promo

понедельник, 26 августа 2013 г.

ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ — ВЫМЫСЕЛ?

В этой статье мы будем защищать темную энергию. Она доминирует во вселенной, она абсолютно абсурдна, но она крайне необходима физике. Сложный вопрос, решения которого пока нет. Тем не менее мы попробуем пролить свет на самые темные и самые светлые стороны этого вопроса. Является ли темная энергия выдумкой, притянутой за уши?

Идея темной энергии настолько смешная, что практически любой вопрос относительно ее существования начинается с «зачем она нужна?». Никто не хочет верить в темную энергию, но у него нет выбора. В самом деле, что за абсурд: во вселенной существует огромное количество некого «вакуума», который «растягивает» ее изнутри?

В середине 90-х годов космологи решили, что знают все. Темная материя была известна с 1920 года, и самые уважаемые физики считали, что Вселенная состоит из комбинации обычной и темной материи. Поскольку гравитация притягивает, очевидно, материя должна стягивать Вселенную.

В то же время несколько команд ученых наблюдали за взрывами далеких сверхновых. Сверхновые (типа Ia, если быть точным) — на самом деле весьма полезные маяки во Вселенной, поскольку: а) они очень яркие, а значит, их можно заметить издалека; и б) зная наверняка, насколько они яркие, можно определить, как далеко они находятся. Мы можем измерить красное смещение сверхновых и определить, насколько расширилась вселенная с момента их взрыва. А комбинируя расширение вселенной и дистанцию, мы можем определить, как быстро вселенная замедляется.

Да только не получилось.

В 1998 году команда исследователей High-z Supernova Search объявила в рамках проекта Supernova Cosmology, что, судя по их наблюдениям, вселенная ускоряется. Последующие наблюдения подтвердили это, а виновника торжества окрестили «темной энергией». Как и «темная материя», название должно подчеркнуть то, что мы не имеем никакого понятия, чем это явление является на самом деле. И вовсе не потому, что оно черного цвета.

Темная материя, как вы должны были уже понять, это «загадочная субстанция» (ее всегда так называют), которая заставляет вселенную ускоряться. Это не так смешно, как кажется на первый взгляд. Вы знаете, что масса создает гравитационное поле, но общая теория относительности гласит, что любая форма энергии тоже так умеет. Еще более странным кажется то, что гравитация получает дополнительную мощь, если подключается давление. В нормальных условиях мы этого не замечаем, поскольку даже в центре солнца давление крошечное, по сравнению с плотностью энергии.

Темная энергия — странный случай. Суть в том, что ее давление отрицательное, а значит ее чистая гравитация отталкивает. Было бы упущением не отметить, что темная энергия ближе всего к тому, что мы понимаем под антигравитацией. Это не антигравитация, но мы можем так сказать.

По самым оптимистичным оценкам, на долю темной энергии приходится 70 % от всей энергии во вселенной. При такой плотности частицы темной энергии должны появляться перед нашими глазами постоянно. Но как ни странно, нет. Ни один детектор не может ее зафиксировать. Но это не означает, что мы никогда не видели ничего, похожего на темную энергию. Как в случае с червоточинами пространства-времени, может быть, мы просто неправильно ее идентифицируем.

Квантовая динамика — одна из самых успешных теорий, когда-либо созданных человеком. Она объединяет электромагнетизм и квантовую механику и предсказывает все, начиная от детальной структуры атома до магнитного напряжения электрона с фантастической точностью. Также у нее есть плохая репутация производить массу бесконечностей в вычислениях. Это плохо, но ученые решили этот вопрос путем вычитания одной бесконечности из другой. Да, это хитрость. Да, это стыдно. Но это работает.

Одна из бесконечностей, которые вытекают из этой теории, связана с частицами и античастицами, которые постоянно рождаются из вакуума. Есть две хороших новостей и одна отвратительная по поводу «энергии вакуума» этих временных частиц. Первая клевая вещь — у нее есть отрицательное давление, которое необходимо, чтобы быть темной энергией. Вторая — это не выдумка. Мы можем наблюдать эффект Казимира в лаборатории. Две металлические пластины в вакууме будут притягиваться, поскольку за пределами пластин больше вакуумных флуктуаций, чем между ними.

Плохая новость заключается в том, что любая оценка энергии вакуума дает плотность энергии в 10^100 раз больше, чем плотность, которая вытекает из измерений ускорения сверхновых (даже если немного округлить «бесконечность»). Это огромная проблема. Это одна из самых больших проблем в физике.

Можно предположить, что вселенная не ускоряется вообще. Пусть самые далекие сверхновые отличаются от тех, что находятся рядом с нами, и этот странный эффект заставляет нас думать, что вселенная ускоряется. Физики думали об этом, но наличие сверхновых не единственное доказательство, чтобы стать верующим.

Выдумали ли физики темную энергию?

Одним из лучших доказательств того, что мы имеем, является измерение космического микроволнового фона. Это излучение Вселенной, когда ей было всего 380 000 лет. Мы можем наблюдать столкновения горячего и холодного тех времен так, словно наблюдаем за волнами на воде. Поскольку свет этого излучения путешествовал на протяжении всей истории вселенной, прежде чем попасть в наши телескопы, мы можем использовать эту информацию, чтобы восстановить форму вселенной с невероятной точностью. Она «плоская», кстати. Что это дает нам? То, что мы видим, что обычная и темная материи вкупе дают только 30 % энергии, которая необходима, чтобы сделать нашу вселенную «плоской», остальное должно приходиться на долю той самой темной энергии. Но и это еще не все. От распределения галактик и гравитационного линзирования до количества далеких кластеров галактик, каждый пункт доказательства говорит в пользу существования темной энергии.

Если вы хотите избавиться от темной энергии, вам нужно избавиться от относительности. Вы можете попробовать, но гораздо проще будет выяснить, что такое темная энергия.

Проблема в том, что физики честно не знают объяснения. Одним может быть то, что эйнштейновская «космологическая постоянная» была верна с самого начала, и просто-напросто связана куда сложнее с нашей теорией гравитации. Другое — темная энергия жидкая, и ее давление меняется от места к месту и время от времени. До сих пор нет никаких доказательств ни одному, ни другому объяснению.

Но если энергия вакуума так велика, почему темная энергия так мала? Этого тоже никто не знает. Есть предположения, что это просто антропный принцип в действии. Возможно, во всех вселенных есть больше или меньше темной энергии, но те, в которых больше ее, ускорились так быстро, что ни звезды, ни другие сложные структуры не успели сформироваться.

Попробуем сформулировать вопрос по-другому. Может быть ускорение вселенной быть реальным, но так, чтобы ее растягивало снаружи? Проблема в том, что у вселенной нет никакого снаружи. Куда бы вы ни пошли, везде вы найдете себя. Представьте себе, что наша вселенная — тесто для пиццы, и кто-то пытается раскатать его. Что произойдет? Края будут удаляться от нас с ускорением, но грибочки рядом будут держаться более-менее вместе. Это потому, что у гравитации есть локальная кривизна в пространстве-времени, и что-то — назовем это темными энергетическими дрожжами — расталкивает все грибы. В общем, физики не знают, что это за дрожжи.

Комментариев нет:

Отправить комментарий