Современная космология: философские горизонты

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]. 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] дают величину Ω_E порядка 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]. 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], 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]. 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] 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]. 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], 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].

Вопрос природы тёмной энергии является одним из ключевых вопросов современной физики и космологии, в частности, ещё и потому, что от его решения зависят перспективы будущей эволюции Вселенной. В частности, в случае, если тёмной энергией окажется фантомная энергия, то будущее нашей Вселенной незавидно — через несколько десятков миллиардов лет (временной промежуток зависит от её «мощности») произойдёт т. н. «Большой Хлопок» и все формы материи исчезнут, «размазавшись» по пространству^[342]. Впрочем, модели будущего Вселенной определяются не только космологической величиной ω, но и рядом других параметров, таких, например, как начальные условия в виде характеристик физического вакуума, которые, в свою очередь, определяются спецификой теорий, описывающих микро-масштабы, будь это теория струн, М-теория, или квантовая теория поля (квантовая теория гравитации)^[343].

Вклад в общую плотность Вселенной, как уже говорилось выше, даёт и вещество (ω = 0). По общим оценкам, вклад вещества в общую плотность Вселенной составляет около 30 %, т. е. Ω = 0,3^[344]. В этой составляющей плотности Вселенной выделяют два компонента: тёмное вещество (называемое ещё скрытой массой) и видимое вещество. Их соотношение составляет, по последним оценкам Ω_В/ТЁМ =0.25 ± 0.02 (если брать грубо среднюю величину по всем работам), Ω_В/ВИД = 0.05 ± 0.008. Природа видимого вещества известна ещё с незапамятных времён. Его составляют звёзды, активные ядра, газопылевые облака и другое «население» галактик, которое мы можем наблюдать в оптическом и других диапазонах электромагнитного спектра вследствие наличия у них излучающей, поглощающей или отражательной способности. Большую же часть (по массе) этого «содержимого» Вселенной составляют звёзды. Со скрытой массой сложнее, поскольку её название — «скрытая» говорит о том, что она не проявляет себя в излучении электромагнитного спектра и может быть обнаружена только косвенным образом — по гравитационному взаимодействию, что требовало развитие специальных исследований и развитие техники наблюдений. Её невозможно обнаружить непосредственно, и в силу этого весьма затруднительно однозначным образом определить её природу.

Первые предположения о её существовании появились ещё в 70-х годах XX столетия. В качестве таковой указывались межгалактический газ, нейтрино, при условии, что они имеют массу, гравитационные волны^[345]. К скрытой массе также могли быть отнесены чёрные дыры, планеты вне пределов Солнечной системы и другие астрономические и астрофизические объекты, непосредственно не наблюдаемые, однако их «удельный вес» во Вселенной слишком мал, чтобы они вносили в эту величину ощутимый вклад. Дальнейшие исследования показали, что темное вещество преобладает над видимым в несколько раз, и в настоящее время проблема определения природы тёмного вещества является одной из ключевых проблем современной космологии, которой посвящено множество работ^[346].

Объекты, рассматриваемые в последней четверти XX столетия в качестве претендентов на скрытую массу, рассматриваются в таком же качестве и сейчас, однако значительная часть специалистов полагает, что они недостаточны для объяснения известных в настоящее время величин плотности скрытой массы. Предлагается ряд новых «претендентов» на это звание. Это, прежде всего, массивные гипотетические слабовзаимодействующие частицы, которыми, в случае наличия у них большой массы, могут быть и нейтрино, маломассивные нейтрино, гипотетические маломассивные частицы — аксионы, гипотетические частицы, (суперпартнёры), существование которых следует из теории суперсимметрии, гипотетические сверхтяжелые частицы, и, наконец, самовзаимодействующее вещество. Предположительно, значительная часть всех этих частиц расположена в обширных гало, окружающих галактики. Какой из этих «претендентов» доминирует в наблюдаемой области Вселенной, какие просто наличествуют — все эти вопросы должны решаться разработкой соответствующих теоретических моделей и систематическими астрономическими наблюдениями, которые уже ведутся, и результаты которых сейчас активно обсуждаются.