Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Астрономы задались целью обнаружить Вулкан. Особенно тщательно его искали во время солнечных затмений, многие даже сообщали об успехе. Но ни одно наблюдение не убедило научное сообщество, и проблема усугубилась. В итоге решение пришло совсем с другой стороны и многим позже.

Альберт Эйнштейн предложил принципиально новую теорию гравитации. Хотя теория Ньютона и общая теория относительности основаны на радикально разных идеях, они делают много схожих предсказаний. В пределах Солнечной системы, безусловно, самое значительное (но все равно небольшое) расхождение касается движения Меркурия. Одним из первых триумфальных достижений теории Эйнштейна, уже вошедших в его оригинальную статью, была ее способность объяснить наблюдаемое движение Меркурия, не вводя дополнительную планету. Вулкан больше не вспоминали.

Открытие темной энергии потребовало изменения закона тяготения, и Эйнштейн модифицировал его с позиций общей теории относительности. Он учел темную энергию, дав ей другое название — «космологическая постоянная». В рамках концепций общей теории относительности это, по сути, был единственный способ изменить закон тяготения — ввести такой вот «свободный параметр». Когда Эйнштейн работал над уравнением, еще не существовало наблюдений, которые требовали бы ненулевой космологической постоянной, и в духе бритвы Оккама [133]Эйнштейн приравнял ее к нулю. Но она могла бы принять и ненулевое значение, если бы того потребовали наблюдения.

Подводя итог этим историческим параллелям, можно в шутку сказать, что темную материю породил Нептун, а темную энергию — Меркурий. А мораль в том, что у хороших научных загадок часто находятся достойные отгадки.

Темная материя

Современная проблема темной материи затрагивает всю Вселенную. Астрономы сталкиваются со множеством «избыточных» ускорений разных масштабов. Здесь я упомяну два класса наблюдений, которые охватывают десятки, если не сотни документально подтвержденных примеров.

Первый класс касается скорости, с которой звезды и газовые облака на внешних окраинах галактик вращаются вокруг этих галактик. Один из законов Кеплера, который, как мы знаем сегодня, следует из обеих теорий гравитации — Ньютона и Эйнштейна, — связывает скорость вращения по орбите с количеством находящейся у нее внутри массы. Таким образом, по этой скорости можно предположить, как распределяются массы в интересующей нас галактике. Но обнаружилось, что для объяснения наблюдаемых скоростей требуется наличие большой массы в местах, где излучается мало света. Практически все изученные галактики как будто окружены ореолами из темной (невидимой) материи. На самом деле правильнее сказать, что освещенная часть галактики — инородная примесь в облаке темной материи. И гало темной материи в сумме весит примерно в шесть раз больше, чем эта «примесь».

Второй класс наблюдений касается искривления света, или так называемого гравитационного линзирования. Астрономы во многих случаях отмечали, что изображение далеких галактик сильно искажено, как если бы вы смотрели на них через стакан с водой или бутылку из-под колы. В частности, это происходит, когда свет наблюдаемой галактики проходит через область пространства, содержащую кластер других галактик. Общая теория относительности предсказывает, что гравитация должна искривлять свет, поэтому существование гравитационного линзирования неудивительно. Удивителен его масштаб. И для объяснения такого эффекта астрономам нужно, чтобы галактики в кластере весили примерно в шесть раз больше, чем видимые звезды и газовые облака.

Эти и другие наблюдения говорят о том, что темная материя составляет около 25% массы Вселенной. Доля «обычной» материи — той, которую мы понимаем и из которой сделаны, — около 4%. Б о льшая часть того, что остается, — это темная энергия.

Темная энергия

Другой класс наблюдений приводит нас к темной энергии. Здесь важна предыстория.

Напомню, Альберт Эйнштейн сформулировал свою теорию гравитации — общую теорию относительности — в 1915 году, а вскоре, в 1917-м, изменил уравнения и ввел в них «космологическую постоянную». Физически введение этого параметра соответствует наделению ненулевой плотностью самого пространства. Ненулевое значение космологической постоянной означает, что каждая единица объема пространства вносит равный, ненулевой вклад в общую массу Вселенной, даже когда (как нам кажется) там ничего нет.

Ненулевая космологическая постоянная легко укладывается в рамки общей теории относительности, не требуя значительного изменения основных ее принципов. Материя искривляет пространство-время так же, как раньше, и так же реагирует на искривление. Космологическая постоянная просто учитывает возможность того, что само пространство-время — материя, которую наша теория позволяет изгибать, толкать и трясти, — также обладает инерцией. Другие возможные вариации общей теории относительности либо чрезмерно искусственны, либо приводят к малым физическим эффектам.

Универсальная плотность космического вакуума, соответствующая космологической постоянной, сопровождается другим специфическим свойством. Вместе с положительной плотностью массы пространства необходимо ввести отрицательное давление, абсолютная величина которого равна плотности, умноженной на квадрат скорости света. Это соотношение между плотностью и давлением для массы, связанной в космосе, и есть аналог соотношения для частиц E = mc 2, которое связывает их энергию с массой.

В 1990-х годах космологическая постоянная подверглась «ребрендингу» и стала темной энергией . Новое название отражает новое отношение. Современные физики извлекли уроки из понимания других сил и осознали: плотность пространства — не просто параметр, фигурирующий в общей теории относительности и не имеющий иного смысла. Он связан с остальной физикой, и на него могут влиять разные источники. Во Вселенной, наполненной вездесущими квантовыми полями, было бы удивительно, если бы космическое пространство не обладало инерцией.

В 1998 году астрономы «поймали» темную энергию. Точнее, они наблюдали, как скорость расширения Вселенной возрастает, что соответствует отрицательному давлению. Данные получили из измерений красного смещения, подобно тому, как это делал Хаббл, но с использованием сверхновых вместо цефеид — пульсирующих переменных звезд. Сверхновые намного ярче, и их возможно наблюдать на б о льших расстояниях.

Плотность пространства, которую ученые измерили, по всем меркам крайне мала. Объем пространства, равный объему Земли, весит около 7 миллиграммов. В пределах Солнечной системы или даже Галактики доля массы пустого пространства совершенно ничтожна по сравнению с массой обычной (или темной) материи. Но межгалактические пустоты настолько велики, что эта небольшая, зато рассеянная по всему космосу плотность вносит основной вклад в общую массу Вселенной.