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.

Источник антитяготения

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.

Барионы и темное вещество, если рассматривать их в самом большом космологическом масштабе (100—300 Мпк и более), заполняют пространство однородно — в среднем по этим масштабам; излучение же почти идеально однородно и изотропно. Можно предположить, что и темная энергия тоже равномерно заполняет пространство. Для ЭГ-вакуума это определенно так; но то же самое весьма вероятно и в самом общем случае — это подсказывает то обстоятельство, что темная энергия обнаруживается и на самых больших, и на относительно малых расстояниях. Тогда из имеющихся сейчас наблюдательных данных вытекает, что на нее приходится приблизительно 70 процентов полной плотности современной Вселенной. При этом антитяготение оказывается, как мы видим, универсальным и притом доминирующим, судя по его плотности, феноменом природы. В наблюдаемой Вселенной антитяготение сильнее тяготения и в масштабе всего мира как целого, и в определенных локальных масштабах, о чем мы скажем в конце статьи.

Темная энергия как среда

Темная энергия ЭГ-вакуума, подобно идеальной сплошной среде, строго равномерно заполняет все пространство Вселенной и имеет всюду и всегда постоянную плотность. Плотность этой среды совпадает с эйнштейновской космологической постоянной (с точностью до численного множителя). Эта среда весьма необычна: ее плотность положительна, а давление отрицательно, причем по абсолютной величине давление равно плотности энергии (эти две физические величины имеют одинаковую размерность).

Связь между давлением и плотностью среды называют ее уравнением состояния. Как первым выяснил Гпинер, уравнение состояния темной энергии характерно для физического вакуума. Такое и только такое уравнение состояния удовлетворяет определению вакуума как среды, относительно которой движение и покой неразличимы. Это и только это соотношение между плотностью и давлением совместимо с понятием вакуума как формы энергии с всюду и всегда постоянной плотностью, — и притом в любой системе отсчета.

Стоит заметить, что отрицательное давление, с которым мы встречаемся в уравнении состояния вакуума, — не вполне обычное явление в физике. При «нормальных условиях» давление в «нормальной» жидкости или газе, как правило, положительно. Но и в жидкости (например, в потоках воды у винта теплохода), и в твердых телах (например, во всесторонне растянутой стальной болванке) отрицательное давление тоже может возникать. Это требует особых, специальных условий, но само по себе не является чем-то исключительным. Однако в случае вакуума ситуация совсем особая. Давление вакуума не только отрицательно, но к тому же, как мы сказали, равно — по абсолютной величине — его плотности энергии. Ничего подобного нет ни в одной другой среде. Это абсолютно и исключительно свойство одного вакуума и только его.

О вакууме в физике говорят давно, с 1920-х годов, когда возникла квантовая механика. Из этой науки вытекало, в частности, что у всех полей и частиц природы имеется состояние минимальной энергии, которое и называется вакуумом. Вакуум — не пустота, а минимальная энергия полей и частиц, вообще говоря, не равная нулю. Физический вакуум обладает определенной энергией, и эта энергия действительно может характеризоваться (на макроскопическом уровне описания) значениями плотности и давления. Не исключено, что ЭГ-вакуум тождествен вакууму физических полей. Можно думать, что темная энергия обязана своим существованием ненулевой энергии вакуума всех частиц и полей природы; такая идея была выдвинута Я. Б.Зельдовичем в конце 1960-х годов. Ее, однако, до сих пор так и не удалось доказать. Причина состоит в том, что для решения вопроса требуется как минимум построить сначала квантовую теорию гравитации и пространства-времени; но это столь трудная (и грандиозная) задача, что существующей фундаментальной теории она все еще не под силу. Тем более, что не все согласны, что пространство-время и тяготение вообще поддаются квантованию: не исключено, что это — сугубо классические объекты[* Подробнее об этом можно прочитать, например, в книге А. М Черепащука и А. Д. Чернина «Вселенная, жизнь, черные дыры». Век-2, 2003.].

Почему антитяготение?

Пора, однако, задать вопрос: почему темная энергия создает не тяготение, а антитяготение?

Все дело в том, что ЭГ-вакуум обладает, как мы уже сказали выше, не только определенной плотностью, но также и давлением. Причем это давление отрицательно. Согласно общей теории относительности, тяготение создается не только плотностью среды, но и ее давлением. Так что «эффективная» плотность, создающая тяготение, складывается из двух слагаемых: плотность плюс три давления. Так как давление равно минус плотности, такая сумма оказывается отрицательной и равной минус двум плотностям. Отсюда и антитяготение вакуума: отрицательная эффективная плотность создает «отрицательное» тяготение.

Если поместить в вакуум две частицы, которые в начальный момент покоятся, то он заставит их двигаться прочь друг от друга. В отличие от всемирного тяготения, всемирное антитяготение стремится не сблизить тела, а, напротив, удалить их друг от друга.

Открытие

В 1998—99 годах две международные группы астрономов-наблюдателей, одной из которых руководили Брайан Шмидт и Адам Рис, а другой — Сол Перлмуттер, сообщили об открытии ускоренного расширения Вселенной. Это было установлено в наблюдениях далеких вспышек сверхновых звезд. Из-за их исключительной яркости сверхновые можно наблюдать на очень больших, по-настоящему космологических расстояниях. Опуская другие детали, скажем, что использовались данные о сверхновых определенного типа (1а), которые принято считать «стандартными свечами»; их собственная светимость в максимуме блеска действительно лежит в довольно узких пределах. Это позволяет проследить, как видимая, регистрируемая яркость источников зависит от расстояния до них.

Конечно, на небольших расстояниях это классический закон обратных квадратов; но на очень большом удалении источников становятся существенными космологические эффекты, и, значит, характер этой зависимости позволяет в принципе узнать нечто новое обо всей Вселенной.

Первая группа наблюдателей, сообщившая о своих результатах в 1998 году, располагала данными всего о 16 сверхновых нужного типа на нужных расстояниях; у второй группы накопились данные о 40 других сверхновых. И этого уже было достаточно, чтобы заметить космологический эффект в законе убывания видимой яркости с расстоянием. Оказалось, что убывание яркости происходит несколько быстрее, в среднем, чем этого следовало бы ожидать по космологической теории, которая до того считалась стандартной. Но это возможно тогда (и, как все сейчас думают, только тогда), когда космологическое расширение происходит с ускорением, то есть когда скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Ускорение же создается темной энергией с ее антитяготением, которое «подгоняет» галактики в их движении друг от друга.

Исследования продолжаются, идет накопление данных о сверхновых звездах. В начале 2006 года число этих звезд на нужных расстояниях превысило сотню. Но и этого все еще недостаточно для уверенных выводов, касающихся, например, уравнения состояния темной энергии. Как считают специалисты, для задач такого рода требуется не сотня, а скорее тысяча сверхновых. Возможно, этот рубеж будет достигнут к концу нынешнего десятилетия.

Тем временем присутствие антитяготения и темной энергии было замечено (в 2000 году) сравнительно недалеко от нас, на расстояниях в 1—3 Мпк. Это было сделано по наблюдениям движения близких галактик астрономами Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга при МГУ, Специальной астрофизической обсерватории РАН и Санкт-Петербургского университета в сотрудничестве с астрономами Финляндии. Тем самым было доказано, что темная энергия — это универсальный космический феномен, а антитяготение является всемирным — в том же смысле, что и ньютоново всемирное тяготение.

Сергей Ильин