Взрыв мироздания - Олег Фейгин

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.