Коллектив авторов - Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной [litres]

Что будет означать для человечества реальное обнаружение темной материи?

Это будет сродни астрономической революции Коперника – еще одно подтверждение того, что мы не в центре Вселенной, и то, что мы принимаем за всю Вселенную, всего-навсего ее маленький ломтик. Одно дело – понимать это умом, как сейчас, и совсем другое – встретиться с этим открытием лицом к лицу.

В нашем космосе доминирует загадочная сила, называемая темной энергией. Подозрения о ее существовании впервые появились в результате решения уравнений Эйнштейна, за семь десятилетий до ее реального обнаружения [5] О реальности темной энергии пока говорить рано. Темная энергия в космологии – гипотетический вид энергии, введенный в уравнения для объяснения наблюдаемого расширения Вселенной с ускорением. – Прим. пер. . Темная энергия и темная материя довершают картину Вселенной, созданную Эйнштейном.

Она включает в себя две трети космоса, но до сих пор заставляет нас теряться в догадках. Что такое темная энергия: новое поле, новая сила или глубина нашего собственного невежества?

Пару десятков лет назад мы заметили, что некая таинственная субстанция расталкивает Вселенную в разные стороны. Эта субстанция действует повсюду, но мы ее не видим. Несмотря на то что она заполняет Вселенную больше, чем на две трети, у нас нет ни малейшего представления о том, что это такое, откуда она взялась и из чего сделана. По крайней мере, у нас есть имя для этого самого загадочного из всех «монстров»: темная энергия. В последнее время охота на эту субстанцию набирает скорость. На основе новых обзоров неба проводятся поиски ее возможных следов среди взрывающихся звезд и древних скоплений галактик. Вскоре к поискам присоединятся космические аппараты и гигантские наземные телескопы, в то время как некоторые физики пытаются уловить признаки темной энергии в лабораториях.

В настоящее время мы знаем, что темная энергия обладает тремя свойствами:

1. Она отталкивает. Неожиданная тусклость некоторых взрывов сверхновых, замеченных в 1998 году, подсказала нам, что они гораздо дальше от нас, чем мы предполагали. Кажется, что в некотором месте пространство начинает расширяться быстрее, как будто на него влияет какая-то сила отталкивания, действующая против притягивающей силы гравитирующей материи.

2. Ее очень много. Движение галактик и их скопления говорят нам о том, как много вещества находится во Вселенной, в то время как излучение космического микроволнового фона дает нам возможность оценить полную плотность материи и энергии. Второе из этих значений значительно превышает первое. Из этой оценки следует, что примерно 68 % всей Вселенной находится в некоторой нематериальной, энергетической и «расталкивающей» форме.

3. Темная энергия являет собой прекрасное «горючее» для подпитывания созидательных умов физиков, которые превращают ее в сотни различных фантастических форм.

Мы привыкли к тому, что гравитация притягивает предметы друг к другу. Поэтому существование космической силы, которая все расталкивает, просто приводит в замешательство. Поведение энергии вакуума также является странным: по мере расширения пространства появляется все больше и больше субстанции, ответственной за все более увеличивающуюся энергию. Можно провести аналогию с пружиной или резиновой лентой, которая натягивается при растяжении и накапливает энергию. Другими словами, энергия вакуума находится под натяжением.

Но разве может нечто, находящееся в состоянии растяжения, отталкивать тела? Скорее, они должны притягиваться, а не отталкиваться. И вот здесь интуиция нас подводит. Общая теория относительности, которая описывает поведение гравитации, оперирует не только понятием энергии, но также понятием давления. Высокое давление приводит к появлению притягивающего поля тяготения; наоборот, если есть растяжение, значит, должно присутствовать отталкивание.

Очевидно, такое объяснение никого не может удовлетворить. Знания по физике в объеме средней школы помогают преодолеть только половину пути и подойти к пониманию того, что темная энергия имеет растягивающую силу. А затем начинаются чудеса относительности, которые делают это растяжение отталкивающим. В попытках ответить на вопрос, что же собой на самом деле представляет темная энергия, возможно, мы натолкнемся и на объяснение того, почему она создает отталкивание.

Самым «ручным» из всех этих гипотетических монстров является космологическая постоянная, но и она склонна гулять сама по себе. Фактически это плотность энергии, присущая самому пространству, которая в общей теории относительности Эйнштейна создает отталкивающую гравитацию. По мере расширения пространства ее становится все больше, а ее отталкивание становится все сильнее по сравнению с притяжением все более и более рассеянной материи. Физика элементарных частиц может объяснить ее происхождение виртуальными частицами, которые появляются и исчезают в пузырящемся и неустойчивом квантовом вакууме. Проблема заключается в том, что эти частицы, по-видимому, обладают слишком большой энергией: по самым скромным подсчетам, примерно 10 120джоулей на кубический километр.

Это катастрофическое несоответствие оставляет простор для некоторых альтернативных теорий. Темная энергия может представлять собой энергетическое поле, которое является неотъемлемой частью пространства, изменяющееся со временем и, возможно, даже накапливающееся в разных местах. Она может быть модифицированной формой гравитации, которая на больших расстояниях способна действовать как отталкивающая сила. Например, в одной из теорий темная энергия принимает вид радиоволн, длина которых в триллионы раз больше, чем вся наблюдаемая Вселенная.

Астрономы хотят понять, изменяется ли темная энергия со временем. Если она изменяется, то это исключит космологическую постоянную, чья плотность должна оставаться неизменной. Напротив, энергетическое поле нового типа может становиться более слабым по мере растяжения пространства, а может и усиливаться, накачиваясь за счет расширения Вселенной. В большинстве модифицированных теорий гравитации плотность темной энергии также переменна. Она может даже увеличиваться на некоторое время, а затем, наоборот, уменьшаться.

Судьба Вселенной зависит от этого хрупкого равновесия. Если темная энергия остается постоянной, бо́льшая часть космического пространства будет все быстрее уходить вдаль, оставляя нас на маленькой островной вселенной, навсегда отрезанной от остального космоса. Если она усиливается, то все, в конце концов, может кончиться Большим разрывом, или даже ткань пространства будет становиться неустойчивой здесь и сейчас. Наилучшая оценка на сегодняшний день основана преимущественно на наблюдениях сверхновых и говорит о том, что плотность темной энергии довольно стабильна.