Виктор де Касто - Pro темную материю

В результате наблюдений за сверхновыми и ускоряющейся Вселенной было высказано предположение о существовании темной энергии, что стало большим прорывом для науки в 1998 году. Это предположение о существовании некоей формы энергии, которую стали называть темная энергия, «расталкивающей» Вселенную и приводящей к изменению темпа ее расширения, стало простейшей интерпретацией наблюдений.

Как следовало из наблюдений, свойства этой субстанции получались очень странными. Во-первых, она не скучивается, то есть не собирается в обычные объекты типа галактик и их скоплений, и ее распределение в пространстве, похоже, близко к равномерному. Во-вторых, она заставляет Вселенную расширяться, то есть темная энергия, в отличие от обычной материи, создает не тяготение, а антитяготение, антигравитацию. В-третьих, плотность темной энергии по современным данным практически не зависит от времени (имеется в виду абсолютная плотность), а это кажется очень необычным. В-четвертых, в настоящую эпоху вклад темной энергии в полную плотность Вселенной является определяющим. Это не всегда было так – плотности обычной материи и темной материи, в отличие от темной энергии, зависят от времени, и в более ранние эпохи эволюции Вселенной относительный вклад темной энергии был меньше.

Что представляет собой темная энергия? Возможны разные варианты, но, по-видимому, самый простой и естественный – темная энергия представляет собой энергию вакуума.

Вакуум, вопреки бытовой точке зрения, это не просто пустота, а состояние с минимальной возможной энергией, и эта энергия совсем не обязательно должна быть равна нулю. Если из какого-то объема убрать все частицы и поля, то, согласно законам квантовой механики, на сверхмалых расстояниях в этом объеме будут непрерывно рождаться и исчезать так называемые виртуальные частицы. Энергия этих частиц и является энергией вакуума. Свойства вакуума близки к требуемым для темной энергии – его плотность не зависит от времени, она определяется физикой очень малых расстояний и времен, вакуум не скучивается и, согласно квантовой физике, его давление отрицательно, что и приводит к появлению эффекта антигравитации. Эти особенности вакуума привели к тому, что он часто рассматривается в качестве основного кандидата на темную энергию.

Вернемся в прошлое. В 1917 году Альберт Эйнштейн увидел, что Вселенная по сути нестабильна. Эйнштейн решил добавить в свои уравнения греческую букву лямбду, обозначавшую космологическую постоянную, чтобы уравнения допускали пространственно-однородное статическое решение. Я уже упоминал ее выше, а также и то, что ее иногда называют лямбда-член.

По мнению Эйнштейна, во Вселенной должно было быть что-то такое, что не позволяет ей обрушиться – во Вселенной, полной материи, которая притягивает другую материю с помощью гравитации. Считается, что космологическая постоянная была введена Эйнштейном для того, чтобы уравнения допускали пространственно-однородное статическое решение. После открытия Хабблом доказательств расширения Вселенной больше не требовалась лямбда, и Эйнштейн от нее отказался. Но игнорировать полностью лямбду-член было нельзя, она оставалась в уравнении. И лямбду приравняли к нулю. Именно так и делали несколько поколений наблюдателей и теоретиков. Иногда ее вообще не упоминали, иногда говорили: «Предположим, что Λ = 0». Достоверных указаний на отличие космологической постоянной от нуля очень долго не было, поэтому она рассматривалась в общей теории относительности как необязательная величина, наличие которой зависит от эстетических предпочтений автора. Для большинства наблюдателей и теоретиков лямбда была – и одновременно ее не было. Она будто находилась в параллельном измерении, как призрак на чердаке. Однако то, что она не требовалась, совсем не значило, что ее нельзя разбудить, и время от времени теоретики это делали.

Фред Хойл, британский астроном и космолог (1915–2001)

Например, Герман Бонди и Томас Голд, а отдельно от них Фред Хойл, которые пытались создать новую модель Вселенной. Бонди и Голд называли ее «гипотетическим и широко обсуждаемым космологическим термином». Как и Эйнштейн, они не знали, что это, но дали ей ненулевое значение, потому что должно существовать что-то, подпитывающее расширение. Но затем теория Большого взрыва была подтверждена в частности через открытие реликтового излучения, и необходимость в «космологической постоянной», как стали называть лямбду-член, отпала. С другой стороны, нельзя сказать, что лямбда умерла вместе с теорией стационарной Вселенной, скорее, произошло нечто подобное вылету души из мертвого тела.