Пять нерешенных проблем науки - Артур Уиггинс

На следующий год обнаружили еще более удаленную сверхновую. Оказалось, что это самая далекая из когда — либо наблюдавшихся звезд, и свет от нее шел 11 млрд. лет. Блеск ее оказался выше расчетного. Получалось, что 11 млрд. лет назад происходило замедление ранней Вселенной из-за сил тяготения. Но 4–8 млрд. лет назад она стала ускоренно расширяться, а галактики — разбегаться со всевозрастающей скоростью.

Из этого измерения следовал неумолимый вывод: какова бы ни была причина нынешнего ускоренного расширения Вселенной, оно было менее заметным или даже вовсе отсутствовало на ранней стадии ее эволюции. Оно стало заметным, когда Вселенная миновала пик своей эволюции, и с той поры возраст определяет ее поведение. Такое положение вещей сродни ситуации, когда водитель замедляет скорость при виде красного света светофора, чтобы при появлении зеленого света нажать на газ.

В темноте рассуждать о темной энергии

Что это за штука, вызывающая подобное космологическое ускорение? Мы не знаем, но уже дали ей название. Недостающую массу (энергию) никогда не видели, поэтому она темная. А раз она противодействует тяготению, то не может обладать привычной для нас массой. Астрофизик из Чикагского университета Майкл Тернер окрестил ее в 1999 году темной энергией.

Благодаря ряду различных опытов у нас есть оценка величины этой неведомой темной энергии, пусть даже мы и не знаем, что она собой представляет. Несколько опытов ставилось с целью выяснить общие геометрические свойства пространства и определить, открытая, плоская или замкнутая наша Вселенная. Фоновое микроволновое излучение, заполняющее ее всю, осталось от начального «большого взрыва». В течение первых 400 тыс. лет после этого взрыва Вселенная была еще столь горячей, что представлялась непроницаемой для электромагнитного излучения. Затем, остыв, она стала испускать электромагнитные волны. На протяжении 400 тыс. лет эти волны способны были преодолевать лишь ограниченное расстояние, так что все флуктуации в излучении были ограничены по величине. Но с тех пор флуктуации исказились ввиду искривления пространства. Измерение величины минимальных температурных флуктуаций в самом излучении дает возможность определить общую кривизну пространства. Для измерения этих флуктуаций были задействованы высотные воздушные шары и датчик наверху метеорологической станции на Южном полюсе. В рамках экспериментов «Бумеранг», «Максима» и «Дейси» удалось изучить эти флуктуации и определить, что пространство Вселенной — плоское (евклидово): Ω = 1 ± 4 % (рис. 6.13).

У плоской Вселенной Ω = 1, так что плотность в точности должна совпадать с критическим значением. Поскольку обычное вещество и темная материя вместе составляют 27 % критической плотности массы (энергии), для обеспечения плоского характера геометрии Вселенной оставшиеся 73 % должны приходиться на темную энергию. Данная теория оставляет смешанное чувство: мы можем оценить количество темной энергии, блуждая в потемках по поводу ее природы.

Вот какую картину рисуют эти данные: после первоначального резкого раздувания (инфляции) Вселенная перешла к расширению, и скорость уменьшилась под действием материи (обычной и темной). На ранних стадиях эволюции темная энергия почти не проявляла себя, так как была столь равномерно распределена по Вселенной, что не вмешивалась в формирование галактик и туманностей. Спустя несколько миллиардов лет верховенство перешло к темной энергии, и она стала своим отрицательным давлением противодействовать силе тяготения, ускоряя тем самым расширение Вселенной. В настоящее время темная энергия слегка пересиливает тяготение, но с увеличением расширения Вселенной все большие расстояния будут способствовать дальнейшему ослаблению тяготения. Преобладание темной энергии будет становиться все более заметным, вызывая еще более ускоренное расширение Вселенной.

Рис. 6.13. Флуктуации фонового микроволнового излучения, определяющие общую кривизну пространства.

На верхнем снимке представлены опытные данные; нижние снимки представляют собой три возможных распределения флуктуаций с двухмерными изображениями пространственно-временной кривизны. Слева направо представлены случаи замкнутой, плоской и открытой Вселенной. Данные более всего согласуются со случаем плоской Вселенной

Решение головоломки: где, когда, как и кто?

С точки зрения теории существует несколько возможностей учета темной энергии:

♦ Возвращение космологической постоянной Эйнштейна. Будет забавно, если окажется невозможным обойтись без «самой крупной ошибки» Эйнштейна. Ведь правильно подобранная космологическая постоянная отразит противодействие тяготению в виде отрицательного давления, вызывающего ускоренное расширение Вселенной в согласии с опытными данными. Но если космологическая постоянная представляет собой энергию нулевых колебаний вакуума (представление квантовой механики, связанное с принципом неопределенности Гейзенберга), она получается на 120 порядков выше, и надо ее каким — то образом уменьшать.

♦ Добавление зависящего от времени члена к эйнштейновским уравнениям поля. Если бы некоторая величина в уравнениях Эйнштейна менялась во времени, она могла бы объяснить незначительное влияние темной энергии для ранней Вселенной и последующее усиление ее роли. Хотя теоретики предпочитают простые уравнения по возможности с малым числом регулируемых параметров, надо рассмотреть и такой, менее изящный выход из положения.

♦ Допущение изменения во времени фундаментальных величин, ранее считавшихся постоянными. Возможно, скорость света или постоянная тяготения менялись со временем. Исследования в этом направлении продвигаются с трудом и дают противоречивые результаты.

♦ Добавление пятого, еще не выявленного взаимодействия. Данное взаимодействие получило название «квинтэссенция» и представляет собой еще не выявленное поле отрицательной энергии, пронизывающей все пространство. Схожее представление связано со спиновым полем, именуемым спинтэссенцией.

♦ Допущение гипотетических частиц под названием аксионы. Если аксионы существуют, то фотоны могут генерировать аксионы, а затем опять становиться фотонами, вызывая изменения в светимости звезд. Другая возможность состоит в том, что аксионы каким — то образом связывают друг с другом темную материю и темную энергию. Аксионы — необычные частицы, возможно, имеющие отношение к вопросу о происхождении массы элементарных частиц Вселенной (см. гл. 2).

♦ Допущение возможности существования множественных вселенных. Возможно, квантовая пена породила много вселенных, и мы обитаем в одной из них. Другие вселенные вполне могут обладать иной величиной сил взаимодействия, иными постоянными или даже совершенно иными физическими законами. Наша приютила жизнь, благодаря чему мы можем рассуждать о ее природе.

♦ Взаимодействие мембраны, содержащей нашу Вселенную, с мембранами, содержащими иные вселенные. В случае истинности одной из теорий относительно источника массы у частиц (см. гл. 2), включающих недоступные ощущениям многочисленные размерности, возможно, мембрана, на которой пребывает наша Вселенная, взаимодействует с другими мембранами посредством тяготения. Тогда мембраны могли бы сталкиваться, что заставило бы нас пересмотреть все прежние теории относительно эволюции Вселенной.

Где, когда и как.

Помимо теоретических разработок планируется проведение ряда опытов по выяснению природы и величины темной энергии и темной материи.

♦ Космический телескоп Джеймса Уэбба. В 2010 году намечено заменить космический телескоп Хаббла другим, более мощным. Если вспомнить, сколькими успехами мы обязаны телескопу Хаббла, от его преемника следует ожидать еще более ощутимых результатов.

♦ Спутник Планка. Европейское управление космических исследований готовит запуск спутника для проведения более точных по сравнению с сегодняшними измерений флуктуаций реликтового излучения. Запуск намечен на начало 2007 года.

♦ Слоуновский цифровой обзор неба. В рамках этого грандиозного проекта, уже претворяемого в жизнь, с помощью 2,5 — метрового телескопа [обсерватории Апачи-Пойнт,[28] штат Нью-Мексико] проводится нанесение координат галактик одной четверти видимого неба. Будет охвачено более 100 млн. галактик.

♦ SNAP (SuperNova/Acceleration Probe). В рамках данного проекта намечен запуск космического телескопа, который на протяжении трех лет смог бы регистрировать до 2 тыс. сверхновых типа 1а в год. Заработать он должен не позднее 2006 года.