Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

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.

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.