Темна энергия во облацех
Современная теоретическая космология утверждает, что Вселенная на 90% состоит из неизвестных форм материи
 Расчеты, проводящиеся на современных суперкомпьютерах и использующие современные космологические теории, позволяют представить Вселенную как безбержный океан темной энергии, из которого кое-где пылающими точками вырываются галактики. Словно тонкими нитями разреженная светящаяся материя соединяет их в своеобразную ячеисто-сетчатую структуру. Иллюстрация: James Wadsley, McMaster University, Hamilton, Ontario |
Обыденное сознание никак не может привыкнуть даже к той картине мира, которую нарисовала наука к середине прошлого века, а открытия последних десятилетий уже заставляют её самым радикальным образом перерисовывать. За чредой всевозможных новостных сообщений научного характера специалистам бывает непросто уловить «сверкающий изумруд»
История её открытия весьма примечательна. Общепринято считать, что впервые представление об антигравитации ввёл Альберт Эйнштейн. Однако ещё в
Как ни странно, соображения Эйнштейна были во многом сходными, и в 1917 году он ввёл в одно из уравнений своей теории слагаемое, названное им
Не прошло и десяти лет, как он согласился с идеей изменения Вселенной как целого и назвал введенный некогда
 Итог десятилетних наблюдений за сверхновой 1987 года привели к шокирующему результату, объявленному журналом «Science» «главным прорывом 1998 года». По этому поводу один из главных героев события профессор Калифорнийского университета в Беркли Сол Перлмуттер был сфотографирован на фоне сильно увеличенного изображения сверхновой. Фото: Lawrence Berkeley National Lab |
К этому времени всё более становилась очевидной фундаментальная роль физического вакуума. И не только в физике микромира, но и в более крупномасштабных процессах, связанных с возникновением нашей Вселенной. В частности, создаваемая в послевоенные годы Фейнманом, Дайсоном и Швингером квантовая электродинамика давала бесконечное значение для энергии вакуума, и это обстоятельство долгое время считалось одной из главных сложностей теории. А в 19
Идею «всё из вакуума» высказывали всегда, а теперь появились и
Приоритет открытия принадлежит двум независимым группам исследователей — астрономов и астрофизиков. Первая находится в Северном полушарии (США), ею руководит Сол Перлмуттер (), другая в Южном (Австралия), ею руководит Бриан Шмидт (). Наблюдая удалённые на очень большие расстояния (несколько миллиардов световых лет) сверхновые звёзды, учёные обнаружили, что эти звёзды имеют меньшую яркость, чем ожидалось. Подобный результат означал, что эти объекты удаляются от нас с ускорением, причину которого и назвали «тёмной энергией».
Отказ Эйнштейна от
 Ясность в вопрос о темной энергии должно внести наблюдение за сотнями или даже тысячами сверхновых. Проделать это, возможно, удастся с помощью орбитальной обсерватории SNAP. Возможно, она будет выглядеть |
В описании этого вполне уместна аналогия растягивающегося резинового жгута. Растяжению (расширению) этого жгута можно поставить в соответствие расширение самого пространства, а силам, «пытающимся» вернуть жгут в исходное положение — гравитационные силы. Очевидно, что под действием гравитации скорость расширения уменьшается, и даже может со временем смениться сжатием. Открытие 1998 года показала, что Вселенная расширяется ускоренно. А это могло означать только одно: во Вселенной присутствует некая «сила», причём более «мощная» чем гравитация, которая преодолевает тормозящее действие гравитации.
Разумеется, понятие «сила» в данном случае не корректно, поскольку в общей теории относительности, которая является одним из основных элементов теоретического фундамента современной космологии, в математическом формализме и смысловом содержании «силы», как таковые отсутствуют, и причиной движения является энергия. Поэтому данный феномен и получил название «энергия». Прилагательное «тёмная» к ней приложили потому, что она не наблюдаема и никаким другим способом, кроме как ускоренного расширения Вселенной, себя не проявляет.
Немного позднее, в начале нового века и тысячелетия удалось все же обнаружить и другие проявления существования «тёмной энергии». В частности, именно она вызывает анизотропию микроволнового реликтового излучение. Естественно, и это открытие не решило вопрос о природе темной энергии. Сказать, что первый «кандидат» на отождествление данного феномена с физическим объектом — это физический вакуум, явно недостаточно. К тому же дальнейшие исследования заставили поставить это под сомнение даже это расплывчатое утверждение, вынудив учёных на поиски других «кандидатов».
Математически различие между формами материи выражается элементарно просто. Одним из уравнений, определяющих глобальную эволюцию Вселенной, является уравнение состояния каждой из этих форм, устанавливающее соотношение между её давлением и плотностью энергии (или количеством этой формы материи на единицу объёма). Давление всегда прямо пропорционально плотности. Иными словами, уравнение состояния выглядит следующим образом: Р = –nE, где Р — давление, а E — плотность энергии.
Однако поведение материи зависит не столько от плотности как таковой, сколько от эффективной гравитирующей плотности, равной E + 3P. Все различные формы энергии отличаются друг от друга лишь коэффициентом n. При n = 1 будет физический вакуум, для него эффективная гравитирующая плотность окажется отрицательной, E + 3P = –2E, именно это обусловливает «силы» отталкивания. Физический вакуум «несёт ответственность» за Большой Взрыв, и из него появилась наша и другие вселенные. Если будет доказано, что тёмная энергия есть только физический вакуум, то это будет означать, что причины ускоренного расширения те же, что и породили нашу Вселенную.
Между тем, некоторые современные данные говорят, что феномен тёмной энергии целиком сводить только к физическому вакууму не вполне правомочно. Судя по последним данным, тёмную энергию более адекватно описывает многокомпонентная модель, где кроме физического вакуума присутствуют ещё несколько других составляющих. Одна из них — так называемая . Для неё n = 2/3. Физически она представляет собой ещё один, пятый вид взаимодействия (кроме уже известных четырёх: гравитационного, электромагнитного, сильного, слабого). Это достаточно специфическое состояние материи, но — это поле. Кроме того, составной частью тёмной энергии может являться и — так же уникальная, но теоретически понятная нам форма материи.
 На диаграмме показаны различные формы материи, упорядоченные по степени их распространенности во Вселенной. Самая известная среди них реже всего встречается. Иллюстрация: Ann Feild (STScI) |
Однако может случиться и так, что этим «списком» составные тёмной энергии не исчерпываются, и в её состав входит ещё один компонент, так называемая . Природа этой фантомной энергии совершенна не ясна, очевидно только, что это не вещество. Вполне вероятно, что её не удастся отождествить (как это удалось сделать с квинтэссенцией) с новым видом поля, и тогда можно будет говорить о том, что физики столкнулись с ещё одним, после вещества и поля, фундаментальным типом материи, и тогда это открытие с полным правом можно будет считать одним из самых выдающихся открытий в истории человеческой цивилизации.
Основной фундаментальной задачей современной физики как раз и является полное установление природы тёмной энергии. Для этого астрономы — наблюдатели должны более точно установить коэффициент n у всех её слагаемых, а теоретики построить теоретическую модель, соответствующую этим наблюдательным данным. Когда и кем это будет сделано — покажет время, однако не вызывает сомнения то, что нобелевский комитет ещё не раз объявит своих лауреатов в области физики с формулировкой «за исследования, связанные с установлением природы тёмной энергии».
И в заключение хотелось бы сказать ещё об одном. Систематические наблюдения показывают, что с ускорением движутся только те объекты, которые находятся от нас на расстояниях порядка восьми миллиардов световых лет. А это означает, что факторы, определяющие ускорение Вселенной, «вступили в игру» только приблизительно последние восемь миллиардов лет. Как поведёт себя Вселенная в будущем — то же не совсем ясно. Факторы, определяющие это ускорение, могут действовать как некоторый промежуток времени, так стать и постоянными. В первом случае по окончании действия этих факторов ускорение сменится замедлением, и эволюция Вселенной в будущем будет определяться в рамках моделей, хорошо разработанных ещё в ХХ столетии. Если же факторы, определяющие ускорение, будут постоянными, то рано или поздно все вещественные сложные высокоорганизованные формы материи (в том числе и человек) «размажутся» по пространству, что, конечно же, несовместимо с их существованием. Однако вопрос о том, какой же сценарий реализуется в будущем, пока остаётся открытым.
Читайте также в журнале «Вокруг Света»:
Яков Тарароев, 23.03.2007
Новости партнёров