме на близком расстоянии друг от друга. Повсюду – как между пластинами, так и снаружи – будут частицы и античастицы, возникающие и исчезающие в вакууме. Это мы и называем квантовой флуктуацией, которая сама по себе состоит из ряда различных процессов. Между пластинами настолько узко, что вакуумная флуктуация в том же объеме, что и снаружи, невозможна. Но какое-то количество флуктуаций все же проникает туда. В результате пластины больше прижимаются колебаниями вакуума снаружи, чем изнутри. Эксперимент фиксирует плотное прижатие пластин друг к другу, а точные измерения доказывают, что вакуум не полностью пуст и что происходящее в вакууме можно описать с помощью квантовой физики.
Но раз эффект Казимира доказан и изучен, нельзя ли использовать ту же теорию для расчета вакуумной энергии во Вселенной? И да и нет. Для эффекта Казимира необходимо пространство между двумя металлическими пластинами. К сожалению, условия Вселенной этому не соответствуют. Тем не менее квантовая физика способна помочь понять, насколько большой должна быть космологическая постоянная. Если впоследствии окажется, что вычисленная квантово-физическими методами космологическая постоянная такая же большая, как та, которую мы видим во Вселенной, тогда решится вся проблема темной энергии. Но реальность не столь благосклонна. В итоге получается, что теоретически рассчитанная плотность космологической постоянной в 1055 раз больше той, что мы измеряем во Вселенной.
