Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

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