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

Стандартная космологическая модель наводит порядок везде – от картины послесвечения Большого взрыва до эволюции галактик. Но ей не обойтись без помощи темной материи – дополнительной невидимой субстанции, составляющей до четверти всего сущего, и темной энергии – таинственной экспансионистской силы, которая, возможно, и является владыкой Вселенной. Однако некоторые утверждают, что темная энергия – всего лишь иллюзия.

В сердце этого конфликта лежит космологический принцип, который утверждает, что Вселенная является более или менее одинаковой, независимо от того, где вы находитесь или куда вы смотрите. Попытки создать работающие модели Вселенной на основе известных своей неуступчивостью уравнений общей теории относительности принесли благотворный результат. С одной стороны, эти уравнения облекают в математическую плоть те параметры, которые искривляют пространство и время: материю, энергию и давление. С другой стороны, у нас есть описание их эффектов: как быстро расширяется пространство-время и насколько оно искривлено. (Пространство-время может быть свернуто само в себя, представляя собой как бы поверхность четырехмерной сферы, что называется положительной кривизной; или оно может быть вывернуто наружу с негативной кривизной; или же оно в целом плоское с нулевой кривизной.)

Построение космологической модели предполагает уравновешивание всех этих параметров для всей Вселенной, т. е. нужно подобрать правильное количество вещества для того, чтобы обеспечить нужное расширение и кривизну. Чтобы легче справиться с этой проблемой, космологи обычно представляют Вселенную однородной, в которой материя и энергия распределены равномерно, а средняя кривизна в общем и целом не меняется в пространстве и времени. Это приводит к решениям уравнений, которые описывают гладкий расширяющийся космос, а это есть стандартная модель Вселенной, возникшей в результате Большого взрыва.

Пару раз модель пришлось корректировать. Открытие факта, что галактики и скопления галактик вращаются слишком быстро для того количества видимого вещества, из которого они состоят, потребовало добавления темной материи в этот «астрономический коктейль». Кроме того, в 1998 году было обнаружено, что расширение происходит с ускорением. Добавьте постоянный или почти постоянный член в модель со стороны материи и энергии, и вы сможете сбалансировать уравнения, воспроизведя плоскую Вселенную с ускоряющимся расширением. Но никто не знает, что собой должна представлять эта константа, хотя модель и требует, чтобы она отвечала почти за 70 % полной энергии во Вселенной.

Именно под эти теоретические устои и подкапываются возмутители астрономического спокойствия. «Отбросьте предположение, что Вселенная однородна и неизменно плоская, – говорят они, – и вам не понадобится ни темная энергия, ни темная материя».

Уже в космическом микроволновом фоне мы видим зерна галактик и скоплений галактик, которые со временем полностью сформировались под действием гравитационного притяжения. По мере эволюции Вселенной постепенно образовалась паутина сверхплотных областей, а между ними открылись огромные пустоты с пониженной плотностью.

Каким образом это изменение в распределении материи сказалось на окружающем пространстве-времени? Скрытая масса галактик и скоплений галактик должна увеличивать кривизну близлежащего пространства-времени, делая ее более положительной (рис. 7.2). Между тем пустоты будут влиять на окружающее их пространство-время противоположным образом, сообщая ему отрицательную кривизну.

Французский ученый Томас Бюшер из Лионского университета-1 им. Клода Бернара (Франция) полагает, что результирующая кривизна производит впечатление наличия дополнительной материи. Поэтому и рождается иллюзия существования темной материи. Но с точки зрения Бюшера, это маловероятно. Другие свидетельства приводят к заключению, что темная материя должна существовать; некоторые данные (такие как следы звуковых волн, запечатленные на космическом микроволновом фоне в ранние годы жизни Вселенной) не могут быть объяснены иным способом.

Рис. 7.2. Искривление пространства

Поняв, что от темной материи трудно полностью отказаться, возмутители спокойствия положили глаз на более крупную цель – темную энергию. Финский ученый Сикси Расанен ( Syksy Räsänen ) из Хельсинкского университета предполагает, что локальные эффекты «обратного влияния», действующие между материей и пространством-временем, могут также менять геометрию Вселенной в целом. По мере того, как материя собирается во все более плотные и компактные структуры, доля пустот во Вселенной увеличивается, смещая среднюю кривизну в область отрицательных значений. Во Вселенной, кривизна которой со временем становится отрицательной, лучи света будут подвергаться искривлению, и все тела будут выглядеть более удаленными, чем в плоском пространстве-времени. Так можно построить модели, в которых не будет ни ускоренного расширения, ни темной энергии.

Таким образом решается еще одна проблема. В стандартной модели трудно объяснить, почему эффекты темной энергии начали проявляться только приблизительно 5 миллиардов лет назад, после того как Вселенная просуществовала уже 9 миллиардов лет. Этот факт имеет решающее значение: если бы темная энергия доминировала и раньше, Вселенная разлетелась бы на куски так быстро, что сейчас не было бы ни галактик, ни жизни, ни физиков, созидающих различные модели Вселенной. В гипотезе обратного влияния все становится просто: 5 миллиардов лет назад произошел перелом, когда в структуре Вселенной начали превалировать пустоты и общая кривизна пространства-времени стала отрицательной.

Расанен занимает весьма умеренную позицию, приходя к выводу, что «дело темной энергии» еще не закрыто и окончательный приговор не вынесен. Другие ученые, такие как Дэвид Уилтшир из Университета Кентербери в городе Крайст Чёрч (Новая Зеландия), выступают более решительно, заявляя, что никакой темной энергии не существует. Уилтшир, Бюшер и другие сторонники «обратного влияния» говорят, что они могут согласовать существующие наблюдения с моделями, не включающими темную энергию.

Наилучший способ окончательно разрешить проблему – создать общие релятивистские модели, которые воспроизводили бы эволюцию той «комковатой» Вселенной, которую мы наблюдаем. До последнего времени сделать это было невозможно, так как требовались огромные вычислительные мощности. Но сейчас две группы ученых под руководством Гленна Старкмана из Университета Кейс Вестерн Резерв в Кливленде (штат Огайо, США) и Тома Гиблина из Кеньон-колледжа в городе Гамбьер (штат Огайо, США) начали работать над созданием численных моделей Вселенной, используя весь мощный аппарат общей теории относительности. Предварительные результаты говорят о том, что эффекты обратного влияния действительно могут менять скорости локального расширения, но они недостаточно сильны, чтобы кардинально изменить общую кривизну Вселенной и создать наблюдаемое ускорение.