Знание-сила, 2006 № 08 (950)

Барионы и темное вещество, если рассматривать их в самом большом космологическом масштабе (100—300 Мпк и более), заполняют пространство однородно — в среднем по этим масштабам; излучение же почти идеально однородно и изотропно. Можно предположить, что и темная энергия тоже равномерно заполняет пространство. Для ЭГ-вакуума это определенно так; но то же самое весьма вероятно и в самом общем случае — это подсказывает то обстоятельство, что темная энергия обнаруживается и на самых больших, и на относительно малых расстояниях. Тогда из имеющихся сейчас наблюдательных данных вытекает, что на нее приходится приблизительно 70 процентов полной плотности современной Вселенной. При этом антитяготение оказывается, как мы видим, универсальным и притом доминирующим, судя по его плотности, феноменом природы. В наблюдаемой Вселенной антитяготение сильнее тяготения и в масштабе всего мира как целого, и в определенных локальных масштабах, о чем мы скажем в конце статьи.

Темная энергия ЭГ-вакуума, подобно идеальной сплошной среде, строго равномерно заполняет все пространство Вселенной и имеет всюду и всегда постоянную плотность. Плотность этой среды совпадает с эйнштейновской космологической постоянной (с точностью до численного множителя). Эта среда весьма необычна: ее плотность положительна, а давление отрицательно, причем по абсолютной величине давление равно плотности энергии (эти две физические величины имеют одинаковую размерность).

Связь между давлением и плотностью среды называют ее уравнением состояния. Как первым выяснил Гпинер, уравнение состояния темной энергии характерно для физического вакуума. Такое и только такое уравнение состояния удовлетворяет определению вакуума как среды, относительно которой движение и покой неразличимы. Это и только это соотношение между плотностью и давлением совместимо с понятием вакуума как формы энергии с всюду и всегда постоянной плотностью, — и притом в любой системе отсчета.

Стоит заметить, что отрицательное давление, с которым мы встречаемся в уравнении состояния вакуума, — не вполне обычное явление в физике. При «нормальных условиях» давление в «нормальной» жидкости или газе, как правило, положительно. Но и в жидкости (например, в потоках воды у винта теплохода), и в твердых телах (например, во всесторонне растянутой стальной болванке) отрицательное давление тоже может возникать. Это требует особых, специальных условий, но само по себе не является чем-то исключительным. Однако в случае вакуума ситуация совсем особая. Давление вакуума не только отрицательно, но к тому же, как мы сказали, равно — по абсолютной величине — его плотности энергии. Ничего подобного нет ни в одной другой среде. Это абсолютно и исключительно свойство одного вакуума и только его.

О вакууме в физике говорят давно, с 1920-х годов, когда возникла квантовая механика. Из этой науки вытекало, в частности, что у всех полей и частиц природы имеется состояние минимальной энергии, которое и называется вакуумом. Вакуум — не пустота, а минимальная энергия полей и частиц, вообще говоря, не равная нулю. Физический вакуум обладает определенной энергией, и эта энергия действительно может характеризоваться (на макроскопическом уровне описания) значениями плотности и давления. Не исключено, что ЭГ-вакуум тождествен вакууму физических полей. Можно думать, что темная энергия обязана своим существованием ненулевой энергии вакуума всех частиц и полей природы; такая идея была выдвинута Я. Б.Зельдовичем в конце 1960-х годов. Ее, однако, до сих пор так и не удалось доказать. Причина состоит в том, что для решения вопроса требуется как минимум построить сначала квантовую теорию гравитации и пространства-времени; но это столь трудная (и грандиозная) задача, что существующей фундаментальной теории она все еще не под силу. Тем более, что не все согласны, что пространство-время и тяготение вообще поддаются квантованию: не исключено, что это — сугубо классические объекты[* Подробнее об этом можно прочитать, например, в книге А. М Черепащука и А. Д. Чернина «Вселенная, жизнь, черные дыры». Век-2, 2003.].

Пора, однако, задать вопрос: почему темная энергия создает не тяготение, а антитяготение?

Все дело в том, что ЭГ-вакуум обладает, как мы уже сказали выше, не только определенной плотностью, но также и давлением. Причем это давление отрицательно. Согласно общей теории относительности, тяготение создается не только плотностью среды, но и ее давлением. Так что «эффективная» плотность, создающая тяготение, складывается из двух слагаемых: плотность плюс три давления. Так как давление равно минус плотности, такая сумма оказывается отрицательной и равной минус двум плотностям. Отсюда и антитяготение вакуума: отрицательная эффективная плотность создает «отрицательное» тяготение.

Если поместить в вакуум две частицы, которые в начальный момент покоятся, то он заставит их двигаться прочь друг от друга. В отличие от всемирного тяготения, всемирное антитяготение стремится не сблизить тела, а, напротив, удалить их друг от друга.

В 1998—99 годах две международные группы астрономов-наблюдателей, одной из которых руководили Брайан Шмидт и Адам Рис, а другой — Сол Перлмуттер, сообщили об открытии ускоренного расширения Вселенной. Это было установлено в наблюдениях далеких вспышек сверхновых звезд. Из-за их исключительной яркости сверхновые можно наблюдать на очень больших, по-настоящему космологических расстояниях. Опуская другие детали, скажем, что использовались данные о сверхновых определенного типа (1а), которые принято считать «стандартными свечами»; их собственная светимость в максимуме блеска действительно лежит в довольно узких пределах. Это позволяет проследить, как видимая, регистрируемая яркость источников зависит от расстояния до них.

Конечно, на небольших расстояниях это классический закон обратных квадратов; но на очень большом удалении источников становятся существенными космологические эффекты, и, значит, характер этой зависимости позволяет в принципе узнать нечто новое обо всей Вселенной.

Первая группа наблюдателей, сообщившая о своих результатах в 1998 году, располагала данными всего о 16 сверхновых нужного типа на нужных расстояниях; у второй группы накопились данные о 40 других сверхновых. И этого уже было достаточно, чтобы заметить космологический эффект в законе убывания видимой яркости с расстоянием. Оказалось, что убывание яркости происходит несколько быстрее, в среднем, чем этого следовало бы ожидать по космологической теории, которая до того считалась стандартной. Но это возможно тогда (и, как все сейчас думают, только тогда), когда космологическое расширение происходит с ускорением, то есть когда скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Ускорение же создается темной энергией с ее антитяготением, которое «подгоняет» галактики в их движении друг от друга.