Три энергии, два скрытых измерения

Скрытые измеренияНаиболее распространено мнение, что темная энергия полностью соответствует не зависящему ни от чего лямбда- члену, космологической постоянной и представляет собой проявление физического вакуума, всепроникающей среды, заполняющей пространство на всех масштабах, от «макро» до «микро». У этой среды есть интересное свойство: ее плотность пропорциональна давлению, а коэффициент строго равен минус единице, потому что давление это — отрицательное. Другое удивительное свойство — постоянство во времени и пространстве плотности энергии. Удивительно оно потому, что при расширении Вселенной увеличивается и общее количество содержащейся в ней темной энергии — исключительно в силу роста объема нашего мира. Насыщенный энергией вакуум притекает как будто из ниоткуда, и энергия берется из ничего. Вещества же остается столько, сколько получилось при Большом взрыве, новое не образуется. Неудивительно, что в такой модели дело идет к миру де Ситтера, причем когда-нибудь, в бесконечно отдаленный от нас момент времени, общая энергия Вселенной рискует стать бесконечно большой.

Строго говоря, подобное решение называется расходимостью, которая физиками никогда не приветствовалось. Да и появление энергии из ниоткуда смахивает на нарушение закона сохранения, что должно бы привлечь внимание специалистов Комиссии РАН по борьбе с лженаукой…

Еще одно слабое место тождественности темной энергии и энергии вакуума состоит в следующем. Из квантовой физики следует, что энергетическая насыщенность вакуума колос- сальна — 10118 ГэВ/см3, а плотность темной энергии на 124 порядка меньше (~10-6 ГэВ/см3). А ведь еще Я.Б.Зельдович высказывал мысль, что квантовый и космологический вакуум — это одно и то же, и пока его точку зрения опровергнуть не удается. Разрыв же в сотню с лишним порядков оцениваемой величины свидетельствует о том, что какие-то существенные факторы при этом сопоставлении не учтены.

Альтернативная точка зрения предполагает, что лямбда-член непостоянен. Тогда мир заполнен помимо вакуума еще и неким скалярным полем (то есть таким, в котором значение интенсивности дается одним числом, как, например, в поле температур, а не вектором, как для электрического поля), или квинтэссенцией. Она также обладает отрицательным давлением, однако отношение его к плотности больше -1, но меньше -1/3. Общее количество квинтэссенции в нашем мире постоянно либо время от времени меняется скачком, обеспечивая изменения скорости расширения. В результате ее плотность по мере расширения, как правило, падает, что позволяет избавиться от упомянутой расходимости, но возникает другая проблема: раз есть изменения во времени, ничто не мешает плотности квинтэссенции флуктуировать и в пространстве. А тогда нарушается введенный Эйнштейном основополагающий космологический принцип изотропности Вселенной. Если же в разных местах ее свойства оказываются разными, да еще и зависящими от времени, то изучать такой мир становится гораздо труднее, поскольку при этом фундаментальные константы становятся переменными. Одним из первых пострадает закон Хаббла, краеугольный камень теории Большого взрыва и всей современной космологии, — при других константах спектры излучения станут другими, и разлет галактик перестанет иметь отношение к красному смещению.

Поэтому столь актуально измерение с максимальной точностью фундаментальных констант (см. «Химию и жизнь», 2011, № 10). Еще интереснее получается, если темная энергия оказывается фантомной, то есть такой, плотность которой возрастает с течением времени. Для этого необходимо, чтобы соотношение ее плотности к давлению было меньше -1. Именно эта модель ведет к Большому пуку.

Впрочем, результаты изучения анизотропии реликтового излучения оставляют мало шансов, что два последних соображения справедливы: отношение давления темной энергии к ее плотности практически точно равно минус единице, а именно -0,97+-0,09.

Принципиально иной взгляд на проблему антигравитации дает идея дополнительных измерений, которые изменяют на соответствующем масштабе закон тяготения. В этой модели никакой темной энергии нет. Что это за скрытые измерения?

В рассуждениях о черных дырах в коллайдере (см. «Химию и жизнь», 2010, № 1) речь шла об измерениях, заметных на малых масштабах, а эта гипотеза предполагает, что пятимерность мира проявляется на огромных расстояниях, сравнимых с радиусом наблюдаемой Вселенной. Тогда на близких расстояниях все останется как было, а на дальних придется вводить поправки к закону Хаббла. Расчет с этими поправками, правда, не дает точного совпадения с экспериментальными данными, но оказывается довольно близким к ним. Возможно, уточнение параметров модели может сделать совпадение лучше.

По подобным размышлениям серьезный удар наносит недавно открытый экспериментальный факт, подтверждающий, что Вселенная с момента Большого взрыва меняла знак ускорения. Сейчас события, последовавшие за Большим взрывом, представляются так. Сначала была первая инфляционная стадия — с быстрым ускоренным расширением. Гипотезу об этой стадии впервые высказал в 1981 году американский космолог Алан Гут. Идею физики поначалу не приняли, но потом, присмотревшись, признали ее правдоподобность.

В соответствии с ней, когда не было еще ничего, ни вещества, ни излучения, Вселенная расширялась с фантастической скоростью — постоянная Хаббла была равна 1040 с-1 (сейчас 2,3 10-18 с-1), причем давление в то время было отрицательным, а плотность энергии — не менялась. Все, что характерно для космологической постоянной.

В какой-то момент времени в этом расширяющемся поле случилось нарушение симметрии (над объяснением которого, в частности, бьются физики в ЦЕРНе на своем Большом адронном коллайдере), и его энергия породила вещество и антивещество. Потом прошла аннигиляция, возникло много фотонов, они отделились от вещества, которое стало не только разлетаться, но и скучиваться под действием гравитации. Где-то на этапе нарушения симметрии появились неоднородности в исходно однородном поле, породившие анизотропию реликтового излучения и крупномасштабные структуры Вселенной. Неоднородности и обеспечили гравитационное скучивание вещества в разлетающемся мире, что привело к рождению галактик и их скоплений. Однако гравитация все больше мешала веществу разлетаться, и скорость расширения Вселенной падала. Это был период главенства гравитации, поскольку расстояния между частицами вещества были еще относительно малы и плотность темной материи казалась ничтожной. Но постепенно она стала набирать силу и в конце концов сравнялась по мощности с гравитацией. После этого начался современный этап в жизни нашего мира — вторая инфляция, и на этом этапе темная энергия — основной игрок на вселенской сцене.

Время, точнее, красное смещение, при котором замедление сменилось ускорением, вполне можно найти. И эту работу нынешние нобелиаты провели: к 2008 году в коллекции обе- их групп было более 200 сверхновых с красным смещением от 0,3 до 1,8. Действительно, те из них, что имели красное смещение более 1, оказались ярче, чем положено по закону Хаббла. Значит, в тот момент Вселенная расширялась с замедлением относительно нынешнего состояния. Сейчас считается, что граница проходит при красном смещении 0,76, и это соответствует чуть ли не ровно половине возраста Вселенной — 7 млрд. лет длилось расширение с замедлением, 7 млрд. лет длится вторая инфляция.

Очевидно, что подобные изменения знака ускорения труд- но списать на какой-то неизменный в пространстве фактор вроде дополнительных измерений. Зато это очень похоже на стоячую волну эфира в мире, имеющем границу. Впрочем, слово «эфир» запрещено, поскольку доказано, что его нет, по- этому подобные модели физики не рассматривают всерьез.

Значение красного смещения в момент нулевого тяготения позволяет определить очень важный параметр темной энергии — отношение ее давления к плотности. Как мы видели, именно от него зависит, какой вид энергии отвечает за расталкивание вещества. Считается, что, когда число измеренных сверхновых с большим красным смещением будет исчисляться тысячами, это значение удастся установить достаточно точно для того, чтобы обоснованно выбрать ту или иную версию. Разобраться в проблеме помогут и наблюдения за сверхдалекими сверхновыми с красным смещением около 3: забравшись на такое расстояние, удастся посмотреть события в совсем юной Вселенной и лучше понять начальный этап ее эволюции, когда преобладала гравитация. Хорошо бы (для разоблачения всяких эфирных теорий) еще и удостовериться, что ускорение одинаково в разных направлениях, но для этого нужна уже статистика в десятки тысяч наблюдений.

Впрочем, не исключено, что такие наблюдения когда-нибудь проведут, недаром и в космосе, и на Земле развертываются все новые мощные обсерватории, а физики в своих лабораториях проводят прецизионные эксперименты по измерению возможных изменений фундаментальных констант, например постоянной тонкой структуры. В значительной степени эту активность вызвало сделанное пятнадцать лет назад открытие ускоренного расширения современной нам Вселенной.