Дэйв Голдберг - Вселенная. Руководство по эксплуатации

В 1998 году две группы исследователей под руководством соответственно Сола Перлмуттера и Адама Райсса вычислили расстояния до примерно 50 сверхновых, а поскольку они к тому же измерили красные смещения, то не только узнали, насколько эти сверхновые далеко, но и выяснили, насколько Вселенная с тех пор расширилась.

Обе группы — одновременно и независимо — пришли к интереснейшим выводам. Вселенная не замедляется, что произошло бы, если бы в нее засунули кучу вещества. Более того, она ускоряется.

Эйнштейн пришел к примерно такому же заключению, когда задумал общую теорию относительности. Эйнштейн назвал это космологической константой, и если вы когда-нибудь занимались математическим анализом, то помните, что в интегралах бывает «плюс константа». Если вы никогда не занимались математическим анализом, то не много потеряли.

Эйнштейн придумал космологическую константу, чтобы сделать Вселенную статичной, и был очень смущен, когда Хаббл открыл, что она расширяется. Однако, невзирая на замысел, космологическая константа обеспечивается безупречной математикой, и когда были получены результаты по сверхновым, интерес к космологической константе вспыхнул с новой силой. Однако на сей раз константу стали считать «темной энергией», которая наводняет Вселенную.

Эйнштейн заменил, что газ под сильным давлением обладает более сильной гравитацией, чем газ без давления вообще. Это важно, поскольку с математической точки зрения темная энергия обладает отрицательным давлением, то есть ведет себя как своего рода антигравитация, и именно поэтому Вселенная и расширяется. Мало того, по мере расширения Вселенной плотность этой энергии не снижается. Это как будто бы у вас была резинка, которую вы бы растягивали, растягивали, растягивали, а она почему-то не становилась бы тоньше. Вот типичная ситуация, в которой здравый смысл подведет кого угодно.

Думаете, это как-то неправдоподобно? Да нет. Мы уже видели что-то подобное в главе 2. Помните, мы говорили, что Вселенная наполнена энергией вакуума, поскольку фотоны то появляются, то исчезают? Помните, что если растянуть или смять коробочку с вакуумной энергией, ее плотность останется прежней?

Да, конечно, на первый взгляд мы просто играем с формулами, так что, вероятно, вам станет спокойнее, если мы скажем, что этот аффект уже пронаблюдали. В 1948 году Хэнк Казимир из Лейденского университета отметил, что если взять две металлические пластины в вакууме и держать их на небольшом расстоянии друг от дуга, они, как ни странно, начнут притягивать друг друга. А если пластины не заряжены электричеством, такого быть не должно. Все это обретает смысл, если мы предположим, что всю Вселенную пронизывает вакуумное поле. Поскольку электрические поля исчезают внутри металлов, вакуумное поле между пластинами окажется слабее, чем снаружи, и в результате пластины притянутся друг к другу.

«Эффект Казимира» — одно из самых ярких и прямых свидетельство, что энергия вакуума и в самом деле существует и обладает в точности теми качествами, которые мы искали в темной энергии.

Это нас радует.

А огорчает нас другое — ответ на вопрос, сколько во Вселенной темной энергии. Поскольку материя и энергия эквивалентны (как мы видели в главе 1), мы можем спросить, какова плотность темной энергии, и выясним, что Ω DEсоставляет около 72 % от космологических измерений. Мы написали DE, так как хотим напомнить, что говорим о темной энергии — Dark Energy. Это число должно нас обрадовать, поскольку если сложить плотность обычного вещества ( Ω B, около 5 %), темной материи ( Ω DM, около 23 %) и темной энергии ( Ω DE, около 72 %), то окажется, что общая энергетическая плотность во Вселенной обладает критическим Ω TOTв 100 %. Из этого проистекает несколько пикантнейших следствий.

Так вот что нас должно огорчать! Если мы правильно понимаем эксперимент с металлическими пластинами в вакууме, значит, и лабораторные эксперименты, и большинство теорий показывают, что энергии вакуума во Вселенной должно быть примерно 10 100раз больше, чем показывают космологические измерения.

Вот что для нас, физиков, и является «проблемой».

Мы придаем столько значения Ω TOT, поскольку плотность Вселенной не только говорит нам о том, как Вселенная будет развиваться, но и показывает, какой она формы.

Вот что мы имеем в виду. И Земля, и Тентакулюс VII, как мы уже говорили, занимают во Вселенной более или менее неподвижное положение. Далеко-далеко, в миллиарде световых лет от обеих планет, расположена цивилизация гиперразумных роботов кланконов под предводительством царя-астронома ХР-4. По чудесному совпадению в один прекрасный день Хаббл, ХР-4 и доктор Калачик одновременно получают изображения других двух звездных систем и измеряют угол между ними.

Погодите! При чем тут углы? Наверное, вы заметили, что, когда смотришь в ночное небо, трехмерной картины Вселенной не получается. Две соседние звезды могут быть действительно соседками, а могут оказаться рядом по случайности, потому что одна от нас далеко, а другая близко. На земле эти загадки легко решаются при помощи нашего волшебного бинокулярного зрения (благодаря тому что у нас два глаза, мы воспринимаем глубину пространства), но когда имеешь дело с далекими галактиками» то ничего не разобрать, поэтому единственное измерение, которое мы можем сделать при помощи простого наблюдения, — это угол, под которым расположены две звезды или галактики.

Продолжим наш извращенный эксперимент: все три цивилизации передают свои данные об углах друг другу. Теперь (ну, или через миллиард с чем-то лет) каждая из них знает величину внутренних углов равностороннего треугольника в пространстве.

Если нарисовать такой треугольник на листе бумаги, то заранее ясно, что каждый угол будет равен 60 градусам. Это схема того, что произошло бы в плоском мире, а мир был бы именно плоским, если бы Ω TOTсоставляла ровно 100 %.. Хорошо жить в плоских вселенных — там вполне можно положиться на интуицию.

Однако вселенная не обязательно должна быть плоской. Помните, что сказал нам Уилер, — что материя диктует пространству, как искривляться? Если Ω TOTбольше, чем 100 %, как это было бы, если бы во вселенной имелось гораздо больше вещества, космологи говорят, что вселенная «замкнута». На самом деле представить себе замкнутую геометрию проще простого. Она ведет себя практически как поверхность Земли. Если соединить три точки в треугольник, станет видно, что сумма его углов больше 180 градусов.