Книга: 100 великих загадок астрономии

Вселенная состоит из темной энергии?

Вселенная состоит из темной энергии?

Еще в 1917 году, описывая Вселенную, Альберт Эйнштейн ввел в формулу «космологическую постоянную» – своего рода «антигравитацию», энергию, свойственную пространству как таковому. В то время большинство ученых были убеждены в том, что Вселенная пребывает в равновесии. Без этой же константы она неминуемо расширялась или сжималась. Искусным хитросплетением формул Эйнштейн очертил космос, словно рамкой. Портрет его был завершен.

Однако факты все-таки вмешались и потрясли теорию Эйнштейна до основания. Разлетающиеся вдаль галактики, словно стены крепости, отброшенные взрывом, смели прежние построения знаменитого физика. Он списал космологическую постоянную за ненадобностью. Лишь полвека спустя новые астрономические открытия убедили научный мир в том, что интуитивный вымысел Эйнштейна имел самое прямое отношение к реальности.

В конце ХХ века в научных кругах утвердилась уверенность в том, что существует некая «энергия», определяющая судьбу Вселенной, ее неуклонное расширение. «В мире присутствует не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение», – пишет российский астрофизик А.Д. Чернин. Неизвестный вид энергии заполняет все пространство и вызывает взаимное отталкивание вещества. Природа этой энергии остается загадочной; она не может быть объяснена с позиций Стандартной модели космологии, поэтому ее и назвали «темной энергией». Это определение дал ей в 1999 году американский астрофизик Майкл Тернер.

По результатам наблюдений последних лет астрофизики создали новую модель Вселенной

Именно темная энергия считается теперь «мотором», приводящим Вселенную в движение. Она заставляет наш мир все быстрее расширяться. Она разбрасывает части космоса во все стороны, словно росток, пробиваясь из-под земли, раздвигает клейкие комки. Однако эта энергия столь же бесплотна, как тень, и призрачна, как мрак: она не взаимодействует с обычным веществом и не испускает электромагнитное излучение. Она равномерно распределена, и пока нигде не замечено сгустков темной энергии.

Открыли эту самую великую и неприметную стихию две группы ученых, наблюдавшие за отдаленными вспышками сверхновых звезд. В 1998 году руководители этих групп, американские астрономы Сол Перлмуттер и Адам Рис, а также их австралийский коллега Брайан Шмидт (в октябре 2011 года все они получили Нобелевскую премию по физике), опубликовали результаты исследования сверхновых типа Ia, взорвавшихся от 2 до 7 миллиардов лет назад. Речь идет о белых карликах, расстояние до которых мы можем точно определить. Оказалось, что они находятся на 10–15 % дальше, чем следовало бы, если бы расширение Вселенной замедлялось. Так ученые вынуждены были признать: что-то распирает космос, оказывает на него отрицательное давление.

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?