Знание-сила, 2006 № 08 (950) - [11]
«Новейшие успехи космологии поразительны. Астрономические наблюдения последних лет позволили обнаружить во Вселенной темную энергию, или космический вакуум. В мире присутствует не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение».
В больших масштабах в современной Вселенной вакуум преобладает над обычным веществом, а его свойство отталкивания побеждает обычное тяготение. Поэтому галактики разбегаются друг от друга с возрастающими скоростями. Большой Взрыв продолжается, — утверждает Артур Чернин, — космологическое расширение происходит с ускорением, да и сама космология вступила сейчас в полосу взрывного развития: ее теоретические достижения и наблюдательные открытия следуют одно за другим с возрастающей быстротой. Стоит ли удивляться, что не только астрономы, но и прочие любознательные граждане сейчас пристально интересуются проблемами космологии. Издательство «Век-2» явно угадало с выбором этой темы, а профессор Чернин, как всегда — блестя ше воплотил идею в книжку. Ждем продолжения серии «Наука сегодня», ведь сегодняшняя наука — это наша завтрашняя жизнь.
Артур Чернин
Темная энергия и всемирное антитяготение
Сила, что движет мирами, — так говорили о тяготении на гротяжении трех с лишним веков, считая от ньютоновых «Начал» (1687 год). Однако в последние несколько лет стало ясно, что и Вселенной как целым, и галактиками вблизи нас движет не тяготение, а антитяготение, универсальная сила космического отталкивания. В 1998—99 годах антитяготение было открыто на самых больших космологических расстояниях порядка 1000 мегапарсек (Мпк), сравнимых с расстоянием до горизонта мира.
В 2000 году его присутствие было замечено также и на относительно малых расстояниях порядка 1 Мпк, в нашем ближайшем галактическом окружении.
Если тяготение создается всеми телами природы — от элементарных частиц до гигантских скоплений и сверхскоплений галактик, — то источником антитяготения служат не тела, а некий не связанный с ними физический объект, который получил название «темной энергии». До 1998—2000 годов об антитяготении и темной энергии ничего не было известно ни из физических экспериментов, ни из астрономических наблюдений. Но в теоретической космологии возможность антитяготения давно уже обсуждалась. Гипотеза об универсальном космическом отталкивании была выдвинута в модифицированном варианте общей теории относительности, предложенном Эйнштейном в 1917 году (хотя таких слов, как антитяготение или темная энергия, у него не было ни тогда, ни позже). Антитяготение представлено в общей теории относительности всего одной величиной — эйнштейновской космологической постоянной.
Идея Эйнштейна получила развитие в середине 1960-х годов в работах Эраста Борисовича Глинера, работавшего тогда в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе в Ленинграде. Он показал, что гипотеза космологической постоянной эквивалентна предположению о том, что во Вселенной присутствует идеально однородная «среда» с плотностью, неизменной во времени и пространстве. Подобная среда является вакуумом: движение и покой относительно нее неразличимы, — таково основное механическое свойство вакуума. Далее мы будем говорить об этой среде как о вакууме Эйнштейна—Глинера (ЭГ- вакуум). Весьма вероятно — хотя это и не доказано пока окончательно прямыми наблюдениями, — что темная энергия — это энергия Э Г-вакуума.
Как бы то ни было, темная энергия определенно «темна», по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, она невидима — не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны. При (почти катастрофическом) недостатке знаний о физике темной энергии, с нею тем не менее можно продуктивно работать, — прежде всего, наблюдать ее, что, конечно, важнее всего, но также и изучать ее теоретическими средствами.
В наблюдениях темная энергия предстает перед нами как объект, для которого вполне пригодно макроскопическое (то есть усредненное по определенным пространственным масштабам) описание. Макроскопическим уровнем приходится в основном ограничиваться пока и в теории. Но даже и в этом случае мы сталкиваемся с затруднениями, когда требуется (например, для педагогических целей) дать ей какое-то общее определение, — особенно в случае, если темная энергия необязательно тождественна энергии ЭГ-вакуума. Действительно, важнейшее отличительное свойство темной энергии понятно — она источник всемирного антитяготения: но не ясно, под какое более общее понятие физики ее можно было бы подвести. Если, однако, не стремиться к слишком большой строгости, то темную энергию можно и в самом общем случае понимать феноменологически как некую сплошную среду, заполняющую все пространство мира. Тогда она оказывается в одном ряду с другими компонентами космической среды, заполняющими то же пространство.
До 1998—2000 годов были известны три таких компоненты: 1) «обычное вещество», то есть протоны, нейтроны и электроны, из которых состоят планеты, звезды и другие обычные тела природы (считая и нас самих); за этой компонентой закрепилось название «барионы» (хотя электроны к тяжелым частицам и не относятся); 2) «темное вещество», состоящее из гипотетических нерелятивистских элементарных частиц, не участвующих (в отличие от барионов) в сильном взаимодействии; 3) «излучение», под которым понимаются реликтовые фотоны и нейтрино, а также гравитоны и другие возможные ультрарелятивистские частицы. Эти три космические компоненты, или, как сейчас чаше говорят, космические энергии, создают тяготение. Под темной энергией нужно тогда понимать четвертую космическую энергию, отличительным свойством которой служит способность создавать не тяготение, а универсальное космическое отталкивание. Это феноменологическое определение темной энергии мы и будем далее иметь в виду.
