Коллектив авторов - Современная космология: философские горизонты

Своими корнями эта проблема восходит ещё к первым работам Фридмана и его моделям, физическая реализация которых зависит от средней плотности материи во Вселенной (её отличия от критической плотности). Величина плотности, отнесённая к критической (относительная плотность равная Ω . = ρ/ρ крит ), является одним из основных космологических параметров современной космологии.

После получения решений Фридманом и отказа космологов от Λ-члена под плотностью материи подразумевалась, прежде всего, плотность её вещественных форм. Доступные наблюдения ещё в 70-х годах XX столетия давали величину плотности, по крайней мере, в несколько раз меньше критической, что соответствовало фридмановской открытой модели. «… Значение критической плотности ρ крит ~ 10 -29/ 5х10 -30г/см -3(в настоящее время эта величина оценивается в ρ крит ~ 8x10 -30г/м -3— Т. Я.). Достаточно надёжно установлено, что средняя плотность материи во Вселенной ρ 0не меньше, чем ρ 0 = 3х10 -31г/см -3. Эта величина ρ 0определяется массой материи, входящей в галактики, и не учитывает массы межгалактического вещества… Не исключено, однако, что на самом деле плотность вещества больше — в частности, за счёт межгалактического ионизированного водорода или других труднонаблюдаемых видов материи [331] 1 Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. М., 1975.736 с. С. 31. . В дальнейшем действительно такие вещественные формы материи были обнаружены и получили название «тёмного вещества» или «скрытой массы». Однако в оценку современной плотности материи во Вселенной даже не они дают основной вклад. Впервые о возвращении в космологию Λ-члена заговорили ещё в конце 60-х — начале 70-х годов XX столетия в связи с обнаружением концентрации квазаров на определённом, достаточно большом от нас расстоянии [332] Там же. С. 128–129. . Для объяснения этого феномена и было предложено рассматривать космологиче-ские модели с Λ-членом, который в качестве физического содержания предполагает наличие «сил» отталкивания, «противодействующих» гравитационному притяжению. На протяжении почти трёх десятилетий такие модели фигурировали в теоретических работах, однако «не делали» в теоретической космологии «погоды», проблема квазаров предполагала и другие решения, а космологические модели с Λ-членом удовлетворяли не всем наблюдательным данным.

Ситуация коренным образом изменилась в 1998 г. В этом году две группы учёных, одна из Италии, другая из США, работая независимо, сообщили об одном и том же открытии — ускоренном расширении Вселенной [333] Cm. Adam G.Riess, Alexei V. Filippenko, Peter Challis, Alejandro CJocchiattia, Alan Diercks and other. Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant // arXiv: astro-ph/9805201vl, S. Perlmutter, G. Aldering, G. Goldhaber, R.A. Knop, P. and other Nugent Measurements of Omega and Lambda from 42 High-Redshift Supernovae // arXiv: astro-ph/9812133vl, G.Aldering, W. Althouse, R. Amanullah, J. Annis, P. Astier and other Supernova / Acceleration Probe: A Satellite Experiment to Study the Nature of the Dark Energy // arXiv.astro-ph/0405232 vl . И та, и другая группы наблюдали удалённые сверхновые, т. н. стандартные свечи. Процесс энерговыделения в них хорошо изучен, и на любом расстоянии они легко отождествляются. Расстояние до этих «свечей» (сверхновые Iа) было установлено по яркости вспышки, однако оно не совпало с расстоянием, вычисленным по эффекту Доплера. А это могло быть только в том случае, если они, принимая участие в крупномасштабном расширении Вселенной, удаляются от нас не с замедлением, как считалось ранее, а с ускорением. Отсюда как будто следовало, что во Вселенной присутствует некий феномен, «сила», которая не притягивает, как гравитация, а отталкивает друг от друга, и соответственно ускоряет космологические объекты. Эта «сила» отталкивания получила название «тёмной энергии». «Энергия» — из-за способности отталкивать и ускорять формы материи, а «тёмная» — потому, что этот феномен не проявлял себя никаким другим образом. На протяжении ближайших нескольких лет после этого наличие во Вселенной тёмной энергии было протестировано ещё несколькими способами — по анизотропии реликтового микроволнового излучения, по гравитационному линзированию, нуклеосинтезу теории горячей Вселенной, оценки постоянной Хаббла, и все они подтвердили её наличие. Стало очевидно, что плотность Вселенной имеет две компоненты: плотность вещества и плотность тёмной энергии Ω = Ω В+ Ω E. Были сделаны и численные оценки вклада плотности тёмной энергии в общую плотность. Различные оценки [334] Гинзбург. В.Л. О некоторых успехах физики и астрономии за последние три года // Успехи физических наук, 2002. Т. 172. № 2. С. 213–219; Lukash V.N. Cosmological model: from initial conditions to structure formation // arXiv: astro-ph 0712.3356vl, Lawrence M. Krauss The State of the Universe: Cosmological Parameters 2002 // arXiv: astro-ph/0301012 v2, и др. дают величину Ω Eпорядка 0,7 с небольшими погрешностями, что означает, что около 70 % плотности Вселенной составляет причина ускоренного расширения Вселенной — тёмная энергия. Природа тёмной энергии к настоящему времени не ясна, и эта проблема является одной из наиболее актуальных проблем современной физики [335] Гинзбург. B.JI. О некоторых успехах физики и астрономии за последние три года // Успехи физических наук — 2002. Т. 172. № 2. С. 213–219. . Изначально была надежда объяснить ускоренное расширение Вселенной, и соответственно 70 % вклада в её плотность физическим вакуумом с уравнением состояния p = — ω∙ε, где p — давление, ε — плотность энергии, а ω — коэффициент пропорциональности, для вакуума ω = -1. Однако результаты дальнейших исследований показали, что коэффициент ω может оказаться отличным от -1: это означает, что тёмная энергия может иметь более сложную природу, чем физический вакуум. Определение точного значения со в современную эпоху является одной из основных задач наблюдательной космологии. Факт нынешнего ускоренного расширения означает [336] См., например, Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski, Nevin N. Wein-ber. Phantom Energy and Cosmic Doomsday // arXiv: astro-ph/0302506 vl , что с необходимостью ω <- 1/3. Этот коэффициент не является величиной постоянной, а зависит от времени (и соответственно от Н). В ранней Вселенной он был больше -1/3, и, Вселенная расширялась с замедлением. Наблюдения показывают, что преобладание тёмной энергии и, соответственно, ускоренное расширение Вселенной началось около 5–6 миллиардов лет назад [337] См. Архангельская И.В., Розенталь И.Л., Чернин А.Д. Космология и физический вакуум. М., 2006. 216 с. . В случае, если -1 < ω < -1/3, предлагается модель «квинтэссенции» — формы материи, представляющее собой частицеподобные возбуждения нового, не сводящегося к известным видам полей скалярного поля. Однако, в настоящий момент неточность определения достаточна высока, и по одной из оценок [338] Vinod В. Johri Phantom Cosmologies // arXiv: astro-ph/0311293 v3 Разумеется эта оценка не единственна. В одной из работ (Ariel G. S'anchezl, and Carlton M. Baugh Cosmological Parameters 2006 // arXiv: astro-ph/0612743vl) значение со оценивается в пределах от -1.02 до -0.67. Исследование этого вопроса продолжается. со лежит в пределах -1.18 < ω < -0.93. В случае если ω < - 1, то в качестве «кандидата» на тёмную энергию предлагается фантомная энергия — до сих пор неизвестная форма материи, которым может быть новый тип поля [339] Sean М. Carroll. Why is the Universe Accelerating? // arXiv.astro-ph/0310342 vl . В случае, если же ω будет строго равна -1, то тёмная энергия будет отождествлена с физическим вакуумом. Кроме того, во Вселенной могут существовать и другие формы материи, описываемые другими уравнениями состояния: ω = -2/3 — доменные стенки (специфическая форма материи, отделяющая одну вселенную от другой, ω = 0 — обычное вещество, ω =1/3 — излучение и релятивистское вещество, ω >1/3 — мало обсуждаемое сверхсветовая форма энергии [340] Решение уравнений Фридмана с этим уравнением состояния см: Robert J. Nemiroff and Bijunath Patla Adventures in Friedmann cosmology: A detailed expansion of the cosmological Friedmann equations // arXiv.astro-ph/0703739v2 , причём значения ω могут принимать не только дискретные величины, кратные 1/3, но могут существовать «переходные» формы материи с ω, не кратной 1/3. Такое многообразие потенциальных возможностей существования различных форм материи позволяет сделать предположение о том, что значение ω, получаемое из наблюдений, может быть обусловлено многокомпонентной природой и тёмной энергии, и в целом физического «содержания» Вселенной. Впрочем, это всё не более, чем гипотезы, наравне с которыми существуют и другие, менее принятые, например, о том, что эффект тёмной энергии может быть связан со свойствами гравитации [341] Чернин А.Д. Тёмная энергия и всемирное антитяготение // Успехи физических наук, 2008. Т. 178. № 3. С. 267–300. .