Текст книги "Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса"
Автор книги: Йостейн Кристиансен
сообщить о нарушении
Текущая страница: 14 (всего у книги 15 страниц)
Именно хаос наставляет нас на истинный путь в попытках понять ускоренное расширение Вселенной. Нам приходится биться над необъяснимо малой космологической постоянной, множеством моделей квинтэссенции, странными законами гравитации и дополнительными измерениями. Кроме того, перспективы обнаружения темной энергии гораздо мрачнее, чем темной материи. Уже существует множество экспериментов, которые вот– вот обнаружат частицу темной материи. По сути, в любой день есть вероятность проснуться и узнать, что темная материя проявила себя где-то в том или ином эксперименте в какой-то шахте. А вот с ускоряющимся расширением Вселенной дела обстоят иначе. Здесь мы сталкиваемся с загадкой, которую, вероятно, придется разгадывать медленно. С более точными наблюдениями мы сможем значительно облегчить поиски, но нет гарантий, что мы вообще придем к однозначному заключению.
Существует несколько различных сценариев того, что нас ожидает. Первый и самый скучный вариант развития событий такой: все новые наблюдения прекрасно совпадают с космологической постоянной. Означает ли это полный отказ от всех альтернатив? К сожалению, нет. У всех моделей квинтэссенции есть кнопочки и рычажки, с которыми можно поэкспериментировать. Во многих из них можно настроить все так, что квинтэссенция будет похожа на космологическую постоянную в нужной нам степени. Таким образом, невозможно окончательно заключить, что мы имеем дело с космологической постоянной, основываясь только на наблюдениях за Вселенной. Тогда вся надежда на микроскопический квантовый мир. Не исключено, что появится более совершенная теория, подробно объясняющая, почему космологическая постоянная именно такая. Или, может быть, в ЦЕРНе обнаружат суперсимметрию, и, возможно, суперсимметрия откроет скалярные поля, которые дадут нам совершенно естественную квинтэссенцию. Кто знает?
В ходе другого, гораздо более захватывающего сценария благодаря усовершенствованным наблюдениям за Вселенной может выясниться, что темная энергия – это никак не космологическая постоянная. Возможно, тогда люди всерьез возьмутся за ускорение Вселенной. Может, наблюдения проложат дорогу к экзотической физике, которая включит в себя дополнительные измерения или скатывающиеся скалярные поля, и, возможно, это, в свою очередь, поможет физикам, изучающим элементарные частицы и стремящимся понять квантовый мир.
Надеяться на то, что крупные масштабы дадут нам необходимые ответы, не стоит. Альтернативные теории гравитации и дополнительные измерения, кстати, предсказывают эффекты, которые можно проверить и в нашей Солнечной системе. Например, модель DGP дает несколько иные прогнозы движения перигелиев внешних планет, нежели стандартная общая теория относительности. Расхождения слишком малы, чтобы провести четкое разграничение между моделями сегодня, но, возможно, это удастся сделать в последующие годы.
Ситуация на сегодняшний день такова, что модели темной энергии пока являются наиболее популярными для объяснения ускоряющегося расширения Вселенной. Как и с темной энергией, кажется, гораздо проще впихнуть что-то новое во Вселенную, чем менять законы притяжения. С каждым годом новые наблюдения все сильнее приближают нас к пониманию ускоренного расширения Вселенной. Благодаря разрабатывающимся масштабным проектам, например «Евклиду», будущее темной энергии выглядит весьма светлым. Но нельзя исключить, что решения этой загадки придется ждать еще долгие годы.
Жизнь в центре пузыря
Мне хотелось бы упомянуть еще об одной теории. Не потому, что я в нее верю, а просто потому, что это интересный и забавный пример, в котором еще и мораль присутствует.
Допустим, Вселенная не расширяется с ускорением. Не существует никакой темной энергии или больших дополнительных измерений, а в уравнениях Эйнштейна все сходится. Тем не менее нельзя забывать про наблюдения сверхновых и угловых размеров стандартных линеек. Как связать все это воедино? Давайте в первую очередь разберемся со сверхновыми. Разве сверхновые не показали нам, что Вселенная сегодня расширяется быстрее, чем раньше? Нет, они говорят об этом не напрямую. Сейчас объясню.
Наблюдая за далекими сверхновыми, мы заглядываем в прошлое. Именно этот эффект мы и используем для картографирования истории Вселенной. Но далекая сверхновая звезда показывает нам Вселенную не только такой, какой она была раньше, но и такой, какой она была где-то еще. Мы не можем взглянуть в прошлое, не увидев в то же время Вселенную в другом месте. А еще невозможно наблюдать за Вселенной в другом месте, не заглядывая при этом в прошлое.
Когда мы использовали сверхновые для выяснения истории Вселенной, то предполагали, что она по большому счету везде одинаковая. Мы предположили, что далекие сверхновые находятся в той части Вселенной, которая не отличается от нашей. Мы обнаружили, что в местах взрыва сверхновых расширение Вселенной происходило быстрее, чем сейчас около нас. Согласно нашим предположениям, различные скорости расширения обусловлены различием эпох. Но не связано ли видимое ускорение с тем, что мы смотрели на Вселенную в разных местах? И что отдаленные ее места ведут себя иначе, чем близкие?
Наблюдения за скоплениями галактик говорят о том, что Вселенная выглядит примерно одинаково во всех направлениях.
Но это совсем не значит, что Вселенная одинакова повсюду. Например, мы можем представить Землю в центре огромной пузыреобразной структуры во Вселенной. Около нас материя заполняет пространство не так плотно, но, если двигаться к границам пузыря, плотность материи увеличится. Из центра пузыря, где мы находимся, Вселенная может показаться одинаковой во всех направлениях. Но видимость обманчива.
В 2006 году трое норвежских исследователей – Ховард Ал– нес, Морад Амарцгиуи и Эйвинд Грён – опубликовали захватывающую статью. В ней они проанализировали наблюдения за вспышками сверхновых, исходя из предположения о том, что мы находимся в центре своеобразного пузыря, в котором плотность ниже, чем снаружи. В статье им удалось объяснить наблюдения, не прибегая к темной энергии и ускоренному расширению Вселенной. Как мы помним, чем больше материи, создающей гравитацию, тем сильнее замедляется расширение Вселенной. В неоднородной Вселенной в различных местах возможны различные скорости расширения. В местах большего скопления материи расширение медленнее, чем в более разреженных. Тогда если мы окажемся в центре менее плотного пузыря и посмотрим наружу, то с перемещением в пространстве и времени увидим все более плотные части Вселенной. Чем более далекие сверхновые мы видим, тем плотнее Вселенная и тем медленнее она будет расширяться. Чем ближе к нам сверхновые во времени и пространстве, тем быстрее расширяется Вселенная. То, что мы ранее интерпретировали как ускоренное расширение Вселенной, в этой модели объясняется тем фактом, что мы находимся в определенном месте во Вселенной.
Модель интересна и вполне привлекательна, ведь она способна описать наши наблюдения без привлечения новой неизвестной сущности. Тем не менее у нее не так уж и много последователей, да и сами авторы статьи больше склонны к идее темной энергии. Все дело в том, что модель пузыря создает кучу серьезных проблем. И хотя космический пузырь неплохо согласуется с наблюдениями сверхновых, у него возникают большие проблемы, когда дело доходит до реликтового излучения. Модель также не в силах объяснить наблюдения интегрального эффекта Сакса – Вульфа (эффект исчезнувшего горнолыжного склона). Еще одна проблема заключается в том, что модель размещает нас в весьма особом месте – ровно в середине огромного пузыря. Те же ученые исследовали в более поздней статье, насколько близко мы должны быть к центру пузыря, чтобы наблюдения соответствовали модели. Оказалось, что при перемещении в случайное место внутри космического пузыря вероятность оказаться настолько близко к центру, чтобы результаты наблюдений были верными, составляет всего один к миллиону. Таким образом, для того чтобы считать модель состоятельной, необходимо очень точное совпадение факторов, и трудно представить себе причину, которая приведет нас в самую сердцевину такого пузыря.
Несмотря на проблемы, у этой модели имеется мораль: выдвигая гипотезы, следует мыслить трезво. Вывод об ускоряющемся расширении Вселенной основан на предположении, что Вселенная везде одинакова. И хоть это и кажется вполне разумным, альтернативные варианты исключать нельзя.
3.5. Участь Вселенной
А что произойдет с нашей Вселенной в будущем? Будет ли она существовать вечно? Ответы на эти вопросы зависят от природы темной энергии. Давайте рассмотрим три различных сценария: вечное расширение, Большой хлопок вследствие коллапса или же Большой разрыв и гибель Вселенной.
Вечное расширение
Этот сценарий, пожалуй, наиболее вероятен и осуществится, если темная энергия окажется космологической постоянной. Как вы помните, по мере расширения Вселенной темная энергия начинает преобладать, а скорость расширения увеличивается.
И как же Вселенная будет выглядеть в долгосрочной перспективе? Структуры, которые сейчас крепко связаны гравитацией, например планетные системы, галактики и скопления галактик, так и останутся рядом. Но расстояние между скоплениями галактик значительно увеличится. Примерно где-то через 100 миллиардов лет – впрочем, все зависит от природы темной материи – объекты за пределами нашего Местного скопления галактик увидеть будет уже невозможно. По нашим оценкам, у Солнца закончится энергия и оно умрет примерно через пять миллиардов лет, поэтому Земля в любом случае станет непригодной для жизни задолго до того, как скопления галактик исчезнут из нашего поля зрения.
Для излучения света звездам необходимы легкие химические элементы, которые будут «сгорать» в термоядерных реакциях. Примерно через 1014 (сто тысяч миллиардов) лет все звездное топливо во Вселенной будет израсходовано. Последние звезды погаснут, и Вселенная станет темной. Эта темная Вселенная продолжит свое вечное расширение.
Коллапс – Большой хлопок
Большой хлопок, или Большое сжатие, – это Большой взрыв наоборот. Вселенная начнет сжиматься и в конце концов скол– лапсирует. Этот сценарий был популярен до открытия ускоренного расширения в 1990-х годах.
В мире без темной энергии судьба Вселенной зависела бы от количества материи. Если материя достаточно плотная, то гравитация начнет замедлять расширение до тех пор, пока оно не остановится.
Тоща Вселенная начнет сжиматься, и закончится все это Большим хлопком. Если плотность материи недостаточна, то гравитационные силы никогда не смогут остановить расширение. Да, Вселенная будет расширяться все медленнее, но никогда уже не начнет сжиматься.
Ранее мы рассматривали искривление пространства. Кривизна Вселенной определяется плотностью находящегося в ней «вещества». Я уже упоминал «критическую плотност ь» – эта величина описывает, насколько плотной должна быть материя, чтобы Вселенная была плоской. Плотность меньше критической приведет к искривлению, похожему на лошадиное седло. Такую Вселенную-седло, где сумма углов треугольника меньше 180°, мы называем открытой. Плотность, превышающая критическую, даст изогнутую внутрь Вселенную, как поверхность шара. Такую Вселенную называют закрытой. В этом случае сумма углов будет больше 180°. Оказывается, что плоская Вселенная, заполненная материей (без темной энергии), обладает недостаточной для большого сжатия плотностью. Открытая Вселенная без темной энергии тоже не сможет начать сжиматься. Закрытая Вселенная без темной энергии обладает достаточно большой плотностью, чтобы заставить Вселенную снова сжиматься. Именно поэтому наблюдения кривизны пространства стали столь важны для предсказания судьбы Вселенной.
Но после открытия ускоряющегося расширения пространства эта тесная взаимосвязь между искривлением и судьбой Вселенной пропала. Трудно представить, что Вселенная снова начнет сжиматься после того, как темная энергия в ней стала преобладать. Тем не менее пока мы на все сто не уверены в причинах расширения пространства, не стоит полностью исключать остальные варианты. Например, есть модели квинтэссенции, где темная энергия в конечном итоге перестанет отталкивать и начнет притягивать. Согласно этим моделям, когда-нибудь в будущем Вселенная может исчезнуть в результате Большого хлопка.
И хотя Большой хлопок – не самая вероятная судьба Вселенной, этот сценарий кажется мне очень привлекательным как для физиков, так и для простых любителей. Думаю, эта теория находит у нас отклик потому, что гораздо легче представить что-то имеющее конец, нежели нечто вечное. Кроме того, некоторые утверждают, что Большое сжатие может породить новый Большой взрыв и новую Вселенную. Таким образом, у нас получится длинная, возможно, бесконечно долгая череда Больших взрывов с Большими хлопками. Такая цикличность тоже может оказаться притягательной. Во-первых, она способна объяснить причину Большого взрыва. Во-вторых, наше расположение в космосе становится чуть менее особенным. Если Вселенной суждено вечно расширяться, то мы живем в особую эпоху, когда Вселенная допускает жизнь. Эта эпоха бесконечно мала по сравнению с бесконечной жизнью Вселенной. У многих такая мысль вызывает неприятие. В циклической Вселенной пригодные для жизни условия могут возникать снова и снова. Это делает нас менее особенными.
Идея Большого хлопка возникла довольно давно. Первым, кто применил общую теорию относительности для описания циклических Вселенных, был русский физик Александр Фридман – статью об этом он опубликовал еще в 1922 году.
(Здесь Фридман показывает, что общая теория относительности может дать «периодическую» Вселенную, которая расширяется и снова сжимается. По общему признанию, он не изучал более одного цикла в своей модели.)
Стоит также упомянуть, что мы понятия не имеем, приведет ли Большое сжатие к новому Большому взрыву. Пока у нас нет теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия, невозможно предсказать, что произойдет в случае коллапса.
Большой разрыв – когда Вселенная разрывается на части
В 2003 году была опубликована научная статья с живеньким заголовком: Phantom Energy and Cosmic Doomsday (Фантомная энергия и космический Судный день). В ней авторы описывают Вселенную с гипотетическим видом темной энергии, которую они называют фантомной. Мы помним, что космологическая постоянная обладает неизменной плотностью вне зависимости от того, насколько сильно увеличивается Вселенная. Фантомная энергия, как и космологическая постоянная, связана с отталкивающей гравитацией. Но в случае с фантомной энергией плотность будет увеличиваться вместе с расширением пространства. Таким образом, темная энергия становится все плотнее. Это приводит к еще более резкому расширению Вселенной, что, в свою очередь, приводит к еще большей плотности темной энергии. Через определенное время Вселенная расширится настолько сильно, что все связи между скоплениями галактик и галактиками полностью разорвутся. Затем на части разлетится Солнечная система. И в конце концов усиливающиеся отталкивающие силы все более плотной фантомной энергии разъединят все атомы и молекулы. Этот момент называется Большим разрывом и знаменует конец нашей Вселенной.
Позднее были выдвинуты различные модели поведения фантомной энергии. Большинство из них основаны на вариациях форм квинтэссенции. Как мы неоднократно упоминали, сегодня наблюдения указывают на то, что темная энергия подобна космологической постоянной. Но все же на основании наблюдений мы не можем полностью вычеркнуть вероятность существования фантомной энергии. И сколько тогда ждать до разрыва Вселенной? Ответ, естественно, зависит от природы этой формы энергии. Если сопоставить наблюдения Вселенной с простейшей моделью фантомной энергии, то Большой разрыв произойдет не раньше, чем через 100 миллиардов лет. Иными словами, беспокоиться пока особо не о чем.
А что произойдет после Большого разрыва? Образуются новые Вселенные? Время остановится? Мы не знаем. Отсутствие полноценной теории, описывающей фундаментальные взаимодействия, снова вставляет нам палки в колеса.
Хоть мы и не можем полностью исключить фантомную энергию и Большой разрыв, многие считают, что для этих моделей требуется нечто большее, чем экзотичная физика. На сегодняшний день наиболее правдоподобным кажется первый сценарий, тот самый, с вечно расширяющейся Вселенной, которая окажется в непроглядной темноте, но никогда не разорвется на части.
Что находится за пределами Вселенной?
Один из сложнейших вопросов, которые мне задают люди, узнав, что я астроном, вот какой: «Что находится за пределами Вселенной?» или «А Вселенная бесконечна?» Вопрос, конечно, слегка не по теме этой книги, но, поскольку мы начали двигаться в сторону бесконечности, возникает соблазн все равно осветить его.
Короткий ответ на эти вопросы: мы не знаем. Всю Вселенную мы не видим. Нам под силу разглядеть только те части, которые находятся достаточно близко, чтобы свету оттуда удалось достичь нас за время эволюции Вселенной. Когда мы смотрим на электромагнитное излучение, то границы наблюдаемого определяются реликтовым излучением. Высказываясь о том, как Вселенная выглядит за пределами космического горизонта, мы полагаемся исключительно на теорию, а не наблюдения. Тем не менее наблюдения, как мы убедились, показывают, что Вселенная везде одинакова. Поэтому давайте возьмем это за отправную точку. Мы также не утверждаем, будто за пределами Вселенной ничего нет. Вселенная включает в себя все существующее пространство. Само это пространство было создано в результате Большого взрыва, и говорить о чем-либо вне всего существующего не имеет смысла.
Бесконечна ли большая Вселенная или нет, зависит от кривизны. Сначала можно взглянуть на ситуацию с замкнутой Вселенной: пространство изгибается внутрь, как поверхность земного шара, а сумма углов треугольника превышает 180°. В этом случае Вселенная необязательно должна быть бесконечно большой. Как и в случае с глобусом, можно подумать, что если начать двигаться наружу в одном направлении и продвинуться достаточно далеко, то все равно вернешься именно туда, откуда начинал. На практике же это невозможно, ведь Вселенная расширяется. Даже если мы будем двигаться со скоростью света, постоянное расширение пространства гарантирует, что размер Вселенной будет постоянно увеличиваться быстрее скорости нашего движения. Это как улитка, пытающаяся обползти воздушный шар, а тот постоянно надувается, причем с достаточно высокой скоростью. В итоге улитка никогда не завершит круг. Измерения реликтового излучения показали нам, что Вселенная практически полностью плоская. Так что если она обладает внутренней кривизной, то искривление должно быть весьма незначительным. Это означает, что путь вокруг Вселенной сегодня должен быть очень длинным – намного длиннее, чем наблюдаемая Вселенная. Если Вселенная плоская или открытая, то, вероятнее всего, она бесконечно велика. Во всех случаях «вне Вселенной» ничего не существует. Насколько нам известно, границ Вселенная не имеет.
3.6. Невидимая Вселенная
За время чтения этой книги мы познакомились с темной материей и энергией, а именно с 95 процентами содержимого нашей Вселенной, которых мы не видим. Мы рассмотрели доводы в пользу существования темной материи и энергии и то, чем в итоге они могут оказаться. Осталось еще много вопросов без ответов, однако и известно нам немало.
В книге речь шла не только об этих невидимых субстанциях. Мы также поговорили о нашей Вселенной, о том, как мы действительно можем узнать что-то об огромном космосе, о том. что мы уже знаем и что нам только предстоит узнать.
Но наука ли это?
Можно ли считать научным заявление о существовании невероятных количеств невидимого вещества, о котором мы ничего не знаем? Да. Исследования темной материи и темной энергии – это не просто наука, а чуть ли не идеальный пример того, какой должна быть наука.
Наши познания в физике и о Вселенной развиваются благодаря взаимодействию теории и наблюдений. Наблюдать, не связывая увиденное с теорией, – это все равно что марки коллекционировать. Никакого понимания из этого не последует. Наблюдения становятся интересными только тогда, когда они используются для подтверждения или опровержения имеющихся у нас теорий. В то же время физические теории бесполезны, если их нельзя проверить на основе наблюдений. И когда теория и наблюдения не совпадают, правда всегда будет на стороне наблюдений. Хорошего исследователя отличает готовность опровергнуть даже дело всей жизни лучшего друга, если оно противоречит действительности.
В этом отношении теориям темной материи и энергии нет равных, ведь эти концепции нравятся лишь немногим физикам. Они «уродливые» и усложняют картину Вселенной, а введение новых неизвестных переменных в красивую теорию или модель не может пройти безболезненно. Поэтому столько камней и летит в альтернативные интерпретации наших наблюдений. Возможна ли ошибка в наблюдениях? Или что-то не так с самими моделями? Может, законы гравитации недостаточно точны? Вселенная-пузырь и теория MOND Милгрома – это попытки найти альтернативы темной энергии и темной материи. Для проверки моделей темной материи и темной энергии проводятся новые эксперименты, в результате которых осуществляются новые наблюдения. Мы ищем частицы темной материи в глубоких шахтах и запускаем спутники, чтобы нанести на карту космоса стандартные линейки. И все это для проверки наших моделей.
Большинство из нас все-таки считает, что темная материя и энергия существуют. Не потому, что нам нравится эта мысль, а потому что все факты на нашей стороне. Это и есть наука во всей ее красе.
