Ускоряющаяся Вселенная

С конца 1920 годов, когда Хаббл сделал свои наблюдения, мы твердо уверены, что живем в расширяющейся Вселенной. Общая теория относительности Эйнштейна обеспечивала открытию Хаббла естественное толкование: расширение – это растягивание самой ткани пространства-времени. Расстояние между любыми двумя галактиками растет, как растет расстояние между любыми двумя бумажными кружочками, наклеенными на поверхность резинового мячика, когда этот мячик надувают. Однако подобно тому, как притяжение Земли замедляет движение любого предмета, подброшенного вверх, можно ожидать, что расширение Вселенной должно замедляться из-за гравитационного взаимодействия всей материи и энергии в ней. А в 1998 году две группы астрономов независимо открыли, что за последние шесть миллиардов лет расширение Вселенной вовсе не замедлилось – напротив, оно ускорилось! Одну группу – «Supernova Cosmology Project» – возглавлял Сол Перлмуттер из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, а другую – «High-z Supernova Search Team» – Брайан Шмидт из обсерваторий Маунт-Стромло и Сайдинг-Спринг и Адам Рисс из Университета Джона Хопкинса и Института исследований космоса с помощью космического телескопа (STSI).

Открытие ускоренного расширения Вселенной сначала стало настоящим потрясением, поскольку предполагало наличие какой-то отталкивающей силы вроде той, на которую указывала космологическая постоянная: эта сила должна была подхлестывать расширение Вселенной. К этому неожиданному выводу астрономы пришли на основании наблюдений очень ярких вспышек звезд – так называемых сверхновых типа Ia. Вспышки эти такие яркие (в период максимальной яркости такая сверхновая излучает больше света, чем вся галактика, в которой она находится), что их можно обнаружить даже на расстоянии в половину наблюдаемой Вселенной и еще некоторое время после вспышки наблюдать эволюцию их яркости. Кроме того, сверхновые типа Ia особенно хорошо подходят для подобного рода исследований благодаря тому, что они представляют собой превосходные стандартные свечи – на пике яркости у всех таких сверхновых примерно одинаковая абсолютная светимость, а небольшие отклонения можно откорректировать эмпирически. Поскольку наблюдаемая яркость источника света обратно пропорциональна квадрату расстояния – объект, расстояние до которого в три раза больше, в девять раз тусклее – то если знать его истинную светимость и измерить наблюдаемую, можно вполне надежно определить расстояние до него.

Сверхновые типа Ia очень редки, в пределах одной галактики они возникают примерно раз в сто лет. А значит, каждой группе пришлось изучить тысячи галактик, чтобы получить выборку из нескольких десятков сверхновых. Астрономы определили расстояние до этих сверхновых и до их галактик и скорость удаления последних. Располагая этими данными, они сравнили свои результаты с предсказаниями линейного «закона Хаббла». Если бы расширение Вселенной замедлялось, как все думали, то оказалось бы, что галактики, находящиеся на расстоянии, скажем, двух миллиардов световых лет, оказались бы ярче, чем ожидалось, поскольку находились бы несколько ближе, чем предсказывает модель равномерного расширения. И тут Рисс, Шмидт, Перлмуттер и их сотрудники обнаружили, что далекие галактики тусклее ожидаемого, а значит, успели отдалиться сильнее. Точный анализ показал, что такие результаты предполагают космологическое ускорение, происходящее, по крайней мере, примерно в течение последних шести миллиардов лет. В 2011 году Перлмуттер, Шмидт и Рисс получили за свое поразительное открытие Нобелевскую премию.

После 1998 года, когда было открыто ускоренное расширение Вселенной, то и дело появлялись новые детали головоломки, и все они свидетельствовали в пользу того, что существует какая-то неизвестная форма равномерно распределенной энергии, которая продуцирует отталкивающую гравитацию, а та заставляет Вселенную ускоряться. Сначала была значительно расширена выборка сверхновых, и теперь она покрывает большой диапазон расстояний, так что на ее основании можно делать значительно более надежные выводы. Рисс и его сотрудники провели дальнейшие наблюдения и показали, что нынешней фазе ускорения продолжительностью в шесть миллиардов лет в эволюции Вселенной предшествовала эпоха замедления. И складывается прелестная, убедительная картина: когда Вселенная была меньше и гораздо плотнее, гравитация одерживала верх и замедляла расширение. Однако вспомним, что космологическая постоянная потому и постоянная, что не уменьшается: плотность энергии вакуума постоянна. А плотности вещества и излучения, с другой стороны, на заре Вселенной были чудовищно велики, а с расширением Вселенной уменьшались. Когда плотность вещества и излучения упала ниже энергии вакуума, началось ускорение – и это произошло примерно шесть миллиардов лет назад.

Самое убедительное доказательство, что Вселенная расширяется с ускорением, дали нам наблюдения реликтового излучения, полученные с космического аппарата «Wilkinson Microwave Anisotropy Probe», в сочетании с данными по сверхновым и с добавлением независимых измерений нынешнего темпа расширения (постоянной Хаббла). Сопоставив все ограничения, которые накладывают данные наблюдений, астрономы сумели точно определить предполагаемую долю энергии вакуума в общем энергетическом бюджете нынешней Вселенной. Наблюдения показали, что материя (и обычная, и темная) вместе обеспечивают лишь около 27 % общей плотности энергии во Вселенной, а так называемая «темная энергия» – тот самый равномерно распределенный компонент, который соответствует нашим представлениям об энергии вакуума – составляет около 73 %. То есть необычайно живучая космологическая постоянная Эйнштейна или что-то очень похожее на ее нынешнее обличье – энергия пустого пространства – в настоящее время доминирует во Вселенной!

Поясню, что величина плотности энергии, связанной с космологической постоянной, по данным измерений по-прежнему на 53–123 порядка меньше, чем наивные вычисления количества энергии, которую производит вакуум, однако тот факт, что она точно не равна нулю, очень огорчил многих физиков-теоретиков, которым мечталось совсем о другом. Вспомним, что с учетом неимоверных расхождений между разумным значением космологической постоянной – таким количеством энергии, которую Вселенная может вместить, не треснув по швам, – и ожиданиями теоретиков, многие физики предсказывали, что будет найдена какая-то симметрия, которая приведет к полной аннигиляции этой энергии. То есть они надеялись, что всевозможные начальные энергии, как бы велики они ни были по отдельности, делают свой вклад в общий баланс парами с противоположным знаком, так что в итоге получается ноль. Иногда подобные ожидания опирались на концепции вроде суперсимметрии. Физики, занимающиеся элементарными частицами, предсказывают, что каждой частице из тех, которые мы знаем, любим и ценим, например, каждому электрону и кварку, должен соответствовать еще не открытый суперсимметрический партнер с таким же зарядом (электрическим или зарядом ядра), но со спином меньше на половину квантово-механической единицы. Например, у электрона спин равен ½, а у его «теневого» суперсимметрического партнера должен быть спин 0. Если у всех суперпартнеров будет еще и такая же масса, как и у их известных партнеров, то, по прогнозам теории, каждая пара будет и в самом деле полностью обнулять общий энергетический вклад. К сожалению, мы знаем, что у суперпартнеров электрона, кварка и нейтрино не может быть такой же массы, как у электрона, кварка и нейтрино, иначе мы бы их уже открыли. С учетом этого обстоятельства общий вклад в энергию вакуума по расчетам оказывается больше, чем наблюдаемый, примерно на 53 порядка. Оставалось разве что надеяться, что будет открыта еще какая-то симметрия, которая еще никому в голову не приходила, и она-то и обеспечит желаемое обнуление. Однако когда был совершен научный прорыв и удалось измерить ускорение расширения Вселенной, оказалось, что это маловероятно. Значение космологической постоянной – очень маленькое, но все же отличное от нуля – убедило многих теоретиков, что искать объяснение из соображений симметрии – дело безнадежное. В конце концов, как уменьшить число до 0,00000000000000000000000000000000000000000000000000001 его первоначальной величины и при этом не обнулить его вовсе? Похоже, что подобное решение требует такого уровня тонкости расчетов, какой большинство физиков не готово признать. В принципе, представить себе гипотетический сценарий, благодаря которому энергия вакуума станет равна нулю, гораздо проще, чем тот, где ее значение соответствовало бы результатам наблюдений. Есть ли хоть какой-то выход из этого положения? Некоторые физики от отчаяния даже прибегли к одной из самых неоднозначных концепций в истории науки – к антропному принципу, линии доказательств, согласно которой происходящее отчасти объясняется самим существованием людей как наблюдателей. Сам Эйнштейн не имеет ко всему этому никакого отношения, однако именно его космологическая постоянная – его идея, его «ляпсус» – убедила довольно многих ведущих ученых современности всерьез рассмотреть такое предположение. Вкратце поясню, о чем, собственно, речь.