Книга: Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной
Назад: Глава 7 Темная энергия
Дальше: Темная энергия – это иллюзия?
Темная энергия: по-прежнему величайшая космическая тайна
Она включает в себя две трети космоса, но до сих пор заставляет нас теряться в догадках. Что такое темная энергия: новое поле, новая сила или глубина нашего собственного невежества?
Пару десятков лет назад мы заметили, что некая таинственная субстанция расталкивает Вселенную в разные стороны. Эта субстанция действует повсюду, но мы ее не видим. Несмотря на то что она заполняет Вселенную больше, чем на две трети, у нас нет ни малейшего представления о том, что это такое, откуда она взялась и из чего сделана. По крайней мере, у нас есть имя для этого самого загадочного из всех «монстров»: темная энергия. В последнее время охота на эту субстанцию набирает скорость. На основе новых обзоров неба проводятся поиски ее возможных следов среди взрывающихся звезд и древних скоплений галактик. Вскоре к поискам присоединятся космические аппараты и гигантские наземные телескопы, в то время как некоторые физики пытаются уловить признаки темной энергии в лабораториях.
В настоящее время мы знаем, что темная энергия обладает тремя свойствами:
1. Она отталкивает. Неожиданная тусклость некоторых взрывов сверхновых, замеченных в 1998 году, подсказала нам, что они гораздо дальше от нас, чем мы предполагали. Кажется, что в некотором месте пространство начинает расширяться быстрее, как будто на него влияет какая-то сила отталкивания, действующая против притягивающей силы гравитирующей материи.
2. Ее очень много. Движение галактик и их скопления говорят нам о том, как много вещества находится во Вселенной, в то время как излучение космического микроволнового фона дает нам возможность оценить полную плотность материи и энергии. Второе из этих значений значительно превышает первое. Из этой оценки следует, что примерно 68 % всей Вселенной находится в некоторой нематериальной, энергетической и «расталкивающей» форме.
3. Темная энергия являет собой прекрасное «горючее» для подпитывания созидательных умов физиков, которые превращают ее в сотни различных фантастических форм.
Почему темная энергия толкается?
Мы привыкли к тому, что гравитация притягивает предметы друг к другу. Поэтому существование космической силы, которая все расталкивает, просто приводит в замешательство. Поведение энергии вакуума также является странным: по мере расширения пространства появляется все больше и больше субстанции, ответственной за все более увеличивающуюся энергию. Можно провести аналогию с пружиной или резиновой лентой, которая натягивается при растяжении и накапливает энергию. Другими словами, энергия вакуума находится под натяжением.Но разве может нечто, находящееся в состоянии растяжения, отталкивать тела? Скорее, они должны притягиваться, а не отталкиваться. И вот здесь интуиция нас подводит. Общая теория относительности, которая описывает поведение гравитации, оперирует не только понятием энергии, но также понятием давления. Высокое давление приводит к появлению притягивающего поля тяготения; наоборот, если есть растяжение, значит, должно присутствовать отталкивание.Очевидно, такое объяснение никого не может удовлетворить. Знания по физике в объеме средней школы помогают преодолеть только половину пути и подойти к пониманию того, что темная энергия имеет растягивающую силу. А затем начинаются чудеса относительности, которые делают это растяжение отталкивающим. В попытках ответить на вопрос, что же собой на самом деле представляет темная энергия, возможно, мы натолкнемся и на объяснение того, почему она создает отталкивание.
Космологическая постоянная
Самым «ручным» из всех этих гипотетических монстров является космологическая постоянная, но и она склонна гулять сама по себе. Фактически это плотность энергии, присущая самому пространству, которая в общей теории относительности Эйнштейна создает отталкивающую гравитацию. По мере расширения пространства ее становится все больше, а ее отталкивание становится все сильнее по сравнению с притяжением все более и более рассеянной материи. Физика элементарных частиц может объяснить ее происхождение виртуальными частицами, которые появляются и исчезают в пузырящемся и неустойчивом квантовом вакууме. Проблема заключается в том, что эти частицы, по-видимому, обладают слишком большой энергией: по самым скромным подсчетам, примерно 10120 джоулей на кубический километр.
Это катастрофическое несоответствие оставляет простор для некоторых альтернативных теорий. Темная энергия может представлять собой энергетическое поле, которое является неотъемлемой частью пространства, изменяющееся со временем и, возможно, даже накапливающееся в разных местах. Она может быть модифицированной формой гравитации, которая на больших расстояниях способна действовать как отталкивающая сила. Например, в одной из теорий темная энергия принимает вид радиоволн, длина которых в триллионы раз больше, чем вся наблюдаемая Вселенная.
Астрономы хотят понять, изменяется ли темная энергия со временем. Если она изменяется, то это исключит космологическую постоянную, чья плотность должна оставаться неизменной. Напротив, энергетическое поле нового типа может становиться более слабым по мере растяжения пространства, а может и усиливаться, накачиваясь за счет расширения Вселенной. В большинстве модифицированных теорий гравитации плотность темной энергии также переменна. Она может даже увеличиваться на некоторое время, а затем, наоборот, уменьшаться.
Судьба Вселенной зависит от этого хрупкого равновесия. Если темная энергия остается постоянной, бо́льшая часть космического пространства будет все быстрее уходить вдаль, оставляя нас на маленькой островной вселенной, навсегда отрезанной от остального космоса. Если она усиливается, то все, в конце концов, может кончиться Большим разрывом, или даже ткань пространства будет становиться неустойчивой здесь и сейчас. Наилучшая оценка на сегодняшний день основана преимущественно на наблюдениях сверхновых и говорит о том, что плотность темной энергии довольно стабильна.
В погоне за тенью
Проект «Обзор темной энергии» (Dark Energy Survey) нацелен на обнаружение сигналов присутствия темной энергии на широких просторах неба. Он осуществляется с помощью 4-метрового телескопа им. Виктора Бланко, расположенного в межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили. На нем установлена специально спроектированная чувствительная инфракрасная камера.
Эти наблюдения могут зарегистрировать много новых сверхновых. Видимая яркость каждого взрыва звезды говорит нам о том, как давно он произошел. За то время, пока свет путешествовал в нашем направлении, длина его волны увеличилась, или «покраснела», за счет расширения пространства. Если сопоставить все данные, то можно изобразить, как происходило расширение со временем.
Этот обзор позволит нам составить изощренную карту неба, на которой будут отмечены положения нескольких сотен миллионов галактик и указаны их расстояния до нас. Эхо от звуковых волн, пронесшихся по младенческому космосу, определило характерные размеры обширных сверхскоплений галактик. Измеряя видимый размер сверхскоплений, мы можем по-новому взглянуть на историю расширения Вселенной (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Тайна темной энергии: многочисленные данные указывают на то, что нечто противостоит притяжению гравитации и ускоряет расширение Вселенной
С помощью этой карты можно будет также выявить влияние темной энергии на меньших масштабах. Темная энергия препятствует объединению галактик в скопления. Ученые, принимающие участие в обзоре, произведут прямой подсчет скоплений и с помощью эффекта гравитационного линзирования оценят роль скрытой массы. Дело в том, что массивные скопления играют роль своеобразной гравитационной линзы, отклоняя проходящий через них свет, испущенный более далекими космическими объектами (см. также главу 2). Распределение массы в скоплениях может помочь выявить измененные формы гравитации, поскольку является своеобразным космическим зондом на промежуточных расстояниях, на которых гравитация может начинать менять свою природу. Все эти измерения должны дать нам представление о том, как темная энергия меняется со временем.
Мега-проекты
Лидером среди охотников за темной материей является уже упоминавшийся выше проект «Обзор темной энергии». Большой обзорный телескоп (The Large Synoptic Survey Telescope), который будет построен в Чили с участием США, нацелится своим огромным глазом на небо в 2021 году. Другие мега-проекты, такие как европейский Чрезвычайно большой телескоп (Extremely Large Telescope) в Чили, должны вступить в действие примерно в это же время вместе с крупнейшим в мире радиоинтерферометром SKA (Square Kilometre Array – «антенна с площадью в квадратный километр»). Антенны будут размещены в Австралии и Южной Африке и представлять собой огромный космический радиотелескоп для исследования структуры космоса по радиосвечению водородных облаков. В 2020 году Европейское космическое агентство планирует запустить в космос для поисков темной материи телескоп «Евклид», который будет искать эффекты гравитационного линзирования и объединения галактик в скопления, происходившие на еще более ранних этапах жизни Вселенной. Широкодиапазонный инфракрасный телескоп (Wide Field Infrared Survey Telescope) НАСА стартует несколькими годами позже.
Эта погоня в пространстве обещает быть весьма захватывающей, но цель и дальше может ускользать от нас. Если мы обнаружим, что плотность темной энергии остается с течением времени почти постоянной, это, возможно, поддержит идею космологической постоянной, но не исключит вероятность существования некоторых полей квинтэссенции с почти постоянной плотностью. Поэтому некоторые физики и расставляют на Земле ловушки для темной энергии. Если вы вводите новое поле или новые частицы для того, чтобы объяснить темную энергию, то они неизбежно будут переносчиками взаимодействия нового типа в дополнение к тем, которые мы знаем, – гравитации, электромагнетизму и ядерным силам. Но мы не видим, чтобы эта новая сила как-то сказывалась на движении планет в нашей Солнечной системе. Многие теоретики избавляются от этой сложности просто: они вводят экранирующий механизм, который ослабляет пятую силу в сравнительно плотной среде, какой являются окрестности Солнечной системы.
Коллективные квантовые волны
Клэр Барридж из Ноттингемского университета (Великобритания) пришла к выводу, что мы можем заняться поисками этого эффекта в лаборатории. Она и ее соавторы намереваются использовать облако холодных атомов, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна, в котором все атомы колеблются согласованно, формируя одну коллективную квантовую волну. Некоторые формы темной энергии должны слегка понижать частоту этого колебания. Ученые планируют разделить конденсат на две части и поместить плотный объект возле одной из них. Если этот объект будет экранировать темную энергию, то колебания в двух частях конденсата потеряют синхронность, и когда две половинки конденсата вновь соединятся, возникнет явление интерференции. Группа ученых под руководством Пола Гамильтона провела похожий эксперимент в Калифорнийском университете в Беркли, но пока не обнаружила свидетельств экранирования темной энергии.
В Вашингтонском университете в Сиэтле группа Йот-Вош (Eöt-Wash) провела эксперимент с торсионным маятником для изучения других форм космического отталкивания. Согласно одной из теорий дополнительные измерения пространства размером менее одного миллиметра могут содержать в себе темную материю, что увеличивает силы гравитации на этих масштабах. Некий тип экранируемой квинтэссенции, названный симметроном, будет порождать дополнительную силу на таких же малых масштабах. Этот крошечный эффект может быть выявлен по едва заметным качаниям маятника Йот-Вош.
Между тем в 2016 году Майкл Ромалис из Принстонского университета и Роберт Колдуэлл из Дартмутского колледжа в Ганновере (штат Нью-Гэмпшир, США) предположили, что если обычные фотоны или электроны могут ощущать, хотя бы и очень слабо, темную энергию, тогда магнитное поле на Земле должно генерировать крошечный электростатический заряд. В принципе этот эффект нетрудно обнаружить при условии, что любой прибор, предназначенный для этой цели, будет обладать высокой точностью.
Мало кто считает, что охота за темной энергией близится к концу. После двух десятилетий упорных попыток выхода из тупика у нас до сих пор нет ключа к решению этой загадки. Но будем оптимистами – по крайней мере у нас есть ключи от тех мест, где этот ключ может лежать.
Назад: Глава 7 Темная энергия
Дальше: Темная энергия – это иллюзия?
