Журнал «Вокруг Света» №09 за 2008 год

Наш обычный вакуум обладает наименьшей энергией. Экспериментально обнаружено существование неустойчивого, более энергичного вакуума, который соответствует так называемому электрослабому взаимодействию. Он начинает проявляться при энергиях частиц свыше 100 гигаэлектронвольт — это всего на порядок ниже предела возможностей современных ускорителей. Еще более энергичные виды вакуума предсказаны теоретически. Можно предположить, что наш обычный вакуум обладает не нулевой плотностью энергии, а как раз такой, которая дает нужное значение лямбда-члена в уравнении Эйнштейна.

Однако эта красивая идея, состоящая в том, чтобы приписать темную энергию вакууму, не вызывает восторга у исследователей, работающих на стыке физики элементарных частиц и космологии. Дело в том, что такой разновидности вакуума должна соответствовать энергия частиц всего около тысячной доли электронвольта. Но этот энергетический диапазон, лежащий на границе между инфракрасным и радиоизлучением, уже давно вдоль и поперек изучен физиками, и ничего аномального там не обнаружено.

Поэтому исследователи склоняются к тому, что темная энергия — это проявление нового и пока не обнаруженного в лабораторных условиях сверхслабого поля. Эта идея аналогична той, что лежит в основе современной инфляционной космологии. Там тоже сверхбыстрое расширение молодой Вселенной происходит под действием так называемого скалярного поля, только его плотность энергии гораздо выше той, что ответственна за нынешнее неспешное ускорение в расширении Вселенной. Можно предположить, что поле, являющееся носителем темной энергии, осталось как реликт Большого взрыва и долгое время находилось в состоянии «спячки», пока длилось доминирование сначала излучения, а потом темной материи.

Скопление галактик Cl 0024+17 действует как гравитационная линза. Слева: скопление окружено темным кольцом, в котором ослаблен свет далеких галактик. Справа: ближе к ядру скопления видно, как изображения далеких галактик растягиваются в дуги. По таким эффектам можно оценить массу скопления вместе с входящей в него темной материей. Фото: NASA, ESA, M.J. JEE (JOHN HOPKINS UNIVERSITY)

Отрицательное давление и гравитационное отталкивание

Описывая темную энергию, космологи считают, что ее главное свойство — отрицательное давление. Оно приводит к появлению отталкивающих гравитационных сил, о которых неспециалисты иногда говорят как об антигравитации. В этом утверждении содержатся сразу два парадокса. Разберем их последовательно. Как давление может быть отрицательным? Давление обычного вещества, как известно, связано с движением молекул. Ударясь о стенку сосуда, молекулы газа передают ей свой импульс, отталкивают ее, давят на нее. Свободные частицы не могут создать отрицательное давление, не могут «тянуть одеяло на себя», но в твердом теле подобное вполне возможно. Неплохой аналогией отрицательного давления темной энергии служит оболочка воздушного шарика. Каждый ее квадратный сантиметр растянут и стремится сжаться. Появись где-нибудь в оболочке разрыв, она немедленно стянулась бы в маленькую резиновую тряпочку. Но пока разрыва нет, отрицательное натяжение равномерно распределено по всей поверхности. Причем если шарик надувать, резина будет становиться тоньше, а запасенная в ее натяжении энергия будет расти. Сходным образом ведет себя при расширении Вселенной плотность вещества и темной энергии. Почему отрицательное давление ускоряет расширение? Казалось бы, под действием отрицательного давления темной энергии Вселенная должна сжиматься или уж, по крайней мере, замедлять свое расширение, начавшееся в момент Большого взрыва. Но все обстоит как раз наоборот, потому что отрицательное давление темной энергии слишком... велико. Дело в том, что согласно общей теории относительности гравитация зависит не только от массы (точнее плотности энергии), но также и от давления. Чем больше давление, тем сильнее гравитация. А чем больше отрицательное давление, тем она слабее! Правда, давления, достижимые в лабораториях и даже в центре Земли и Солнца, слишком малы, чтобы их влияние на гравитацию можно было заметить. Но вот отрицательное давление темной энергии, наоборот, столь велико, что пересиливает притяжение и ее собственной массы, и массы всего остального вещества. Получается, что массивная субстанция с очень сильным отрицательным давлением парадоксальным образом не сжимается, а наоборот, распухает под действием собственной гравитации. Представьте себе тоталитарное государство, которое, стремясь обеспечить свою безопасность, зажимает свободу до такой степени, что граждане массово бегут из страны, бунтуют и в конце концов разрушают само государство. Почему чрезмерные усилия по укреплению государства оборачиваются его разрушением? Таковы свойства людей — они сопротивляются подавлению. Почему сильнейшее отрицательное давление вместо сжатия приводит к расширению? Таковы свойства гравитации, выраженные уравнением Эйнштейна. Конечно, аналогия — это не объяснение, но она помогает «уложить в голове» парадоксы темной энергии.

Как взвесить структуру?

Темная энергия — важнейшее свидетельство существования явлений, которые не описываются современной физикой. Поэтому детальное изучение ее свойств — важнейшая задача наблюдательной космологии. Чтобы выяснить физическую природу темной энергии, необходимо в первую очередь максимально точно исследовать, как менялся в прошлом режим расширения Вселенной. Можно пытаться прямо измерить зависимость темпа расширения от расстояния. Однако из-за отсутствия в астрономии надежных методов определения внегалактических расстояний достичь на этом пути необходимой точности практически невозможно. Но есть другие, более перспективные способы измерения темной энергии, которые являются логическим развитием структурного аргумента в пользу ее существования.

Пирамида материи во Вселенной по современным представлениям. Фото:

Как уже отмечалось, темп образования структур очень сильно зависит от плотности темной энергии. Сама она не может скучиваться и создавать структуры и препятствует гравитационному скучиванию темной и обычной материи. Кстати, поэтому в нашу эпоху те комки вещества, которые еще не начали сжиматься, постепенно «растворяются» в море темной энергии, переставая «чувствовать» взаимное притяжение. Человечество, таким образом, является свидетелем максимального в истории Вселенной темпа образования структур. В дальнейшем он будет только уменьшаться.

Чтобы определить, как менялась со временем плотность темной энергии, нужно научиться «взвешивать» структуру Вселенной — галактики и их скопления — на разных красных смещениях. Есть много способов это сделать, ведь объекты измерения — галактики — хорошо изучены и видны даже на больших расстояниях. Наиболее прямолинейный подход состоит в тщательном подсчете галактик и их структур по упоминавшейся трехмерной карте пространственного распределения галактик. В другом методе масса структуры оценивается по создаваемому ею неоднородному гравитационному полю. Проходя через структуру, свет отклоняется ее гравитацией, и в результате видимые нами изображения далеких галактик деформируются. Этот эффект называется гравитационным линзированием. Измеряя возникающие искажения, можно определить (взвесить) структуру на пути следования света. Этим методом уже сделаны первые успешные наблюдения, а на будущее запланированы космические эксперименты — ведь надо достичь максимальной точности измерения.

Итак, мы живем в мире, динамика расширения которого управляется неизвестной нам формой материи. А единственно достоверное знание о ней, помимо факта ее существования, — это уравнение состояния вакуумоподобного типа, та самая своеобразная связь между плотностью энергии и давлением. Пока нам неизвестно, меняется ли характер этой связи со временем, и если да, то как. А значит, все рассуждения о будущем Вселенной, по сути, являются спекулятивными, основанными в значительной мере на эстетических воззрениях их авторов. Но мы вступили в эру точной космологии, основанной на высокотехнологичных инструментах для наблюдения и развитых статистических методах обработки данных. Если астрономия будет и дальше развиваться такими же темпами, как сегодня, загадка темной энергии будет разгадана уже нынешним поколением исследователей.