Что такое "темная энергия"?

Публикуется в разделе "Космос, Вселенная"

Как известно, современная общепринятая модель мира основывается на двух темных и загадочных сущностях – темном веществе (темной материи) и темной энергии. И если с первым ученые как-то худо-бедно еще разобрались, и научились даже определять и находить концентрации этой невидимой субстанции в космосе, то с темной энергией дела обстоят совсем уж никак. Только гипотезы и умопостроения. Так что же это за сущность такая, темная энергия?

Глядя на ночное небо, мы видим лишь небольшую часть космоса – россыпи ближайших звезд в темной и черной пустоте. Хотя на первый взгляд Вселенная кажется неизменной, на самом деле она расширяется, увеличивая расстояния между галактиками. Эти расстояния удваиваются примерно каждые 10 миллиардов лет. Ученые приписывают это явление темной энергии, из которой состоит 70% нашей Вселенной, и которая определяет ее возможную судьбу.

Меняющаяся Вселенная

В начале 1900-х, когда Альберт Эйнштейн впервые сформулировал общую теорию относительности, считалось, что наша Вселенная статична. Это создавало проблему для теории Эйнштейна. Согласно его расчетам, пространство было динамичным – оно должно было либо сжиматься, либо расширяться. Чтобы устранить это несоответствие в своих уравнениях, Эйнштейн добавил в них космологическую константу – фактор, противодействующий силе гравитации. Но когда в 20-х годах прошлого столетия выяснилось, что Вселенная расширяется, Эйнштейн отказался от этой константы, назвав ее самой большой своей ошибкой.

В 1929 году Эдвин Хаббл установил, что далекие галактики "убегают" от нас. И чем дальше находится галактика, с тем большей скоростью она удаляется.
В 1929 году Эдвин Хаббл установил, что далекие галактики "убегают" от нас. И чем дальше находится галактика, с тем большей скоростью она удаляется.

В 1998 году ученые, наблюдающие за сверхновыми, сделали неожиданное открытие. Сравнивая наблюдаемую светимость сверхновых с ожидаемой, они обнаружили, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением.  Почему это происходит, до сих пор остается загадкой. Чтобы как-то объяснить причину этого ускорения, космолог-теоретик из Чикагского университета Майкл Тернер ввел термин "темной энергии".

В течение почти двух десятков лет физики разрабатывали самые различные теории о том, что из себя может представлять темная энергия. Некоторые считают, что темная энергия статична и не изменяется во времени, другие же полагают, что она динамична и со временем изменяется. Третьи и вовсе отрицают существование темной энергии.

"Мы находимся перед очень глубокой загадкой",– говорит Тернер.

Полная пустота

Темная энергия – это дополнительная сущность во Вселенной помимо обычного и темного вещества. Согласно двум основным теоретическим моделям, это может быть космологической константой либо чем-то, что называют квинтэссенцией.

Сегодня основной и наиболее сильной версией считается версия космологической константы (модель Лямбда CDM). Под этой константой, названной так в честь поправки Эйнштейна, предполагается энергия космического вакуума, которая остается неизменной за 14 миллиардов лет истории Вселенной. Неизменная и однородно распределенная в пространстве, она продолжит стимулировать космическое ускорение в постоянном темпе, пока Вселенная не станет холодным и темным местом, в котором галактики разлетятся слишком далеко друг от друга, чтобы их видеть.

Ученые придерживаются космологической константы из-за ее простоты, и из-за того, что все экспериментальные данные подтверждают ее. Но, несмотря на популярность, существует главная концептуальная проблема – галактики прошли меньший путь, чем должны были бы.

"Простейшая  квантово-механическая оценка даст вам число, которое огромно в сравнении с настоящим значением космологической константы, если это темная энергия",– объясняет физик-экспериментатор из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Аарон Рудмен,– "Как вы можете быть уверены, что она отлична от нуля и действительно является чем-то мизерным и таинственным?"

Некоторые физики считают, что это значение действительно равно нулю, и что темная энергия – это нечто иное, нежели космологическая константа. Согласно одной из теорий, существует некое энергетическое поле, вызывающее ускоренное расширение Вселенной. Физики называют это квинтэссенцией или "пятой материей". В отличие от космологической константы, оно не остается неизменным в течение длительного времени.

У этой модели имеется множество вариантов, которые по-разному предсказывают, как изменяется темная энергия. Один из таких вариантов получил название "призрачной темной энергии", в котором не просто происходит ускоренное расширение, но и само ускорение увеличивается со временем. Это приводит к сценарию, названному "Большим Разрывом", в котором скорость расширения Вселенной становится бесконечно большой, разрывая галактики, атомы и даже ткань самого пространства-времени.

Новый взгляд на гравитацию

Также возможно, что никакой темной энергии не существует, а что-то странное происходит с гравитацией.

Изменение гравитации допускает самые различные странности. Например, согласно одной из таких теорий, существует измерение более высокого порядка, на которое может распространяться гравитация, но которое для нас непосредственно недоступно. Это измерение может влиять на наше трехмерное пространство, и эти взаимодействия могут проявляться как ускоренное расширение космоса.

Пересмотр теории гравитации – нелегкая задача. Теория относительности Эйнштейна оказалась невероятно точна, и все попытки переписать его уравнения оказались неудачными. Любые попытки включить космическое ускорение в эти уравнения делают их не способными объяснять хорошо изученные явления, например, движение Луны вокруг Земли.

Ученые по-всякому проверяли теорию Эйнштейна, но они только начинают исследовать ее в огромных межгалактических масштабах. Если ученые найдут несоответствия, то это будет означать начало новой физики.

"Если бы единственный способ, с помощью которого мы могли бы интерпретировать несоответствие, состоял в том, что с гравитацией происходит что-то странное, то фундаментальная физика пошла бы в совершенно ином направлении",– говорит астрофизик Джош Фримен, директор проекта Dark Energy Survey, эксперимента, нацеленного на поиск причины ускоренного расширения Вселенной.  

Поскольку пересмотры модели гравитации приводят нас в совершенно неизведанные области, то они делают судьбу Вселенной еще более трудно предсказуемой.

Обзор небес

Первостепенная задача в попытках разгадки феномена темной энергии состоит в том, чтобы определить, существует ли темная энергия фактически, и соответствует ли она теории космологической константы. Для этого ученые изучают историю расширения Вселенной, а также роста галактик и других космических структур. Теория гравитации и космологическая константа дают весьма определенные предсказания о том, что они должны увидеть, и найденные несоответствия могут помочь исключить некоторые из теорий.

Однако исключение вариантов не обязательно означает, что ответ где-то рядом.

"Нам нужно больше экспериментальных данных. Нам нужны другие подсказки. Те, что у нас есть сейчас, пока не очень убедительны",– говорит Тернер,– "И эти подсказки мы можем получить и через неделю, и через месяц, и спустя годы, в текущих или будущих экспериментах".

Вердикт

Если вы спросите физиков, на какую из теорий они бы ставили, то большинство, скорее всего, остановятся на модели космологической константы. Но есть немало физиков, которые думают, что ни одна из существующих теорий не верна. В их числе – Скотт Доделсон, астрофизик из Лаборатории им. Энрико Ферми.

"Возможно, мы идем неверным путем, и мы должны заново продумать интерпретации наших наблюдений",– говорит Доделсон.

Окончательная судьба нашего мира – это вопрос, который задавали себе люди с древнейших времен. Ответ на него непрост, но мы сегодня, конечно, ближе к нему, чем когда-либо.

Диана Квон Источник: symmetrymagazine.org
Хотите что-то добавить или возразить? Вы можете оставлять свои комментарии прямо здесь или вступить в наши группы ВКонтакте или в Facebook и участвовать в обсуждениях