Все о космосе

Возвращение ламбда-члена

Виртуальные частицы обладают не­которой энергией. На первый взгляд, исходя из интуитивных представлений, о какой энергии пустоты можно гово­рить? Но квантовая механика не в ладу с нашей интуицией. На этот раз она на­чала игры с ламбда-членом, который, в пору своего возникновения в работе Эйнштейна, никакого отношения к ней не имел. (Квантовую механику Эйн­штейн "не уважал", считая ее лишь фа­садом чего-то скрытого, а про ее вероят­ностные законы говорил, что "не верит, что Бог играет в кости".) Но после деся­тилетий забвения ламбда-члена, отвер­гнутого самим автором, физики вновь вернулись к нему. В конце 60-х годов энергия пустоты вышла в ряд важней­ших проблем теоретической физики. На Московском Астрофизическом семина­ре космологическая постоянная, гре­ческая "ламбда", постоянно возникала на доске, а переполненная аудитория внимала, затаив дыхание, парадоксаль­ным идеям, которые ей блистательно излагали Я.Б. Зельдович, И.С. Шклов­ский, А.Д. Сахаров и другие уже поки­нувшие нас корифеи. Теория относи­тельности требует, чтобы в качестве ис­точников гравитации рассматривались все формы энергии, включая энергию пустоты. В 1967 г. Зельдович провел первые расчеты плотности энергии квантового вакуума и нашел, что ей со­ответствует ламбда-член невообразимой величины. В 1967 и 68 гг. он опублико­вал работы, в которых показал, что лам­бда-член, или космологическая посто­янная — это не кривизна мира, а плот­ность энергии вакуума.

Космологическая постоянная стано­вилась темой номер 1. Теоретики сно­ва и снова обращались к плотности энергии вакуума. Сказать, что их ре­зультаты кажутся абсурдными — это слишком мягко. Расчеты показывали, что энергия пустого пространства пре­восходит ВСЮ энергию Вселенной (ес­ли оценить ее с помощью знаменитого "эм-цэ-квадрат"), нет, не в миллиар­ды, не в триллионы — в единицу со 120 нулями раз. При некоторых (условных) допущениях можно ввести ограничение, и число нулей снижается до 55, от чего не легче. Если предполо­жить, что столь высокая плотность энергии вакуума реальна, она бы мгно­венно раздробила и разбросала все ве­щество Вселенной.

Эксперимент. Открытие всемирного антитяготения

Пока теоретики бились над немыс­лимой плотностью энергии вакуума, техника эксперимента достигла такого состояния, которое позволило провести измерения яркости сверхновых, распо­ложенных на полпути к горизонту Все­ленной, о чем уже говорилось выше. Ре­зультаты наблюдений легче всего пред­ставить в виде графика. По горизонтали отложено "красное смещение" z, которое просто равно относительной величине сме­щения длин волн спектральных линий сверхновой. Если z = 0,5, это соответству­ет примерно 1/3 расстояния до горизонта Вселенной; z = 1 — Вселенная в возрасте 6 миллиардов лет; z = 6 — молодая Вселен­ная, 1 миллиард лет. По вертикали пока­зана разность между реально наблюдае­мой яркостью сверхновой и ее теоретичес­кой яркостью в пустом пространстве. Как уже говорилось, далекие галактики пред­стают такими, какими были миллиарды лет назад. Соответственно, такими тогда были и свойства пространства, в котором они находились. Если с тех пор расшире­ние замедлилось, это должно быть видно в измерениях. Что же показал экспери­мент? Уже при z = 0,5 яркость сверхновой оказывается на 25% меньше теоретичес­кой. Но при z = 1 вместо уменьшения яр­кость возрастает. Если представить теоре­тическую модель в виде кривой (см. рису­нок), с которой хорошо согласуются изме­рения (для нее соотношение плотности энергии вакуума и вещества составляет 0,7 к 0,3), выводы получаются следующи­ми. Величина красного смещения z = 1 — это то время, до которого все шло пример­но так, как предсказывала теория: ско­рость разбегания галактик (по-видимому, это и скорость расширения пространства, хотя с этим не все согласны) под действием всемирного тяготения постепен­но замедлялась. Вплоть до воз­раста 7 миллиардов лет движе­нием галактик управляла мате­рия через гравитацию. Но даль­ше в их движении произошли изменения. Вместо замедления галактики стали УСКОРЯТЬСЯ, причем их ускорение экспоненциально нарастает в течение последних 5 миллиардов лет. Всемирное притяжение сменилось все­мирным отталкиванием, или антиграви­тацией! Мы живем примерно в середине периода, когда роль Темной Массы (вмес­те с обычным веществом) сменилась ро­лью Темной Энергии. При возрасте 7 мил­лиардов лет их отношение было 10/1. Че­рез 14 миллиардов лет отношение станет обратным, 1/10 (или 10/1, но уже в пользу Темной Энергии). Свойства антигравита­ции удивительны. Нам представляется ес­тественным, что путешественник, кото­рый отправился из пункта А в пункт Б, удаляясь от А, приближается к Б. Но пу­тешественники на межгалактическом ко­рабле отдаленного будущего смогут уви­деть, что антигравитация удаляет от них все пункты одновременно.

Темная Энергия и Судьба Вселенной

На существование антигравитации указывают и результаты исследований реликтового излучения, и наблюдения сверхновых. Источник антигравитации, Темная Энергия, представляет собой не­сравненно большую загадку, чем Темная Масса. По-видимому, влияние Темной Энергии существовало всегда, но стало проявляться лишь тогда, когда гравита­ция Вселенной ослабилась из-за ее расши­рения. Наиболее подходящий кандидат на роль Темной Энергии — вакуум, хотя есть и другая гипотеза: космическое уско­рение может объясняться ослабленной формой тех чудовищных сил, которые разбросали материю при Большом Взры­ве. По существу, это замена одного неиз­вестного явления другим, еще более неиз­вестным, или, может быть, просто замена названия. Неизвестно даже, тот ли ваку­ум сегодня правит во Вселенной, что был в момент ее рождения, и тот ли это вакуум, который в лабораториях штурмуют физики. Ученые размышляют, сжимаема ли Темная Энергия и не изменялись ли ее свойства во времени. Теоретические ис­следования указывают на совершенно фантастическое, с точки зрения здравого смысла, свойство вакуума: он должен иметь отрицательное давление, причем плотность его энергии при расширении остается, как ни странно, постоянной, в то время как в газовой среде давление по­ложительно и падает с расширением. Ин­тересно сравнить плотность энергии ваку­ума и Темной материи. На тот же межга­лактический куб со стороной 170000 км, с 1 г обычного вещества и 10 г Темной Мас­сы, приходится 25 г Темной Энергии, если выразить ее как плотность массы. Вакуум является самой плотной средой. Но, в от­личие от Темной и светящейся материи, распределение которых неоднородно, плотность вакуума абсолютно одинакова во всей Вселенной. Среди других парадок­сальных свойств вакуума — его плотность и давление постоянны, несмотря на расши­рение Вселенной, которое он и вызывает, сам оставаясь неизменным. Плотность ва­куума выражается через эйнштейновский ламбда-член Л как р = c²A(8tiG) и его отри­цательное и неизменное, всегда и везде, давление р = р - рс². Именно отрицательное давление вакуума создает антигравита­цию. На вакуум нигде и ничто не влияет. В отличие от реликтового излучения, дви­жение относительно вакуума никак не об­наруживается. Вакуум всегда попутный, как было показано в знаменитом экспери­менте А. Майкельсона еще в 1881 г.

Судьба нашей Вселенной, сценарий дальнейших в ней событий теперь полнос­тью определяются Темной Энергией, если ее свойства во времени остаются неизмен­ными. Всемирное тяготение в межгалак­тических масштабах свое отыграло и боль­ше не вернется. Теоретики рассматривают уравнение состояния Темной Энергии (обозначаемое малым w) при разных ее плотности и давлении. Если ее свойства неизменны, w = -1. Некоторые повороты теории допускают пределы w от 0 до -1, а наблюдения сверхновых указывают на ве­личину, близкую к -1. Значения, боль­шие по абсолютной величине, скажем, -1,1, приводят к появлению бесконечнос­тей и логических бессмысленностей. Вряд ли это смущает природу, но теоретиков ставит в тупик. В обзорной статье в упоми­навшемся выпуске журнала Science гря­дущие события описывались весьма дра­матично, следующим сценарием дальней­шей эволюции Вселенной. Антигравита­ция со временем все нарастает. Через не­сколько миллиардов лет она приступает к "Большому вспарыванию" ткани Вселен­ной. Сначала разрушаются скопления га­лактик, и под действием Темной Энергии они "выстреливаются" из скоплений. В оптимистическом варианте это происхо­дит примерно через 10 миллиардов лет (так что время у нас еще есть). Через не­сколько сотен миллионов лет после этого наша и другие галактики разлетаются на куски. Далее события все ускоряются. Разрушаются планетные системы, плане­ты теряют связь с Солнцем. Разрушаются звезды и планеты. Химические соедине­ния распадаются на атомы, но и атомы те­ряют стабильность: ядра не могут удер­жать электроны. Под действием колос­сальных давлений "вспарываются" прото­ны и нейтроны... Примерно такие страсти звучали и в некоторых научно-популяр­ных статьях и выступлениях, что у физи­ков-космологов вызвало, как было приня­то писать недавно, "гневное негодование". В их более реальном сценарии антиграви­тация мало что меняет в уже существую­щих галактиках, а тем более в Солнечной и других планетных системах. От анти­гравитации они защищены своей массой. Антигравитация проявляется на косми­ческих масштабах, а вблизи массивных тел эффекты всемирного тяготения неиз­менны. Стакан воды не ускользнет к по­толку из ваших рук, а Земля не покинет Солнце в ближайшие миллиарды лет. Про­исходит же следующее. Антигравитация действительно нарастает, что приводит ко все ускоряющемуся взаимному удалению галактик и постепенному уходу их за гори­зонт Вселенной. В этом смысле пространс­тво становится все более и более пустым. Галактики на небе того далекого времени астрономы будут считать по пальцам. Но отбирать у нас Солнце (которому, кстати, до этой поры все равно не дожить) никто не собирается. Таков сценарий "Большого вспарывания", исходя из того, что о свойс­твах Темной Энергии известно сегодня. Но окончательный ли это сценарий?