Глава 12. Темные стороны мироздания

Одной из самых интригующих загадок астрономии является наличие скрытой от наших глаз и всяческих возможных приборов основной массы Вселенной, которую астрономы называют темной материей. Эта материя должна была возникнуть почти сразу же после Большого взрыва, в отличие от «сильно запоздавших в развитии» знакомых нам атомов. Последние наблюдения показали, что галактики, как осколки Большого взрыва, не только не замедляют свой разбег, двигаясь «на излете», а наоборот, продолжают наращивать скорость. Все это ученые связывают с влиянием темной материи.

Еще более странной субстанцией является темная энергия. В настоящее время главным кандидатом на ее роль является физический вакуум с его виртуальными частицами и полями. Плотность энергии вакуума не меняется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума. Другой кандидат – новое сверхслабое поле, пронизывающее Вселенную; для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное.

В отличие от сгустков массивных частиц слабого взаимодействия темная энергия равномерно «разлита» по всей нашей Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько в пустых провалах физического ваку ума. Самое необычное в том, что темная энергия в определенном смысле связана с антигравитационным воздействием. Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он менялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что, начиная с недалекого прошлого, Вселенная начала расширяться с возрастающим ускорением, как если бы включился гипотетический генератор антигравитации. Обычная гравитация с течением времени должна была бы приводить к обратному эффекту – замедления разбегания галактик.

Видный исследователь темной энергии, имеющий свои собственные оригинальные взгляды на ее происхождение и эволюцию, профессор МГУ Артур Чернин считает, что такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством – отрицательным давлением. Это резко отличает ее от обычных форм материи.

Правда, существуют и иные объяснения ускоренного расширения нашего мира, исходящие из предположения, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такие гипотезы ведут к далеко лежащим выводам об определенной ограниченности самой общей теории относительности. По-видимому, если ее обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.

К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных.

Прежде считалось, что разбегание галактик может только замедляться под действием их собственного тяготения. Но ускорение означает, что в природе имеется не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение, которое преобладает. Антитяготение создается не галактиками (с их обычным светящимся барионным веществом и темной материей), а некоей особой космической энергией, в которую погружены все галактики мира. Эта темная энергия, как ее сейчас чаще всего называют, и создает антитяготение. Темная энергия темна по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, она невидима – не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны.

В одной из своих последних замечательных работ профессор Чернин подчеркивал, что с темной энергией вполне можно работать, изучать ее роль в реальном мире. Для этого, правда, нужно принять те или иные исходные предположения, хотя бы минимальные, о ее свойствах. Простейший (и как кажется, самый правдоподобный) из обсуждающихся сейчас вариантов связывает темную энергию с космологической постоянной.

Эта универсальная константа была введена в космологию Эйнштейном, когда он применил только что созданную им общую теорию относительности к изучению мира, рассматриваемого как некое единое целое. Эйнштейн решил эту задачу и представил результат в виде физико-математической модели Вселенной. Модель описывала Вселенную как статическую, вечную и неизменную физическую систему. Во Вселенной Эйнштейна притяжение всех тел природы друг к другу… отсутствовало. Ньютоновское всемирное тяготение при этом, однако, не отменялось; но помимо него в эйнштейновской модели действовал еще один силовой фактор – всемирное антитяготение, которое полностью компенсировало взаимное тяготение космических тел в масштабе всей Вселенной.

Ничего подобного прежняя, классическая физика не знала. Но антитяготение не вытекало в действительности и из общей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Тем не менее она органично и в исключительно экономной форме была введена в структуру общей теории относительности, в ее математические уравнения. Антитяготение было представлено в этих уравнениях всего одной и притом постоянной физической величиной, которая получила позднее название космологической константы. Она обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения – без нее теория не допускала бы статичности мира.

Большинство современных космологов так же, как и профессор Чернин, однозначно связывают физический смысл космологической константы с параметрами вакуума, считая, что открытая астрономами темная энергия – это энергия вакуума. Кроме ясности и простоты такая интерпретация привлекательна еще и в том – самом важном, в действительности, – отношении, что наблюдения, в которых темная энергия была открыта, полностью с нею согласуются. Похоже, что иные, более сложные и, в общем, произвольные варианты интерпретации темной энергии постепенно вытесняются наблюдениями.

Разумеется, отрицательное давление вакуума со всех точек зрения является совершенно необычным явлением, ведь давление в жидкости или газе, как правило, положительно. Но и в жидкости (например, в потоках воды у винта парохода), и в твердых телах (например, во всесторонне растянутой стальной болванке) отрицательное давление тоже может возникать. Это требует особых, специальных условий, но не является чем-то исключительным. Однако в случае вакуума ситуация совсем особая. Давление вакуума не только отрицательно, но к тому же равно – по абсолютной величине – его плотности энергии. Ничего подобного нет ни в одной другой среде. Это абсолютно и исключительно свойство одного вакуума и только его.

Темную энергию открыли в наблюдениях далеких вспышек сверхновых звезд. Из-за их исключительной яркости сверхновые можно наблюдать на очень больших, по-настоящему космологических расстояниях. Это позволяет проследить, как видимая, регистрируемая яркость источников зависит от расстояния до них. Оказалось, что убывание яркости происходит несколько быстрее, в среднем, чем этого следовало бы ожидать по космологической теории, которая до того считалась стандартной. Но это возможно тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т. е. когда скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Именно благодаря этому эффекту ускорения и удалось распознать темную энергию и даже весьма точно измерить ее плотность.

Почему вакуум создает не тяготение, а антитяготение? Все дело в том, что физический вакуум обладает не только определенной плотностью, но также и давлением. Уравнение состояния вакуума таково, что если его плотность положительна, то давление отрицательно. Причем по абсолютной величине плотность и давление равны. Согласно общей теории относительности, тяготение создается не только плотностью среды, но и ее давлением. Так что эффективная плотность, создающая тяготение, складывается как бы из двух слагаемых. Отсюда и антитяготение вакуума: отрицательная эффективная плотность создает эффект антигравитации. Если поместить в вакуум две частицы, то он заставит их двигаться прочь друг от друга. В отличие от всемирного тяготения, всемирное антитяготение стремится не сблизить тела, а, напротив, удалить их друг от друга.

Далее нужно понять, какие еще силы, кроме антитяготения вакуума, действуют на ближние галактики. Особенно интересны для нас самые близкие расстояния – те, где располагаются две гигантские галактики – наш Млечный Путь и галактика Андромеды. Они образуют связанную пару и движутся навстречу друг другу. Вместе с сотней карликов эти две галактики образуют Местную группу, причем вклад карликов в ее полную массу пренебрежимо мал по сравнению с массой двух гигантов. Вокруг Местной группы наблюдаются десятки галактик-карликов, движущихся в разные стороны от центра. Эти мелкие галактики практически не взаимодействуют между собой; к тому же их полная масса пренебрежимо мала по сравнению с массой Местной группы, так что карлики локального потока вполне можно рассматривать как пробные тела, которые движутся в поле тяготения Местной группы и поле антитяготения темной энергии.

Так как по наблюдательным данным о сверхновых плотность вакуума превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии, в наблюдаемой Вселенной антитяготение сильнее тяготения, и космологическое расширение обязано происходить с ускорением. Раз наблюдаемое расширение Вселенной происходит с ускорением, оно будет продолжаться неограниченно долго – ничто уже не способно этому помешать. При этом средняя плотность не-вакуумной компоненты – вещества и излучения – будет при расширении только убывать. Но это означает, что создаваемое ими тяготение никогда не уже не возобладает во Вселенной. Доминирование вакуума будет только усиливаться, а разбегание галактик происходить все быстрее и быстрее.

Обратимся от будущего Вселенной к ее прошлому. Если смотреть назад по времени, мы увидим, что плотность вещества в прошлом была больше, чем сейчас. В раннюю эпоху расширения она превосходила плотность вакуума. Был и такой момент в истории Вселенной, когда плотность вещества равнялась эффективной плотности вакуума. В этот миг тяготение вещества точно компенсировалось антитяготением вакуума: это был момент нулевого ускорения в динамической истории мира.

Так что же происходит с пространством – временем мира, когда в нем доминирует вакуум? Если пренебречь влиянием всего не-вакуумного вещества, то только вакуум и будет определять свойства пространства – времени. Поскольку плотность и давление вакуума не меняются со временем, то с вакуумом вообще ничего не происходит, он всюду и всегда один и тот же. Но раз неизменный вакуум и только он определяет свойства пространства – времени, то и само пространство – время всюду и всегда должно быть тогда одним и тем же. Это означает, что мир, в котором безраздельно господствует вакуум, должен быть неизменным во времени, статичным. В полном соответствии с этим рассуждением космологическая теория Фридмана (а в ней с самого начала учитывалась возможность существования вакуума, представляемого космологической константой) описывает мир вакуума как мир статичный и неизменный. Но каким образом происходит это превращение мира подвижного и расширяющегося в мир неподвижный? Как из мира исчезает эволюция? Ведь разбегание галактик в нем продолжается…

Да, галактики удаляются друг от друга в мире вакуума, причем с возрастающими скоростями. Из теории Фридмана вытекает, что их скорости возрастают в этом случае по экспоненциальному закону. Но чем быстрее разбегаются галактики, тем меньше плотность их общего распределения, и, значит, тем слабее их влияние – через их собственное тяготение на свойства пространства – времени. А влияние вакуума – через его антитяготение – становится тем временем все более сильным. В итоге галактики, да и вообще все не-вакуумное вещество, оказываются в мире, свойства которого как целого определяются не ими, а вакуумом. Так эволюция мира в целом затухает, его пространственно-временной каркас застывает и остается таким навсегда.

Можно сказать, что чем сильнее разгоняется космологическое расширение под воздействием антигравитации вакуума, тем ближе становится наш мир как целое к абсолютной неизменности и полному покою. В таком мире все события неразличимы, а это означает, что в нем нигде ничего не происходит, и потому этот мир вечен и неизменен как целое. Такой мир напоминает статический мир модели Эйнштейна. Но в модели Эйнштейна покой достигался равновесием тяготения вещества и антитяготения вакуума. В мире вакуума такого равновесия нет, ведь антигравитация вакуума ничем не уравновешена, и тем не менее этот мир тоже находится в покое. Оказывается, что покой не обязательно предполагает равновесие сил – если речь идет о вакууме, это необязательно. Будучи сам неизменным, он делает и мир неизменным – в отсутствие других сил.

Из всех этих данных и соображений вытекает простая картина ближнего объема Вселенной. Главные ее черты таковы: имеется центральная масса Местной группы галактик и разбегающиеся от нее ближайшие галактики, а все это погружено в однородную темную энергию космического вакуума. На достаточно больших расстояниях от Местной группы ее тяготением можно полностью пренебречь по сравнению с антитяготением темной энергии вакуума. На таких расстояниях галактики движутся на идеально регулярном фоне вакуума, который их разгоняет. Та к глобальное расширение всей Вселенной и локальное разбегание галактик в ближнем объеме оказываются динамически сходными и связанными – благодаря темной энергии вакуума.

Поиски новых экспериментальных свидетельств присутствия темной энергии и попытки теоретически осмыслить их результаты превратились сегодня в целую космологическую индустрию, включающую самые разнообразные исследования по всему временному спектру от ранней до современной Вселенной. Есть множество указаний на то, что уравнение состояния темной энергии менялось со временем, так что для воссоздания достаточно полной картины необходимо накопить информацию, относящуюся ко всем эпохам эволюции Вселенной. Таким образом, космологи получат информацию о замедлении расширения Вселенной вследствие притяжения материи и об его ускорении темной вакуумной энергией в различные исторические периоды подобно тому, как сведения об изменении климата на Земле черпают из наблюдений за шириной колец на спилах деревьев.

Здесь решающая роль отводится сверхновым звездам, видимая яркость которых позволяет довольно точно судить об их удаленности от нас и, значит, о моменте их взрыва, а красное смещение в спектрах – не что иное, как соотношение размеров Вселенной сейчас и в то время. Взятые в совокупности, они дадут полное представление о характере эволюции Вселенной. Еще одно направление перспективных исследований включает накопление данных о возрастании скорости формирования крупномасштабных структур во Вселенной типа скоплений галактик. В реализации всей этой грандиозной программы и состоит самая фундаментальная задача космологии на ближайшие годы. Дальнейшие исследования должны также ограничить произвол в выборе параметров различных теоретических моделей и предсказать более определенно судьбу нашей Вселенной, включая, быть может, и оценку времени, которое осталось до «Страшного космического суда».

Парадоксальные и даже в чем-то противоречивые свойства темной энергии дали повод физикам назвать новую полевую субстанцию архаичным термином натурфилософов древности – квинтэссенция. Означает оно, что это некое новое универсальное поле фундаментального характера, но на деле это пока только сугубо умозрительные соображения. Есть и другие гипотезы, весьма экзотические, о том, что гравитация на больших расстояниях не подчиняется теории относительности. Но пока построить в границах подобных инновационных представлений внутренне непротиворечивую теоретическую модель не удается. Теоретики не могут также предложить экспериментаторам какие-либо разумные схемы проверочных экспериментов. В целом ситуация, когда не видно способов проверить лабораторно хотя бы отдельные части теории, является достаточно необычной, можно сказать даже странной, для физики.

Все модели нашей физической реальности в конечном итоге связаны с вопросом, стабильна ли темная энергия.

Если таинственная квинтэссенция стабильна, то через вполне определенный период все видимое пространство Метагалактики расширится настолько, что другие галактики уйдут за горизонт Вселенной, откуда свет никогда не сможет достичь земных наблюдателей. А наша Галактика примет вид черной гигантской дыры, окруженной потухшими звездами. Но если темная энергия нестабильна, то возникают и другие варианты.

Разумеется, футурологам хотелось бы пофантазировать на тему освоения загадки темной квинтэссенции. Разумеется, рано еще делать научные прогнозы, но если темная энергия будет обнаружена в лабораторных условиях, то физики и инженеры обязательно найдут ей практическое применение. К примеру, из антигравитирующий субстанции вполне можно было бы строить те же подпространственные червоточины, используя их в Т-агрегатах и тоннелях, ведущих в иные миры… Правда, современных мечтателей несколько расхолаживают оценки астрономов для плотности темной энергии во Вселенной, обеспечивающей ее ускоренное расширение: если темная энергия распределена равномерно, получается совершенно ничтожная величина, близкая к 10^-29 грамм в кубическом сантиметре. Для обычного вещества такая плотность соответствует 10 атомам в одном кубическом метре. Даже сверхразряженный межзвездный газ в несколько раз плотнее. Та к что если этот путь к созданию машины времени и может стать реальным, то очень и очень не скоро.

В среде астрономов обнаружение антигравитационной квинтэссенции принесло не только радость научного открытия, но и множество трудноразрешимых проблем. Так, под угрозой оказался проверенный временем стандартный сценарий развития модели Большого взрыва. В то же время существует довольно много скептически настроенных ученых, которые вообще отказываются верить в само существование темной энергии и вызванное ею ускоренное расширение пространства. Такое ускорение, по их мнению, противоречит здравому смыслу и просто невозможно.

Сейчас уже можно сказать, что открытие удивительной квинтэссенции застигло врасплох не только астрономов, но и привыкших ко всяческим сюрпризам природы физиков-теоретиков – похоже, что вначале им просто нечего было предложить по существу. Первые объяснения феномена темной энергии были связаны со структурой физического вакуума. Возникли предположения, что в нем скрыто отрицательное давление и из-за этого в веществе возникает сила, приводящая к дополнительному расталкиванию галактик. Но ничего конкретного об этой субстанции науке не известно.

Другой путь привел к ранним построениям Эйнштейна, когда он пытался ввести в свои уравнения некий загадочный параметр – космологическую постоянную; впоследствии великий физик считал, что здесь он допустил свою самую большую научную ошибку. Если эту постоянную снова ввести в уравнения, то появится эффект антигравитации, приводящий к ускоренному расширению Вселенной. Однако космологическая постоянная предполагает некоторую кривизну пространства – времени. А свойства реликтового излучения свидетельствуют о том, что наша Вселенная «плоская» и никакой кривизны не имеет. В этой «темной» истории ясно одно: необходимы новые фундаментальные идеи о пространстве, времени и материи.

Подобные гипотезы призваны радикально изменить интерпретацию достаточно надежно наблюдаемого ускоренного расширения видимой части Метагалактики. Физическая основа этих теоретических работ выглядит элегантно: в результате инфляционного раздувания после Большого взрыва на ранней стадии развития образовалась Мультивселенная, в которой видимая нами Вселенная составляет лишь крошечную область; при этом наша Вселенная не обязательно должна покоиться в этой Мультивселенной, а может двигаться в ней с некоторой скоростью, причем скорость движения зависит от времени в космологическом понимании масштабов эволюции. Именно эта зависимость относительной скорости движения видимой нами Вселенной от времени, которая в общей теории относительности Эйнштейна трактуется как эффект распространения гравитационных волн с гигантским периодом колебаний, может наблюдаться как эффект ускоренного расширения нашей Вселенной.

Наблюдаемое сейчас ускоренное расширение Вселенной можно представить в виде гигантских волн пространства – времени, масштаб которых превышает размер видимой части Вселенной. Тут достаточно ввести в общую теорию относительности Эйнштейна новый ключевой элемент – гравитационную рябь на ранних стадиях эволюции Вселенной, чтобы объяснить наблюдаемое ускорение ее расширения. И тогда вроде бы нет никакой необходимости изобретать таинственные фантомы темной квинтэссенции. Другими словами, пространственно-временная рябь, образовавшаяся на инфляционной стадии, со временем превращается в гигантские гравитационные волны, пронизывающие наш мир.

Отсюда проистекает еще одно интересное следствие. Инфляционное расширение можно характеризовать как короткий период, во время которого физическая скорость света, то есть максимальная скорость причинно-следственного влияния одних событий на другие, сама увеличивалась гигантскими темпами. Так что видимая нами сейчас скорость распространения света существенно меньше, следовательно, и видимая часть Мультивселенной достаточно мала.

По-видимому, такая интерпретация наблюдаемых космологических эффектов может подлить очередную порцию масла в огонь споров о том, насколько постоянны так называемые фундаментальные физические постоянные, включая пресловутую скорость света. Но, как бы там ни было, уже сейчас появились как сторонники, так и противники этой гипотезы.