Знание-сила, 2006 № 08 (950)

Исследования продолжаются, идет накопление данных о сверхновых звездах. В начале 2006 года число этих звезд на нужных расстояниях превысило сотню. Но и этого все еще недостаточно для уверенных выводов, касающихся, например, уравнения состояния темной энергии. Как считают специалисты, для задач такого рода требуется не сотня, а скорее тысяча сверхновых. Возможно, этот рубеж будет достигнут к концу нынешнего десятилетия.

Тем временем присутствие антитяготения и темной энергии было замечено (в 2000 году) сравнительно недалеко от нас, на расстояниях в 1—3 Мпк. Это было сделано по наблюдениям движения близких галактик астрономами Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга при МГУ, Специальной астрофизической обсерватории РАН и Санкт-Петербургского университета в сотрудничестве с астрономами Финляндии. Тем самым было доказано, что темная энергия — это универсальный космический феномен, а антитяготение является всемирным — в том же смысле, что и ньютоново всемирное тяготение.

Сергей Ильин

Изучение далеких сверхновых звезд привело к установлению закономерности: начиная с какого-то времени скорость расширения Вселенной увеличивается. Вселенная стала расширяться ускоренно.

На первый взгляд это утверждение кажется безумным. Не встроено же во вселенную какое-то «распирающее устройство», которое запрограммировано включиться в определенный момент! Но если вдуматься, станет ясно, что дело может обстоять гораздо проще.

Представим себе, что во Вселенной есть некое постоянное, но малое «распирающее поле». По причине малости оно до поры до времени меньше поля гравитации вещества, которая тормозит расширение пространства. Но расширение все же происходит, и по мере роста «объема» Вселенной плотность вещества в нем уменьшается. Стало быть, уменьшается и гравитация. И наступает момент, когда исходно большая, но убывающая гравитация сравнивается с исходно маленьким, но постоянным «распирающим полем», а потом ему и уступает. И тогда это поле начинает все энергичнее «распирать» пространство, ускоряя его расширение.

Всякое поле — это распределенная в пространстве энергия, и загадочное «распирающее поле» — не исключение. Оно имеет энергию, — которая сразу же получила название «темной», — а потому имеет эквивалентную этой энергии массу, способно дополнить совокупную массу обычного и темного вещества таким образом, что вместе, втроем, они составляют как раз ту критическую массу, которая необходима для того, чтобы наша Вселенная была плоской. Это означает, что парадокс «недостающей массы» может быть разрешен, если принять, что недостающие 70 процентов критической массы привносит поле «темной энергии». Если в небесах есть парламент, то 70% мандатов в нем — это «квалифицированное большинство», которому принадлежит решающий голос, даже в самых важных вопросах.

И один такой вопрос напрашивается сразу: каково будущее Вселенной? Теперь оказалось, что это будущее существеннейшим образом зависит от решения «парламентского большинства», то есть от природы поля «темной энергии», а к пониманию этой природы теоретики еще только подбираются. На данный момент они предложили уже три различные возможности.

Первый раз темная энергия" замаскировалась под "ламбду", или "космологическую постоянную" Эйнштейна. В самом деле, в статичной модели Вселенной по Эйнштейну тоже было некое постоянное поле, которое ее "распирало" и тем самым уравновешивало стягивающий эффект гравитации, позволяя Вселенной оставаться статичной. На этом основании авторы первой гипотезы о природе поля темной энергии называли его "полем космологической постоянной". Но, в отличие от Эйнштейна, они могли теперь указать на происхождение этого поля. Знание это дала им теория инфляции Алана Гута, где оно, это поле, стремительно и чудовищно "раздуло" едва родившуюся Вселенную. Что же вызвало инфляцию?

В отличие от Эйнштейна, Алан Гут не придумал свое "распирающее поле". Он "вывел" его из теории элементарных частиц, которая приводит к выводу (а эксперименты на ускорителях его подтверждают), что "пустое пространство" на самом деле не пусто — оно битком набито "виртуальными частицами". То и дело из "ничего" рождается пара "частица-античастица" (например, электрон и позитрон), и, потанцевав, как мотыльки, в течение кратчайшего, отпущенного им принципом неопределенности, времени, они сгорают в пылких объятиях друг друга, проще говоря — взаимно аннигилируют, выделяя энергию в виде искорки фотона. Это рождение-исчезновение "виртуальных пар" в вакууме наводит на мысль, что в действительности вакуум наполнен невидимой энергией.

В ходе анализа этих выводов теории частиц Гут пришел к заключению, что вакуум может иметь несколько разных, отличающихся по энергии состояний, или "фаз", подобно тому, как обычное вещество может находиться в твердой, жидкой и газообразной фазах. Вакуум может переходить из одной фазы в другую, и наибольший интерес представляет собой переход из фазы "ложного" (весьма энергетического) вакуума в фазу вакуума "истинного" (с минимальной энергией). Этот фазовый переход напоминает собой процесс замерзания воды, и так же, как в случае воды, "ложный" вакуум может быть "переохлажден", так что он при первом удобном случае "разом" переходит в состояние "истинного", выделяя огромную энергию. Вот эта энергия и создает инфляционное "распирание" Вселенной.

Способность к такому "распиранию" — уникальная особенность "ложного" вакуума, которой нет ни у одного другого объекта. Все обычные материалы отличаются тем, что плотность энергии в них создается веществом, и если объем увеличивается (и соответственно плотность вещества уменьшается), то уменьшается и плотность энергии. Но энергия "ложного" вакуума целиком порождена полем, а поле при увеличении объема попросту заполняет весь новый объем, и потому плотность его энергии все время остается постоянной.

Неизбежно возникает вопрос: откуда берется новая энергия, чтобы при увеличении объема плотность оставалась постоянной? Гут объясняет это так. Положим, "ложный" вакуум заполняет находящийся в обычном вакууме цилиндр с поршнем, и поршень выдвигается, увеличивая объем "ложного" вакуума в цилиндре. Для того чтобы плотность энергии "ложного" вакуума осталась при этом неизменной, нужно, чтобы его энергия возросла, а для этого надо совершить над ним работу. В таком примере вполне понятно, кто ее совершает — это та невидимая рука, которая отодвигает поршень. Но почему же отодвигание поршня требует работы, если дело происходит в обычном вакууме? Единственное объяснение состоит в том, что "ложный" вакуум, видимо, оказывает сопротивление увеличению объема в цилиндре. Заметим, что если бы в цилиндре был обычный воздух, он тоже оказывал бы сопротивление — но сжатию поршня. Обычный воздух сопротивлялся бы вдвигаемому в цилиндр поршню своим давлением на него, направленным наружу, положительным давлением. Стало быть, "ложный" вакуум оказывает сопротивление вытягиваемому из цилиндра поршню своим давлением, направленным внутрь, или "отрицательным" давлением.