Текст книги "Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса"

Автор книги: Йостейн Кристиансен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 15 страниц)

(Во многих источниках говорится, что отклонение еще больше: 10¹²⁰ или 10¹²² вместо 10⁵⁵. Число зависит от того, как именно рассчитывать космологическую постоянную в квантовой теории. Однако наиболее последовательный метод вычислений, который не противоречит тому, что мы знаем о Стандартной модели физики элементарных частиц, дает 10⁵⁵. Тем не менее отклонение огромно.)

Иными словами, это число с 55 нулями за единицей. Скорее всего, это величайшее несоответствие между теорией и наблюдениями в истории физики. И поэтому для многих проблема, скорее, заключается не в объяснении существования космологической постоянной, а в объяснении, почему она не настолько большая, как следует из наших вычислений. У этой проблемы даже название есть – проблема космологической постоянной.

По-хорошему, мы должны радоваться тому, что космологическая постоянная столь мала. Соответствуй она теоретическим предсказаниям – и нас бы вообще тут не было. Тогда бы Вселенная начала расширяться задолго до формирования первых звезд и планет. Расширение происходило бы так быстро, что небольшие неоднородности молодой Вселенной не сформировались бы в сложные структуры, которые дадут начало жизни и цивилизациям. Без проблемы космологической постоянной разумные существа никогда бы не появились, и сформулировать саму эту проблему было бы некому.

Честно говоря, мы не знаем, как вычислить космологическую постоянную на основе имеющихся у нас теорий. При вычислении теоретического значения космологической постоянной мы сначала получаем бесконечно большой результат. Но при помощи некоторых грубоватых математических уловок можно сократить это бесконечно большое число до плотности, которая больше «всего» в 10⁵⁵ раз. Но, как показывает практика, наши теории частиц, квантовая физика и знания о гравитации еще несовершенны. Остается лишь надеяться, что появится более полная теория, которая объяснит, почему космологическая постоянная настолько мала.

Многие физики придерживаются иной аргументации. Они считают, что флуктуации вакуума вообще никак не связаны с космологической постоянной. По их мнению, более совершенная теория докажет, что эффект вакуумных флуктуаций полностью исчезает. Таким образом, они считают более разумным искать другую форму темной энергии и отталкивающих гравитационных сил, которые не являются флуктуациями вакуума и вполне могут не быть космологической постоянной. Позже мы рассмотрим некоторые из таких альтернативных предположений. Но перед этим давайте снова переместимся в космос. Ведь об ускоряющемся расширении нашей Вселенной свидетельствуют не только сверхновые.

3.4. Наблюдения, указывающие на темную энергию

Сверхновые – это классический пример проявления темной энергии во Вселенной. Они сыграли важную историческую роль, а также служат довольно точным индикатором скорости расширения Вселенной. Однако к предполагаемым стандартным свечам всегда стоит относиться с осторожностью. Наши выводы основываются на убеждении, что мы действительно наблюдаем стандартные свечи. Как мы уже видели, в понимании цефеид ученые долго топтались на месте, и Фриц Цвикки ошибся в вычислениях именно из-за недостатка знаний о них. Поэтому очень важно, чтобы были и другие независимые наблюдения, свидетельствующие о той же темной энергии. Мы рассмотрим некоторые из них, начиная с нашего старого знакомца – реликтового излучения.

Темная энергия в младенческой Вселенной

Мы уже знакомы с реликтовым излучением, этими микроволнами, настигающими нас со всех сторон. Излучение появилось, когда снижение температуры позволило электронам присоединяться к атомам, что сделало Вселенную прозрачной. Мы помним, как неоднородности материи формировались под влиянием огромных волн. Больше всего пятен на реликтовом излучении с радиусом примерно в один градус (см. схему на с. 105). Этот один градус – важное свидетельство в пользу существования темной энергии во Вселенной. Почему?

Снова вернемся к курсу школьной математики. Большинство все же выучило, что сумма углов треугольника равняется 180°. Но это не всегда так, в чем просто убедиться на практике: попробуйте нарисовать треугольник на сферической поверхности, например глобусе. Предположим, первый угол будет на Северном полюсе, проведите от него две линии на юг, к экватору так, чтобы между ними получился угол в 90°. Затем начертите новую линию вдоль экватора, соединяющую эти две. В итоге у нас получился треугольник, все углы которого равны 90°. Сумма углов вашего треугольника составит 270°. Говоря, что сумма углов треугольника составляет 180°, мы имеем в виду только треугольники на плоской поверхности. Когда же поверхность изогнутая, как Земля, сумма углов будет больше, чем 180°. А если поверхность, вогнутая внутрь (представьте седло для верховой езды), сумма углов будет меньше, чем 180°. Сумма углов треугольника может к тому же пригодиться при определении, как именно изгибается поверхность. Стоп! А каким образом все это связано со Вселенной?

Поверхность Земли обладает двумя пространственными измерениями. Вы можете двигаться вперед и назад, вправо и влево. Но не вверх или вниз: тогда вы покинете поверхность Земли. Поверхность земного шара – это двумерная поверхность, изогнутая в третьем измерении. Вселенная трехмерна, три ее измерения тоже могут изгибаться, но уже в воображаемое четвертое измерение. Визуализировать такую кривизну трехмерного пространства непросто, но рассчитать вполне возможно. Результат будет таким же, как на глобусе: сумма углов покажет кривизну пространства.

Чтобы исключение из правила 180° стало действительно заметно, понадобится большой треугольник. Вернемся к нашему глобусу: если нарисовать крошечный треугольник на большом глобусе, то внутри треугольника глобус будет практически плоским, а сумма углов останется равной примерно 180°. Отклонение видно, только когда треугольники становятся большими относительно кривизны пространства. Реликтовое излучение дает нам прекрасную возможность нарисовать космический мегатреугольник, линии которого доходят чуть ли не до Большого взрыва.

Представьте себе пятно протяженностью в один градус на реликтовом излучении. Можно вообразить, что мы рисуем треугольник, один угол которого берет начало от нас, а два других – по краям этого пятна. Затем можно измерить угол треугольника возле нас (который тоже составляет около одного градуса). А расстояние мы узнаем, высчитывая, насколько сильно красное смещение повлияло на микроволны. А еще можно рассчитать, насколько большим было пятно, когда только образовалось. Это возможно, так как физические законы, повлиявшие на формирование пятен, достаточно просты и хорошо изучены. Тот факт, что треугольник начерчен в расширяющейся Вселенной, только усложняет задачу, но это вполне можно учесть в расчетах. Таким образом, данных о треугольнике должно хватить для расчета суммы его углов. А зная сумму углов, можно многое понять о кривизне пространства. Получается, пятна протяженностью в градус могут использоваться для определения кривизны пространства. И они указывают на то, что Вселенная практически плоская.

К тому же существуют и расчеты, говорящие о плоскости пространства. А как это связано с темной энергией? Ну, смотрите: по уравнениям Эйнштейна искривление Вселенной определяется ее содержимым. Чтобы быть плоской, плотность материи должна соответствовать выделенному значению – так называемой критической плотности. Если сложить известную нам обычную и темную материи, то вместе они составят всего около 30 процентов критической плотности. Но реликтовое излучение как раз говорит о том, что Вселенная практически плоская, а потому и ее содержание должно соответствовать критической плоскости. Таким образом, содержаться в ней должно нечто большее, чем просто материя. В эту теорию отлично вписывается темная энергия. Она заполняет оставшиеся 70 процентов и способствует росту показателей. Тот факт, что в реликтовом излучении много пятен протяженностью около одного градуса соответственно дает нам серьезный повод принять темную энергию с распростертыми объятиями.

Рассказывая о реликтовом излучении, я упомянул, что это, вероятно, наш важнейший источник знаний о Вселенной. И вот теперь перед нами начинают вырисовываться очертания картины, которую мы видим благодаря реликтовому излучению. Сначала оно показало нам Вселенную, начавшуюся с Большого взрыва. Затем мы увидели, что высота различных пиков на рисунке на странице 105 говорит нам, сколько темной материи находится во Вселенной. И теперь мы знаем, что положение первого пика говорит о том, что Вселенная плоская и, следовательно, в ней содержится намного больше, чем обнаруженные нами обычная и темная материи.

Волны в миллионах галактик

Преимущество сверхновых заключается в том, что они позволяют нам понять, с какой скоростью расширялась Вселенная на протяжении истории. Недостаток же этих взрывающихся звезд – это множество связанных с ними неопределенностей. Я уже перечислял некоторые из них. Например, можем ли мы быть абсолютно уверены, что сверхновые – действительно стандартные свечи? Вспышки сверхновых зависят еще и от измерений дошедшего до нас света. Но ведь часть света спокойно могла затеряться по дороге. Достоверны ли наши представления о том, какое количество света могут задержать пыль и газ во время путешествия от далеких сверхновых?

Хорошо бы обзавестись альтернативой сверхновым, тоже показывающим, насколько быстро Вселенная расширялась в разное время, но не обремененным такими неопределенностями, как наши стандартные свечи. Один из вариантов – наблюдать за галактиками. За множеством галактик. Наша задача – составить карту их группировок, ведь у этих скоплений есть размер углового диаметра, который можно сравнить с линейкой.

Принцип стандартных свечей я объяснял на примере расположенных вдоль дороги факелов. Измерив дошедший от факелов свет, можно определить расстояние до них. Представьте, что вместо факелов стоят дорожные столбики одинаковой высоты. Мы можем измерить, насколько высоким выглядит отдаленный столбик, то есть насколько велик угол между его верхом и низом. Эту манипуляцию можно использовать для расчета расстояния до этого столбика. Таким образом, столбики становятся стандартной линейкой.

Чтобы найти стандартную космическую линейку, нам придется снова вспомнить о реликтовом излучении: между его пятнами и сегодняшним расположением галактик существует определенная связь. Еще раз взгляните на рисунок на странице 105: на нем мы видим пятна различных размеров. Пятна, как мы уже несколько раз упоминали, представляют собой зародыши структур, сформировавшихся во Вселенной позже. Плотные сгустки сжимались, образуя галактики и скопления галактик. Волновая карта реликтового излучения отражается в распределении галактик по небу. Это излучение достаточно хорошо картографировано и изучено. Расстояние между волнами на рисунке становится значением углового диаметра – известной мерой расстояния. Это похоже на огромную космическую линейку. В сегодняшней Вселенной она соответствует длине почти в 500 миллионов световых лет.

Таким образом, распределение галактик можно использовать как космические дорожные столбики. Измерим красное смещение и положение множества галактик, а затем посмотрим на галактики с одинаковым красным смещением. Изучив, каким образом эти галактики группируются, мы сможем распознать тот же волновой узор, который видели в реликтовом излучении. Следовательно, у нас есть стандартная линейка и ее можно использовать для определения расстояния. В результате получается ситуация, как со сверхновыми: у нас есть взаимосвязь между расстоянием и красным смещением. 1лядя на галактики со множеством разных красных смещений, мы можем построить временную шкалу скорости расширения Вселенной в разные периоды.

Сложность в том, что эти волны трудно измерить. Требуются точные наблюдения за очень многими галактиками. Таким образом, стандартная галактическая линейка не была открыта до 2005 года. В то время в рамках проекта Sloan Digital Sky Survey (Слоуновский цифровой обзор неба) была проанализирована выборка из почти 50 000 галактик, и в итоге ученым удалось распознать их волновую структуру. Позже волны наблюдались и в других проектах, так что космическая сверхлинейка была нанесена на карту с завидной точностью. Пока что наблюдения очень хорошо согласуются с измерениями сверхновых. Угловое расстояние и сверхновые помогают нам измерить примерно одно и то же, но методы и возможные ошибки в корне различаются. Похоже, темная энергия никуда уходить не собирается.

Исчезновение космических склонов

Есть еще один эффект, который мне бы хотелось упомянуть. Во-первых, он кажется мне забавным. А во-вторых, он показывает следы темной энергии не так, как сверхновые и стандартная линейка. Впоследствии он даже получил довольно звучное название – эффект Сакса – Вульфа.

Представьте, что быстро несетесь на лыжах. Вы резко отталкиваетесь, поэтому, скользя по лыжне, практически не теряете скорость. Посреди лыжни течет ручей. Перед тем, как пересечь ручей, лыжня резко опускается на несколько метров вниз. По другую сторону ручья она снова поднимается. Вы окажетесь на той же высоте, что и до перехода через ручей. Как будет меняться ваша скорость? По пути вниз к ручью скорость увеличится, и у вас будет максимальная скорость, когда вы пересечете ручей в нижней точке долины. На пути вверх вы потеряете скорость. Если у вас идеальное скольжение, то скорость, с которой вы закончите переход долины, будет такой же, как и до того, как вы подошли к ней.

А теперь заменим лыжника на фотон, световую волну, которая скользит по Вселенной. Наш фотон от реликтового излучения летит к Земле. Как и лыжник, фотоны могут наталкиваться на неровности и склоны на своем пути. Как мы помним, фотоны подвластны гравитации. Когда фотон движется в том же направлении, что и сила тяжести, он, следовательно, будет катиться под гору. Скорость света всегда одинакова, но энергия у фотона будет возрастать. Более высокая энергия соответствует более коротким длинам волн, то есть синему смещению. Соответственно, если фотон движется навстречу силе тяжести, он потеряет энергию, что приведет к красному смещению.

Факт влияния гравитации на световые волны доказан экспериментально. Впервые эффект изучили в знаменитом эксперименте Паунда и Ребки в 1959 году. В ходе него гамма-фотоны отправляли вниз с башни высотой 22,5 метра. Когда фотоны достигали нижней части башни, длина волны уменьшалась.

Во Вселенной этот эффект возникает, когда фотоны проходят сквозь обширные области, где плотность галактик больше, так называемые сверхскопления, то есть скопления скоплений галактик. При движении к центру сверхскопления фотон получит больше энергии и испытает синее смещение. А когда приходит время удаляться, на смену приходит красное смещение. Во Вселенной без темной энергии «подъем в гору» уравновесил бы «спуск». В этом случае длина волны фотона, вошедшего в сверхскопление, не изменится к моменту его выхода. Ситуация точь– в-точь как с быстро скользящим лыжником: после того, как он минует долину с небольшим ручьем, скорость станет прежней.

Но что происходит во Вселенной, в которой темная энергия все же существует? Сверхскопления, как правило, обладают протяженностью в несколько сотен миллионов световых лет, а потому фотону потребуется несколько сотен миллионов лет, чтобы пройти их. За это время произойдет синее смещение. Но по мере движения фотона темная энергия будет отталкивать друг от друга скопления галактик в сверхскоплении. Подъем фотона в гору, таким образом, отнимет у него меньше энергии, чем дал спуск. В результате у фотона, покидающего сверхскопление галактик, частично сохранится синее смещение. И снова проведем аналогию с ручьем в долине: это как если бы под землей сидел тролль и поднимал лыжную трассу вверх, пока человек находится в нижней точке. Тогда подъем будет короче, чем спуск, и скорость после пересечения долины увеличится.

А как этот эффект проявляет себя на небе? Давайте снова взглянем на карту реликтового излучения. Эту карту можно сравнить с составленными нами картами галактик. Неужели фотоны, прошедшие через сверхскопления галактик, становятся немного более «синими»? Да. Статистика так и говорит. Это еще один аргумент в пользу Вселенной с темной энергией – аргумент, основанный на совершенно иных механизмах, чем те, которые мы рассматривали ранее в книге.

Из-за чего возникает ускорение?

Как и в случае с темной материей, ускоряющаяся Вселенная тоже опирается на широкий спектр различных наблюдений. Мы полагаем, что ускорение вызвано темной энергией с отталкивающей гравитацией. Но что на самом деле представляет собой темная энергия?

Мы уже рассматривали космологическую постоянную Л. Эта идея так соблазнительно проста, ведь Л является своеобразным свойством пространства. А еще она прекрасно согласуется со всеми вышеупомянутыми наблюдениями. Тем не менее у теории есть свой скелет в шкафу – проблема космологической постоянной: почему Л настолько меньше теоретических предсказаний?

Еще одна концептуальная головная боль, связанная с Л, – это то, что мы называем проблемой совпадения. В сегодняшней Вселенной количество темной энергии сопоставимо с количеством материи. Конечно, совпадает не идеально: мы помним, что темная энергия составляет приблизительно 70 процентов. Но все же если темная энергия – это космологическая постоянная, которая существует совершенно независимо от материи во Вселенной, то почему ее, например, не в 100 миллиардов раз больше? Или в 100 миллиардов раз меньше? Может показаться странным, что два физически совершенно независимых явления оказались сопоставимы по размеру. Если темная энергия – это константа, то в первый период жизни Вселенной в ней будет доминировать материя. Потом несколько миллиардов лет будет продолжаться период, когда масштабы этих двух явлений сопоставимы. После этого господство во Вселенной уже окончательно перейдет к космологической постоянной. Разве не странно, что мы оказались в той очень маленькой части истории Вселенной, где темная материя и темная энергия встречаются в сопоставимых количествах?

С проблемами совпадения и космологической постоянной связана еще и проблема тонкой настройки Вселенной. Будь космологическая постоянная хоть чуточку больше, и структуры вроде галактик, звезд и планет просто не успели бы сформироваться до того, как отталкивающая гравитация захватила бы власть и начала мешать слиянию материи. Если темная материя на самом деле – космологическая постоянная, то, похоже, нам невероятно повезло, что она именно такая. В этом и заключается суть тонкой настройки Вселенной.

(Проблема тонкой настройки касается не только космологической постоянной, но и ряда других физических величин. Будь они не в точности такими, какие есть, нас бы тут не было. Подробнее об этом в последней главе.)

Проблемы космологической постоянной, совпадения и тонкой настройки Вселенной – весьма веские причины не ограничиваться моделью космологической постоянной для объяснения ускоряющегося расширения Вселенной. Но чтобы начать поиски другого претендента на роль темной энергии, необходимо сначала обосновать, почему космологической постоянной не существует. Многие физики считают, что легче принять тот факт, что космологическая постоянная равна нулю, чем объяснять, что она ужасно мала, но не равна нулю. Они полагают, что в белее совершенной физической теории эффект флуктуаций вакуума полностью исчезнет. И потому они считают более логичным поискать другую форму темной энергии и отталкивающей гравитации, нечто никак не связанное с квантовыми флуктуациями вакуума. В идеале мы должны найти модель, решающую концептуальные проблемы, о которых я говорил выше, или по крайней мере уменьшающую их количество. Самым популярным решением является введение понятия квинтэссенции.

Пятый элемент

Слово квинтэссенция отсылает нас к Древней Греции и учению о том, что все в природе состоит из четырех элементов: огня, воздуха, земли и воды. Некоторые полагали, будто здесь явно недостает пятого элемента – квинтэссенции. Аристотель считал пятым элементом эфир. Он утверждал, что если другие четыре элемента бренны, то небесные тела должны состоять из некой вечной субстанции. Поэтому он считал необходимым представить эфир как новый, экзотический элемент – квинтэссенцию. И поскольку Аристотель также отвергал возможность существования абсолютной пустоты, он воображал, что вся Вселенная заполнена эфиром. До начала XX века идея эфира существовала как гипотетическая «субстанция», находящаяся где-то в космосе. Тогда эфир рассматривался как среда, в которой могут двигаться электромагнитные волны, но с появлением специальной теории относительности Эйнштейна, исключающей единство пространства, потребность в эфире исчезла.

Современная квинтэссенция принципиально отличается как от понимания эфира Аристотелем, так и от концепции начала XX века. Это уже не вопрос вечного небесного элемента или среды для электромагнитных волн. Тем не менее аналогия с эфиром древности очевидна. Под квинтэссенцией сегодня мы подразумеваем тип физического поля, которое пронизывает всю Вселенную и порождает отталкивающие гравитационные силы.

(Идея современной квинтэссенции, обеспечивающей отталкивающие гравитационные силы, была введена еще в 1994 году немецким физиком Кристофом Веттерихом. Это было до того, как идея ускоряющегося расширения Вселенной действительно утвердилась.)

Мы уже касались концепции поля ранее, обсуждая электромагнитное поле. Поле – это физическая сущность, характеризующая пространство и способная меняться в зависимости от места и времени. Физики используют поля не только для описания электромагнетизма. Все частицы в Стандартной модели описываются как проявления различных квантово-физических полей. Поле квинтэссенции должно обладать особыми свойствами, ведь оно создает отталкивающую гравитацию. Опишу в общих чертах, какие отличительные характеристики присущи квинтэссенции.

Поле квинтэссенции должно быть скалярным. Скалярные поля – далеко не малоизученное физическое явление. Более того, они способствовали открытию бозона Хиггса. Любое скалярное поле будет связано с так называемым потенциалом. С потенциалом мы сталкиваемся и в повседневной жизни. Если положить футбольный мяч на вершину трамплина, то у мяча будет большой потенциал. А это означает, что он сможет катиться вниз с высокой скоростью. Если он скатится с холма и окажется на ровной поверхности, то достигнет предела своего потенциала и больше разгоняться не будет. Отталкивающую гравитацию может создать скалярное поле, потенциал которого медленно опускается, по при этом не достигает самого низа. Включение такого медленно катящегося вниз поля в уравнения Эйнштейна даст долгожданные отталкивающие силы гравитации.

Подобное скользящее вниз скалярное поле – отправная точка для всех форм квинтэссенции. Но ее модели существуют во множестве вариантов, каждый из которых предсказывает несколько иное поведение поля. Среди прочего поведение зависит от того, как именно происходит спуск поля. Таким образом, квинтэссенция – это не одна модель, а собирательный термин для большого количества различных моделей темной энергии.

Помимо того, что нам нужно найти какую-то форму темной материи, существуют ли другие причины полагать, что во Вселенной должны быть такие странные, скользящие вниз скалярные поля? Возможно. Помните, когда мы искали частицы темной материи, я рассказал о суперсимметрии – теории, описывающей, что может скрываться за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц. В большинстве суперсимметричных моделей может возникнуть скалярное поле, которое в теории могло бы создать квинтэссенцию. Но мы не знаем, существует ли суперсимметрия на самом деле, не говоря уже о том, как именно суперсимметрия себя ведет, и уж тем более понятия не имеем, способна ли она стать источником квинтэссенции. Так что по большей части все это лишь догадки.

Я писал, что основная мотивация при введении квинтэссенции заключается в том, что так мы частично решаем проблему совпадения, а именно почему сегодня во Вселенной материя и темная энергия сопоставимы по количеству. Почему? Существуют модели квинтэссенции, в которых ее поведение зависит от плотности других составляющих Вселенной. В некоторых таких моделях квинтэссенция начинает вести себя как темная энергия только тогда, когда Вселенная достигает определенной стадии в своей эволюции. В этих моделях, естественно, пройдет несколько миллиардов лет, прежде чем наиболее существенное поле начнет доминировать. Проблема совпадения в этом случае пропадет или по крайней мере станет менее значимой.

Кроме того, предпринимались попытки одновременно описать темную материю и энергию с помощью скалярных полей. На английском такие модели называются dark fluids (темные жидкости). Мотивация изучения подобных моделей вопросов не вызывает: когда есть два невидимых и не особо изученных элемента Вселенной, разве не естественно предположить, что между ними должна быть какая-то взаимосвязь? Идея заманчивая, но вот только помимо невидимости темную материю и энергию мало что связывает. Пока модели темной жидкости неспособны удовлетворительным образом объяснить все наблюдения.

Ускорение без темной энергии

До сих пор мы пытались объяснить ускоряющееся расширение Вселенной, добавив новый компонент – вещество с отталкивающей гравитацией. Или, иными словами, мы пробовали изменить правую часть уравнений гравитационного поля Эйнштейна, в которой описывается содержание Вселенной. Но, возможно, разгадка таится где-то еще. Может, ответ на вопрос о расширении Вселенной не найти среди необъяснимых малых флуктуаций вакуума и скатывающихся скалярных полей. Может быть, нам, как и в случае с темной материей, стоит поискать альтернативные теории гравитации? Или, говоря на языке ученых: возможно, искривление пространства-времени происходит не так, как предсказывают уравнения Эйнштейна? Давайте вспомним урок, которому нас научили истории Леверье и Эйнштейна, и допустим, что и темная энергия может оказаться Вулканом. Мы рассмотрим левую часть уравнений, где и таится расширение пространства-времени.

При изучении темной материи мы взглянули также и на альтернативную теорию гравитации – MOND. Согласно этой теории, гравитация на больших расстояниях становится сильнее, чем это предсказывают теории Ньютона и Эйнштейна. Так мы могли бы объяснить быстрое вращение галактик, не прибегая к темной материи. Но хотя гравитация в MOND ведет себя по-разному, она остается притягивающей. А ускоряющееся расширение Вселенной без отталкивающей гравитации не объяснить.

В то же время можно изменить теорию так, чтобы включить в нее отталкивающую гравитацию. Чтобы такая модифицированная теория могла описать Вселенную, где мы живем, она должна обеспечивать притягивающую гравитацию в планетных системах, галактиках и скоплениях галактик, в то время как отталкивающая гравитация затрагивает только самые большие масштабы в космосе. Ученые сформулировали несколько модифицированных версий уравнений гравитационных полей Эйнштейна, в которых нехватка содержимого во Вселенной приведет к отталкивающим силам. В ранней истории Вселенной материя была сконцентрирована относительно плотно, а силы гравитации доминировали повсюду. По мере того, как Вселенная расширялась и опустошалась, отталкивающие гравитационные силы захватывали все больше и больше пространства.

Вселенная с дополнительными измерениями

Еще один гораздо более экзотичный способ объяснить ускоряющееся расширение – ввести во Вселенную дополнительное измерение. Я затрагивал дополнительные измерения, когда писал о теории струн. Согласно теории струн, дополнительные измерения настолько крошечные, что в нашей повседневной макроскопической действительности их никак не разглядеть. А сейчас давайте познакомимся с другим типом дополнительного измерения.

В 2000 году ученые создали новую модель, названную моделью DGP в честь трех физиков, которые первыми ее предложили, – Георгия (Гия) Двали, Григория Габададзе и Массимо Поррати. Эта модель включает в себя дополнительное измерение пространства, но, в отличие от крошечных измерений в теории струн, в модели DGP оно весьма внушительное. Как же так получилось, что мы его не замечаем? Почему мы, трехмерные люди, не можем ворваться в четвертое измерение, прямо как двумерная нарисованная рука Мортена Харкета в трехмерный мир в легендарном музыкальном клипе A-ha на написанную в 1985 году песню Take on me? Все дело в том, что в модели DGP дополнительное измерение доступно лишь гравитационным силам. Все частицы Стандартной модели намертво привязаны к трем нашим измерениям. Внутри нашей Галактики и Солнечной системы гравитация, по сути, останется в пределах трех измерений. Но чем больше расстояния, на которые распространяются гравитационные силы, тем большая их часть «просачивается» в дополнительное измерение. В результате такой утечки гравитация на больших расстояниях ведет себя иначе.

При составлении уравнений гравитационного поля, которые включают это дополнительное измерение, оказывается, что модель DGP сможет обеспечить отталкивающие гравитационные силы, когда расстояния станут достаточно большими. И хотя пока космологическая постоянная лучше согласуется с наблюдениями, чем модель DGP, это хорошее доказательство того, что ускорение Вселенной можно объяснить далеко не единственным способом.

О чем нам говорят наблюдения?

Космологическая постоянная, квинтэссенции, модифицированная гравитация, дополнительные измерения… Похоже, я упомянул почти все модели, которые пытаются объяснить ускоряющееся расширение пространства. И как же нам понять, какое описание Вселенной верное?

Расставить все по местам нам поможет история Вселенной. Различные модели темной энергии будут соответствовать различным хронологиям расширения. А стандартные свечи и стандартные линейки могут помочь с картографированием расширения в разные периоды. Пока что большинство наблюдений, кажется, хорошо согласуется с существованием космологической постоянной. Но наблюдения все еще настолько неточны, что многие другие возможности остаются открытыми.

Сейчас планируется интересный эксперимент – исследовательский спутник под названием «Евклид». Проект разрабатывается Европейским космическим агентством (ЕКА), а запуск планируется в 2022 году. Основная задача «Евклида» заключается именно в проведении наблюдений, которые позволят различать разные модели темной энергии, задуманных для того, чтобы в ближайшие годы разобраться с нашими хаотичными представлениями об ускоряющейся Вселенной.