Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

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.

(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.