Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

Но в 1995 году космологи Лоуренс Краусс и Майкл Тернер отметили, что, согласно существующим на тот момент данным, во Вселенной действует положительная космологическая постоянная, которая на деле вносит свой вклад в критическую плотность Вселенной. Они отметили, что вследствие этого должно происходить ускоряющееся расширение, проявляющееся в увеличении скоростей разбегания галактик на больших расстояниях, то есть график начнет загибаться вверх{280}.

Ранее, в 1982 году, о том, что космологическая постоянная может иметь положительное значение, заявлял выдающийся французский астроном Жерар Анри де Вокулер{281}. Он заметил, что распространенность квазаров в пространстве свидетельствует о небольшой положительной кривизне, которая может быть следствием действия положительной космологической постоянной.

Как нам теперь известно, дальнейшие наблюдения подтвердили существование этого эффекта, но до тех пор не все ученые принимали выводы, сделанные в этих работах, и осознавали их значение.

Скорости разбегания галактик легко измерить с помощью их красных смещений. Но, как мы уже знаем, измерение расстояний всегда было непростой задачей для астрономов. В 1990-х годах две исследовательские группы приняли в качестве нового эталона светимости, так называемой стандартной свечи, особый вид сверхновых, образующихся в результате взрыва белых карликов. Этот метод существенно повысил точность оценки расстояний до самых удаленных галактик.

Белые карлики представляют собой остатки относительно типичных звезд (таких как наше Солнце), которые сожгли все свои запасы термоядерного горючего. Тусклый свет, который они все еще излучают, обусловлен остатками тепловой энергии. Если масса белого карлика не превышает 1,38 солнечной массы, он будет оставаться относительно стабильным. Однако если он является частью двойной звезды, то может за счет своей соседки прирастить массу, так что ее станет достаточно для того, чтобы произошел взрыв сверхновой. Это явление называется сверхновой типа 1а. Поскольку взрыв происходит при достижении определенной массы, пиковая светимость сверхновой во всех таких случаях будет примерно одинаковой.

Согласно закону сохранения энергии, интенсивность света сверхновой будет падать пропорционально квадрату расстояния до нее. Таким образом, измеряя наблюдаемую светимость сверхновой типа 1а, определяемую на основании ее кривой блеска (изменения яркости со временем), расстояние до нее можно определить с небывалой точностью.

Одна из таких исследовательских групп называлась High-Z Supernova Search Team («Хай-зет сверхновая»), ее руководителями были Брайан Шмидт из Австралийского национального университета и Адам Рисе из Института исследований космоса с помощью космического телескопа. В эту группу входили 25 астрономов из Австралии, Чили и Соединенных Штатов, занимавшихся анализом данных наблюдений, полученных в филиале Европейской южной обсерватории и чилийской обсерватории «Ла-Силья».

Другая группа, под руководством Сола Перлмуттера из Центра астрофизики элементарных частиц при Калифорнийском университете в Беркли, называлась Supernova Cosmology Project («Проект космологии сверхновых»). В ее состав входил 31 ученый из Австралии, Чили, Франции, Испании, Швеции, Соединенного Королевства и США. Они анализировали данные, полученные в ходе обзора сверхновых Calan/Tololo, проведенного на базе Межамериканской обсерватории «Серро-Тололо», также расположенной в Чили.

В сентябре 1998 года группа High-Z опубликовала свидетельства в пользу того, что на больших расстояниях кривая Хаббла изгибается вверх{282}. Первого июня 1999 года исследователи из проекта Supernova Cosmology опубликовали свои результаты, которые трактовали как доказательство положительного значения космологической постоянной с 99%-ной достоверностью.

Результаты, полученные группой High-Z, продемонстрированы на рис. 13.4. В верхней части показана зависимость используемой в астрономии единицы измерения, называемой модулем, расстояния (она основана на соотношении видимой и абсолютной светимости), от красного смещения z (мера скорости разбегания). Данные сравнили с тремя моделями, предполагающими различные значения ΩM — энергетической плотности материи и ΩL — энергетической плотности вакуума, каждая из которых является частью критической плотности. В нижней части показана разница между экспериментально определенным модулем расстояния и его ожидаемым значением в модели, где ΩM = 0,2, ΩL = 0. Хотя величина ошибки в каждой отдельной точке велика, данные в целом ясно свидетельствуют в пользу модели, в которой энергия вакуума преобладает над энергией материи. В случае преобладания материи кривая графика данных изогнулась бы вниз, поскольку взаимное гравитационное притяжение галактик на больших расстояниях замедлило бы скорость их разбегания. Вместо этого мы наблюдаем ускорение, свидетельствующее о гравитационном отталкивании. То есть скорость расширения Вселенной увеличивается. Источник этого отталкивания был назван темной энергией, согласно этим данным, ее плотность составляет порядка 70% от критической.

Рис. 13.4. Результаты экспериментов исследовательской группы High-Z Supernova. Изображение взято из статьи: Riess Adam G. et al. Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant//Astronomical Journal, 116, 1998. — №3:1009. © AAS. Используется с разрешения правообладателя 

Может показаться, что при этом нарушается закон сохранения энергии, но это не так. Вспомните, в главе 5 мы говорили о том, что первый закон термодинамики, по сути, представляет собой обобщенную форму закона сохранения энергии, которую можно применить к любой материальной системе — газу, жидкости, твердому телу или плазме. Как правило, расширяющийся газ совершает работу, как это происходит в цилиндрах автомобиля (при условии, что он имеет двигатель внутреннего сгорания). Это происходит благодаря тому, что большинство газов имеют положительное давление вследствие движения составляющих их молекул и их столкновений со стенками сосуда.

Однако, согласно общей теории относительности, давление, вызываемое положительной космологической постоянной, имеет отрицательное значение. Это значит, что по мере расширения объема это давление выполняет отрицательную работу. В отличие от хорошо знакомых нам расширяющихся газов расширяющаяся Вселенная с отрицательным давлением работает сама на себя. Поскольку количество работы равняется увеличению внутренней энергии, закон сохранения энергии соблюдается.

В 2011 году Перлмуттер, Рисе и Шмидт разделили Нобелевскую премию по физике за сенсационное доказательство того, что Вселенная падает вверх.

Как уже упоминалось, это открытие не стало полной неожиданностью. Космологам было хорошо известно, что положительная космологическая постоянная, введенная Эйнштейном в рамках его общей теории относительности, вызывает гравитационное отталкивание. В самом деле, мы уже знаем, что де-ситтеровская Вселенная, которая не содержит ни материи, ни излучения, а только положительную космологическую постоянную, расширяется экспоненциально и является простой инфляционной моделью ранней Вселенной. Теперь, похоже, инфляционное расширение продолжается и в наши дни, хотя происходит значительно медленнее.

Давайте коротко рассмотрим задействованные в нем физические процессы. Космологическая постоянная (см. главу 6) равносильна скалярному полю постоянной энергетической плотности, равномерно заполняющему Вселенную. Поэтому, так как Вселенная расширяется, ее общая внутренняя энергия увеличивается по мере увеличения объема.

Хотя ускоряющееся расширение Вселенной может быть следствием действия космологической постоянной, это не обязательное условие. Другая возможность заключается в том, что Вселенная может быть заполнена квантовым полем, имеющим отрицательное давление. Это поле ученые назвали квинтэссенцией. В других областях физики отрицательное давление тоже не является чем-то неслыханным. В некоторых диапазонах давления и температуры газ Ван-дер-Ваальса имеет отрицательное давление. При этом его молекулы расположены настолько близко друг к другу, что их электронные облака отталкиваются и молекулы испытывают результирующее действие сил притяжения.

Кванты поля квинтэссенции должны представлять собой бозоны, вероятнее всего, с нулевым спином. Ожидаемое отрицательное давление этого поля обусловлено квантово-механической тенденцией бозонов к конденсации. Большинство наиболее передовых космологических моделей включают возможность существования квинтэссенции, не предполагая по умолчанию, что источником ускорения Вселенной является космологическая постоянная.