Знание-сила, 2006 № 08 (950)

Мы приходим к выводу, что странная форма материи, плотность энергии которой всегда, при любом объеме, остается постоянной, должна обладать не менее странным свойством "отрицательного" давления (то есть, в сущности, всасывания). Может показаться, что в масштабах всей Вселенной такой "ложный" вакуум должен оказывать сопротивление ее расширению, должен замедлять его. Увы, во Вселенной нет понятий "наружу" и "внутрь", "ложный" вакуум наполняет ее целиком, и поэтому силы его отрицательного давления во всех направлениях взаимно погашаются. Но все же некое — и фундаментальной важности — действие он оказывает.

Дело в том, что согласно уравнениям теории гравитации Эйнштейна, давление, подобно массе, тоже создает гравитационное поле (для интересующихся: в уравнение для параметров, определяющих геометрию пространства, входят на равных гравитация и давление вещества Вселенной). А отрицательное давление "ложного" вакуума создает, естественно, отрицательный гравитационный эффект — не стягивание Вселенной, а ее расширение. Вот почему "ложный" вакуум способен ускорять расширение Вселенной (а при переходе в "истинный" вакуум — превращать это обычное расширение в стремительную инфляцию).

Такова, грубо говоря, теория, трактующая темную энергию как проявление вакуумных полей с отрицательным давлением, как некую "космологическую постоянную" (поскольку это поле в данной теории трактуется именно как постоянное). Такая теория предсказывает, что Вселенная будет расширяться бесконечно и все более ускоренно.

В результате очень далекие космические объекты должны достичь такой скорости удаления от нас, что свет от них никогда не сможет прийти на Землю, иными словами — в ускоряющейся вселенной появляется "горизонт", дальше которого никакие телескопы проникнуть не смогут.

И еще одно: обычное расширение Вселенной, то есть непрерывный "прирост" ее пространства, не порождает никаких сил и потому не влечет за собой никакого изменения (расширения) физических тел. Однако совсем иное дело — ускоренное расширение. Оно эквивалентно появлению некой силы, действующей на все тела в сторону их растяжения. Но эта сила очень мала, например, на поверхности Земли нынешнее ускорение расширения Вселенной порождает силу, равную 10 в минус 30- й степени от земного тяготения. А поскольку размеры любого тела определяются суммой всех действующих на него сил, появление этой новой, растягивающей силы вызовет просто крохотную перестройку всех прежних сил и приход Земли к новому равновесию в чуть более увеличившихся размерах.

Но если ускорение расширения будет нарастать (то есть само будет ускоренным), на тела будет действовать все более растущая сила, и это кончится разрывом не только тел, но и составляющих их атомов и даже элементарных частиц, составляющих эти атомы (так называемый Big Rip). Вселенная опустеет, и эта пустота будет продолжать свой ускоряющийся бег к бесконечности.

Гипотеза темной энергии как "космологической постоянной" имеет две трудности. Во-первых, теория частиц, из которой выведено существование вакуумных полей, предсказывает, что плотность их энергии должна быть фантастически огромной — на 120 порядков (то есть в 10 в 120-й степени) превосходящей ту ничтожную, реальную плотность темной энергии, которая следует из оценок критической плотности массы в плоской Вселенной. Но даже если принять, что реальная плотность темной энергии такова, что дополняет общую плотность вселенной до критической, вызывает удивление тот факт, что Вселенная так "тонко настроена". Как спросил один из физиков: "Откуда темная энергия знала, какой ей нужно быть, чтобы Вселенная стала плоской?" Как ни странен, на первый взгляд, этот вопрос, физики относятся к нему со всей серьезностью. Космические "совпадения" их настораживают, они ищут им причинные объяснения.

Так, нобелевский лауреат Стивен Вайнберг считает, что в этой "тонкой настройке" в действительности проявляется "антропный принцип", грубо говоря: мы видим именно такую плотность темной энергии, потому что, будь она иной, нас бы во Вселенной не было вообще (иными словами, наша Вселенная — единственная из множества возможных, которая имеет нужную для жизни критическую плотность). Но большинство других физиков предлагает иной выход из трудности — отказ от принципа постоянства темной энергии. Они отвергают теорию "космологической постоянной", заменяя ее теорией "темной энергии как квинтэссенции" (так называлась в старину "пятая сущность" природы, противопоставлявшаяся воде, земле, огню и воздуху).

Сторонники теории квинтэссенции (Пол Стейнхардт и другие) рассуждают так. Если темная энергия имеет постоянную плотность, то при всяком увеличении объема Вселенной общая величина этой энергии должна возрастать — например, при инфляции, когда объем Вселенной рос экспоненциально, так же должна была расти и общая величина темной энергии. Этот рост мог происходить только за счет вычерпывания начальной потенциальной энергии Вселенной, которая при этом становилась все более отрицательной. Выходит, начальная потенциальная энергия вселенной была "заранее так рассчитана", чтобы после инфляции и последующего "спокойного" расширения Вселенной в ней осталась как раз такая плотность темной энергии, чтобы обеспечить общую критическую плотность (то есть плоский характер пространства). Опять "тонкая настройка", да еще какая!

Не проще ли принять, что поле темной энергии имеет другую, не-вакуумную, не-постоянную природу — тогда оно могло бы меняться со временем: в период инфляции его плотность уменьшалась бы так же, как плотность первичной плазмы, потом — как плотность вещества, а еще позже, после образования во Вселенной крупных "комков" обычного и темного вещества (то есть галактик и их скоплений) — по собственному закону, оставаясь почти постоянной на фоне спадающей плотности вещества.

Эта причудливая и прихотливая смена поведения — не просто фантазия теоретиков. Уже показано, что в природе могут существовать некие особые поля — они получили название "трекерных", или "буксирных", — поведение которых как бы следует "на буксире" за поведением вещества или радиации (в зависимости от того, кто из них доминирует во Вселенной). У этих полей есть одна особенность — хотя им тоже соответствуют определенные волны, эти волны имеют огромную длину — порядка размеров Вселенной, и потому они с обычными частицами не взаимодействуют, зато с появлением таких же огромных "комков" вещества (галактик и их скоплений) тут же вступают с ними в "разговор" и меняют свое поведение в сторону превращения в "распирающие", ускоряющие расширение Вселенной поля. Так что начало ускоренного расширения вселенной (то есть переход поля темной энергии к постоянной плотности) и появление в этой Вселенной живых существ, которые наблюдают это ускоренное расширение, отнюдь неслучайно совпадают по времени: и то, и другое закономерно порождено эволюцией Вселенной, которая на определенном этапе пришла к образованию звезд, галактик и скоплений галактик. Без всякого "антропного принципа".