Современная теоретическая космология утверждает, что Вселенная на 90% состоит из неизвестных форм материи

Расчеты, проводящиеся на современных суперкомпьютерах и использующие современные космологические теории, позволяют представить Вселенную как безбержный океан темной энергии, из которого кое-где пылающими точками вырываются галактики. Словно тонкими нитями разреженная светящаяся материя соединяет их в своеобразную ячеисто-сетчатую структуру. Иллюстрация: James Wadsley, McMaster University, Hamilton, Ontario

Обыденное сознание никак не может привыкнуть даже к той картине мира, которую нарисовала наука к середине прошлого века, а открытия последних десятилетий уже заставляют её самым радикальным образом перерисовывать. За чредой всевозможных новостных сообщений научного характера специалистам бывает непросто уловить «сверкающий изумруд» по-настоящему великих открытий, способных коренным образом изменить наши представления об окружающем мире. Однако такие открытия совершаются, и одно из них — это обнаружение в 1998 году так называемой «тёмной энергии». Если попытаться определить главное качество того, что было столь громко наречено, то можно сказать, что оно включает в себя, прежде всего, силы отталкивания, действие которых «противоположно» действию сил гравитации. В этом смысле можно говорить, что «тёмная энергия» есть антигравитация. 

История её открытия весьма примечательна. Общепринято считать, что впервые представление об антигравитации ввёл Альберт Эйнштейн. Однако ещё в 1870-е годы Фридрих Энгельс в недописанной работе «Диалектика природы», иллюстрируя диалектический закон единства и борьбы противоположностей, писал, что природа, представленная одной притягивающей силой (гравитацией), неполна, и что для её полноты кроме силы притяжения должна существовать и сила отталкивания.

Как ни странно, соображения Эйнштейна были во многом сходными, и в 1917 году он ввёл в одно из уравнений своей теории слагаемое, названное им лямбда-членом и описывающее «силы» отталкивания. Без этого слагаемого уравнения его общей теории относительности не позволяли получить стационарного решения:

пространство нашей Вселенной получалось обязательно либо расширяющимся, либо сжимающимся. Инерция мышления в начале ХХ столетия была ещё очень велика, поскольку всё предшествующее время, от седой древности, Вселенная в целом всегда рассматривалась как пусть даже и однажды созданный, но в дальнейшем стационарный объект. Эволюционирующее решение представлялось Эйнштейну физически бессмысленным, и он решил «уравновесить» гравитацию «силами» отталкивания. 

Не прошло и десяти лет, как он согласился с идеей изменения Вселенной как целого и назвал введенный некогда лямбда-член самой большой ошибкой в своей жизни. Как известно, «гений не совершает ошибок…», однако после того как не совершенная ошибка была уравновешена противоположной, реализация идеи антигравитации в физической теории попала «в долгий ящик». И только во второй половине ХХ столетия учёные вновь обратили на неё внимание.

Итог десятилетних наблюдений за сверхновой 1987 года привели к шокирующему результату, объявленному журналом «Science» «главным прорывом 1998 года». По этому поводу один из главных героев события профессор Калифорнийского университета в Беркли Сол Перлмуттер был сфотографирован на фоне сильно увеличенного изображения сверхновой. Фото: Lawrence Berkeley National Lab

К этому времени всё более становилась очевидной фундаментальная роль физического вакуума. И не только в физике микромира, но и в более крупномасштабных процессах, связанных с возникновением нашей Вселенной. В частности, создаваемая в послевоенные годы Фейнманом, Дайсоном и Швингером квантовая электродинамика давала бесконечное значение для энергии вакуума, и это обстоятельство долгое время считалось одной из главных сложностей теории. А в 1960-е годы стали предприниматься первые попытки  создания единой теории поля на основе идей спонтанного нарушения симметрии вакуума. Именно они привели в итоге к первому успешному объединению электродинамики с теорий слабых взаимодействий.

Идею «всё из вакуума» высказывали всегда, а теперь появились и какие-то веские аргументы. Эстонский академик Густав Наан (Gustav Naan) любил повторять «вакуум есть всё, и всё есть вакуум». Именно физический вакуум мог занять «вакантную ячейку» антигравитации, и с 70-х годов многие его рассматривали как основного кандидата на эту роль. Однако порядка двух десятилетий эти «разработки» носили сугубо теоретический характер, и только открытие 1998 года перевело их в практическую плоскость. 

Приоритет открытия принадлежит двум независимым группам исследователей — астрономов и астрофизиков. Первая находится в Северном полушарии (США), ею руководит Сол Перлмуттер (Saul Perlmutter), другая в Южном (Австралия), ею руководит Бриан Шмидт (Brian Schmidt). Наблюдая удалённые на очень большие расстояния (несколько миллиардов световых лет) сверхновые звёзды, учёные обнаружили, что эти звёзды имеют меньшую яркость, чем ожидалось. Подобный результат означал, что эти объекты удаляются от нас с ускорением, причину которого и назвали «тёмной энергией». 

Отказ Эйнштейна от лямбда-члена завершил построение общей теории относительности. Дело стояло за её экспериментальным подтверждением, что удалось Эдвину Хабблу (Edwin Powell Hubble, 1889–1953), установившему, что галактики кажутся всякому наблюдателю разлетающимися со скоростями пропорциональными расстоянию до них. Было принято считать, что причиной их «разлёта» (правильнее сказать, расширения всего пространства) является так называемый «Большой Взрыв», который задаёт своеобразный «импульс» расширяющемуся пространству. Гравитация при этом играет роль некоторого «тормозящего фактора».

Ясность в вопрос о темной энергии должно внести наблюдение за сотнями или даже тысячами сверхновых. Проделать это, возможно, удастся с помощью орбитальной обсерватории SNAP. Возможно, она будет выглядеть как-то так. А возможно, и как-то по-другому. Конструкция пока в стадии обсуждения. Иллюстрация: R. Lafever (LBNL)  http://snap.lbl.gov/pub/bscw.cgi/89711

В описании этого вполне уместна аналогия растягивающегося резинового жгута. Растяжению (расширению) этого жгута можно поставить в соответствие расширение самого пространства, а силам, «пытающимся» вернуть жгут в исходное положение — гравитационные силы. Очевидно, что под действием гравитации скорость расширения уменьшается, и даже может со временем смениться сжатием. Открытие 1998 года показала, что Вселенная расширяется ускоренно. А это могло означать только одно: во Вселенной присутствует некая «сила», причём более «мощная» чем гравитация, которая преодолевает тормозящее действие гравитации. 

Разумеется, понятие «сила» в данном случае не корректно, поскольку в общей теории относительности, которая является одним из основных элементов теоретического фундамента современной космологии, в математическом формализме и смысловом содержании «силы», как таковые отсутствуют, и причиной движения является энергия. Поэтому данный феномен и получил название «энергия». Прилагательное «тёмная» к ней приложили потому, что она не наблюдаема и никаким другим способом, кроме как ускоренного расширения Вселенной, себя не проявляет. 

Немного позднее, в начале нового века и тысячелетия удалось все же обнаружить и другие проявления существования «тёмной энергии». В частности, именно она вызывает
анизотропию микроволнового реликтового излучение.Естественно, и это открытие не решило вопрос о природе темной энергии. Сказать, что первый «кандидат» на отождествление данного феномена с физическим объектом — это физический вакуум, явно недостаточно. К тому же дальнейшие исследования заставили поставить это под сомнение даже это расплывчатое утверждение, вынудив учёных на поиски других «кандидатов». 

Математически различие между формами материи выражается элементарно просто. Одним из уравнений, определяющих глобальную эволюцию Вселенной, является уравнение состояния каждой из этих форм, устанавливающее соотношение между её давлением и плотностью энергии (или количеством этой формы материи на единицу объёма). Давление всегда прямо пропорционально плотности. Иными словами, уравнение состояния выглядит следующим образом: Р = –nE, где Р — давление, а E — плотность энергии. 

Однако поведение материи зависит не столько от плотности как таковой, сколько от эффективной гравитирующей плотности, равной E + 3P. Все различные формы энергии отличаются друг от друга лишь коэффициентом n. При n = 1 будет физический вакуум, для него эффективная гравитирующая плотность окажется отрицательной, E + 3P = –2E, именно это обусловливает «силы» отталкивания. Физический вакуум «несёт ответственность» за Большой Взрыв, и из него появилась наша и другие вселенные. Если будет доказано, что тёмная энергия есть только физический вакуум, то это будет означать, что причины ускоренного расширения те же, что и породили нашу Вселенную. 

Между тем, некоторые современные данные говорят, что феномен тёмной энергии целиком сводить только к физическому вакууму не вполне правомочно. Судя по последним данным, тёмную энергию более адекватно описывает многокомпонентная модель, где кроме физического вакуума присутствуют ещё несколько других составляющих. Одна из них — так называемая квинтэссенция. Для неё n = 2/3. Физически она представляет собой ещё один, пятый вид взаимодействия (кроме уже известных четырёх: гравитационного, электромагнитного, сильного, слабого). Это достаточно специфическое состояние материи, но его природа, тем не менее, в общих чертах ясна — это поле. Кроме того, составной частью тёмной энергии может являться и газ Чаплыгина — так же уникальная, но теоретически понятная нам форма материи.

На диаграмме показаны различные формы материи, упорядоченные по степени их распространенности во Вселенной. Самая известная среди них реже всего встречается. Иллюстрация: Ann Feild (STScI)

Однако может случиться и так, что этим «списком» составные тёмной энергии не исчерпываются, и в её состав входит ещё один компонент, так называемая
фантомная энергия. Природа этой фантомной энергии совершенна не ясна, очевидно только, что это не вещество. Вполне вероятно, что её не удастся отождествить (как это удалось сделать с квинтэссенцией) с новым видом поля, и тогда можно будет говорить о том, что физики столкнулись с ещё одним, после вещества и поля, фундаментальным типом материи, и тогда это открытие с полным правом можно будет считать одним из самых выдающихся открытий в истории человеческой цивилизации. 

Основной фундаментальной задачей современной физики как раз и является полное установление природы тёмной энергии. Для этого астрономы — наблюдатели должны более точно установить коэффициент n у всех её слагаемых, а теоретики построить теоретическую модель, соответствующую этим наблюдательным данным. Когда и кем это будет сделано — покажет время, однако не вызывает сомнения то, что нобелевский комитет ещё не раз объявит своих лауреатов в области физики с формулировкой «за исследования, связанные с установлением природы тёмной энергии». 

И в заключение хотелось бы сказать ещё об одном. Систематические наблюдения показывают, что с ускорением движутся только те объекты, которые находятся от нас на расстояниях порядка восьми миллиардов световых лет. А это означает, что факторы, определяющие ускорение Вселенной, «вступили в игру» только приблизительно последние восемь миллиардов лет. Как поведёт себя Вселенная в будущем — то же не совсем ясно. Факторы, определяющие это ускорение, могут действовать как некоторый промежуток времени, так стать и постоянными. В первом случае по окончании действия этих факторов ускорение сменится замедлением, и эволюция Вселенной в будущем будет определяться в рамках моделей, хорошо разработанных ещё в ХХ столетии. Если же факторы, определяющие ускорение, будут постоянными, то рано или поздно все вещественные сложные высокоорганизованные формы материи (в том числе и человек) «размажутся» по пространству, что, конечно же, несовместимо с их существованием. Однако вопрос о том, какой же сценарий реализуется в будущем, пока остаётся открытым.

Яков Тарароев