Лиза Рэндалл - Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Темная энергия, на которую приходится основная часть — приблизительно 70% — всей существующей во Вселенной энергии, ставит перед учеными еще больше проблем, чем скрытая масса. Доказательством, убедившим физическое сообщество в существовании такой энергии, стало открытие того факта, что расширение Вселенной в настоящее время ускоряется — примерно так же, как это происходило в начале времен, в инфляционный период, но гораздо медленнее. В конце 1990–х гг. две независимые команды ученых, работавшие на космическом телескопе «Хаббл» над проектами по космологии сверхновых звезд (Supernova Cosmology Project) и по сверхновым звездам с большими красными смещениями (High‑z Supernova Team), удивили ученый мир открытием: скорость расширения Вселенной более не уменьшается, а наоборот, увеличивается.

До измерений сверхновых было получено несколько намеков на существование загадочной недостающей энергии, но доказательства были слишком слабыми. Однако в 1990–е гг. тщательные измерения показали, что отдаленные сверхновые звезды светят более тускло, чем ожидалось. Конкретный тип сверхновых отличается достаточно одинаковой и, главное, предсказуемой интенсивностью излучения, поэтому объяснить необычный фактор можно было только чем‑то новым. И этим новым стало, судя по всему, ускоренное расширение Вселенной, то есть сейчас считается, что Вселенная расширяется со все большей скоростью.

Ускорение, о котором идет речь, не могло возникнуть из‑за обычного вещества, гравитационное притяжение которого, наоборот, должно было бы замедлять расширение Вселенной. Единственным объяснением может быть Вселенная, расширяющаяся инфляционно, но с гораздо меньшей энергией, чем во время уже пережитой когда‑то фазы космологической инфляции. Причиной ускорения может быть только какая‑то сущность, играющая роль введенной Эйнштейном космологической константы, или, как ее назвали теперь, темная энергия.

В отличие от вещества, темная энергия оказывает на окружающее отрицательное давление. Обычное положительное давление побуждает вещество сжиматься, тогда как отрицательное давление вызывает все более быстрое расширение. Самый очевидный кандидат на роль источника отрицательного давления — космологическая постоянная Эйнштейна, представляющая энергию и давление, которые пронизывают Вселенную, но не связаны с веществом. Темная энергия — это более общий термин, которым мы в настоящее время пользуемся; тем самым мы допускаем, что соотношение между энергией и давлением, выраженное космологической константой, является не точным, а лишь приближенным.

Сегодня считается, что темная энергия — основной компонент энергии Вселенной. Это тем более замечательно, что плотность темной энергии, оказывается, чрезвычайно мала. Темная энергия доминирует во Вселенной на протяжении лишь нескольких последних миллиардов лет. До этого в эволюции Вселенной главную роль играли сначала излучение, затем вещество. Но плотность излучения и вещества снижается по мере их распределения по объему все расширяющейся Вселенной. С другой стороны, плотность темной энергии остается постоянной, несмотря на расширение. За то время, пока Вселенная достигла своего нынешнего возраста, плотность энергии в виде излучения и материи уменьшилась настолько, что на передний план вышла темная энергия, которая не «растекается» по растущему объему и не снижает своей плотности. Несмотря на невероятно низкую плотность темной энергии, когда‑нибудь она обязательно должна была перехватить лидерство. И вот после 10 млрд лет все более медленного расширения Вселенная наконец почувствовала влияние темной энергии и начала увеличивать скорость расширения. Со временем во Вселенной не останется ничего, кроме энергии вакуума, а ее расширение достигнет соответствующей скорости (рис. 77). Возможно, эта «кроткая» энергия и не будет определять развитие Земли, но Вселенную она, скорее всего, действительно получит в свое распоряжение.

РИС. 77. Вселенная в разное время своего существования расширялась по–разному. В инфляционной фазе она расширялась экспоненциально. После окончания инфляции началось расширение, соответствующее традиционной теории Большого взрыва. Теперь темная энергия заставляет скорость расширения вновь увеличиваться

Темная энергия и скрытая масса говорят о том, что мы не так уж преуспели в разгадке эволюции Вселенной, несмотря на невероятное совпадение космологической теории и ее прогнозов с экспериментальными данными. Большую часть Вселенной составляет нечто такое, о сущности и составе чего мы не можем ничего сказать. Лет через 20, может быть, наше сегодняшнее невежество будет вызывать лишь улыбку.

И это не единственная загадка, связанная с энергией Вселенной. Величина темной энергии, в частности, на самом деле представляет собой всего лишь «хвост» куда более значительной загадки: почему энергия, которая пронизывает всю Вселенную, так мала? Если бы ее суммарная величина была больше, она гораздо раньше по ходу эволюции Вселенной взяла бы верх над веществом и излучением, и структура Вселенной (и, естественно, жизнь в ней) не успела бы сформироваться. Кроме того, никто не знает, откуда раньше взялась огромная плотность той же энергии, запустившая и питавшая инфляционные процессы. Но самая крупная проблема, связанная с энергией Вселенной, — это проблема космологической постоянной.

Если исходить из квантовой механики, объем темной энергии должен был бы составлять куда большую величину и в инфляционный период, и сегодня. Квантовая механика учит нас, что вакуум — состояние, в котором нет постоянных частиц — на самом деле заполнен эфемерными частицами, которые то возникают, то исчезают вновь. Эти короткоживущие частицы могут обладать любой энергией — иногда настолько большой, что гравитационными эффектами от присутствия такой частицы уже нельзя пренебречь. Высокоэнергетические частицы придают вакууму необычайно большую энергию — намного большую, чем позволяет долгая эволюция Вселенной. Чтобы Вселенная выглядела именно так, как сейчас, объем энергии вакуума должен быть фантастически — на 120 порядков (!) — меньше, чем можно было бы ожидать исходя из законов квантовой механики.

Существует и еще один вопрос, связанный с этой задачей. Случайно ли мы живем именно в такое время, когда плотности энергии, связанной с веществом, скрытой массой и темной энергией, сравнимы между собой? Конечно, сейчас темная энергия преобладает над веществом, но менее чем втрое. Имея в виду, что все три вида энергии имеют принципиально разное происхождение и любой из них мог бы взять верх над остальными, тот факт, что их плотности близки, представляется чрезвычайно загадочным. Странность такого совпадения особенно заметна потому, что так дело обстоит только в наше время (грубо говоря). Ранее во Вселенной темная энергия играла заметно меньшую роль в общем балансе, а материя — большую. Спустя какое‑то время энергия будет играть намного более серьезную роль. Только сегодня все три компонента — обычное вещество, скрытая масса и темная энергия — сравнимы между собой.