Чтение онлайн

Отрицательное давление засасывает, как болото. Буквально: положительное давление, например, давление, которое оказывает сжатый обычный газ, выталкивает наружу. А отрицательное давление не выталкивает наружу, а засасывает внутрь. Как выяснилось, это очень важное свойство, поскольку в общей теории относительности давление служит источником гравитации, как масса и энергия: оно обладает собственной силой гравитации. Более того, положительное давление генерирует силу притяжения, а отрицательное давление создает гравитационную силу отталкивания (Ньютон, наверное, в гробу перевернулся).

Именно на это качество космологической постоянной Эйнштейн и опирался, когда пытался сделать Вселенную статической. Базовая симметрия общей теории относительности, согласно которой законы природы должны в разных системах отсчета приводить к одинаковым результатам, предполагает, что обладать плотностью энергии, которая не уменьшается с расширением, может только вакуум – буквально пустое пространство. И правда, ведь плотность пустоты уже не может уменьшаться, ей некуда! Однако энергия вакуума – это как-то странно. Откуда у пустого пространства может взяться энергия? Разве пустое пространство – это не «ничто»?

В диковинном мире квантовой механики – нет. Когда входишь в субатомное царство, вакуум далеко не ничто. В сущности, это толчея виртуальных (то есть непосредственно не наблюдаемых) пар частиц и античастиц, которые то и дело возникают и исчезают за ничтожно малые промежутки времени. А следовательно, даже пустое пространство обладает плотностью энергии, чему сопутствует то, что оно служит источником гравитации. Это совсем не та физическая интерпретация [432] , которую первоначально предлагал Эйнштейн. Он считал космологическую постоянную потенциальным свойством пространства-времени и полагал, что она описывает Вселенную в самом крупном масштабе. Отождествление космологической постоянной с энергией пустого пространства, пусть и с математической точки зрения, тесно связывает ее с мельчайшим субатомным масштабом. То есть замечание, которое сделал Маккри в 1971 году – что значение космологической постоянной, возможно, удастся определить средствами других областей физики помимо общей теории относительности, уже ставшей классической, – оказалось подлинно провидческим. Должен отметить, что и сам Эйнштейн сделал одну интересную попытку связать космологическую постоянную с элементарными частицами. В 1919 году он предпринял [433] , можно сказать, первую вылазку в область связи между гравитацией и электромагнетизмом, и предположил, что электрически заряженные частицы, вероятно, связывает воедино сила гравитации. Это подвело его к тому, чтобы наложить на значение космологической постоянной электромагнитные ограничения. Однако об этом Эйнштейн сообщил лишь в коротенькой заметке [434] в 1927 году и больше к этой теме не возвращался.

Представление о том, что вакуум не пуст, а способен содержать большое количество энергии, на самом деле не так уж ново. Впервые об этом задумался немецкий физико-химик Вальтер Нернст в 1916 году, однако интересовался он в основном химией и поэтому не стал рассматривать космологические следствия своей догадки. В двадцатые годы вопросом о том, что в квантовом царстве нижний предел энергии в любом поле – не ноль, интересовались приверженцы квантовой механики [435] , а в особенности Вольфганг Паули. Так называемая энергия нулевых колебаний – следствие волновой структуры квантово-механических систем, и именно она вызывает у них лихорадочные флуктуации даже в основном квантовом состоянии. Однако даже выводы Паули не распространялись на область космологии. Первым, кто прямо связал космологическую постоянную с энергией пустого пространства, был не кто иной, как Жорж Леметр. В статье, вышедшей в 1934 году, вскоре после знакомства Леметра с Эйнштейном, он писал: «Все происходит так, словно энергия in vacuo отличается от нуля» [436] . Затем он говорит, что плотность энергии вакуума следует связывать с отрицательным давлением и что «в этом, собственно, и заключается смысл космологической постоянной L». На илл. 37 Леметр и Эйнштейн засняты во время их встречи в Пасадене в январе 1933 года.

При всей глубине замечаний Леметра эту тему никто больше не затрагивал более тридцати лет, а затем произошел краткий всплеск интереса к космологической постоянной (из-за вышеупомянутого количества квазаров), что привлекло внимание физика Якова Зельдовича, по происхождению – еврея из Белоруссии, отличавшегося широчайшим кругозором. В 1967 году Зельдович сделал первую настоящую попытку вычислить вклад вакуумных колебаний в значение космологической постоянной [437] . К сожалению, в процессе вычислений он сделал несколько допущений ad hoc, оставшихся без объяснения. В частности, Зельдович предположил, что по большей части энергия нулевых колебаний куда-то девается и остается только в виде гравитационного взаимодействия между виртуальными частицами в вакууме. И даже при этом необоснованном допущении (точнее, опущении) величина, которую получил Зельдович, оказалась совершенно неправдоподобной: она получилась примерно в миллиард раз больше, чем плотность энергии, заключенная во всей материи и излучении в наблюдаемой Вселенной. Более поздние попытки вычислить энергию пустого пространства лишь обострили проблему, поскольку полученные значения были много больше. По сути дела, они были настолько велики, что их нельзя было считать ничем, кроме абсурда. Например, поначалу физики наивно полагали, будто смогут суммировать нулевую энергию до такого маленького масштаба, на котором наша теория гравитации станет неприменимой. То есть до той точки, когда Вселенная окажется настолько мала, что придется разработать квантовую теорию гравитации (на данный момент такой теории не существует). Иначе говоря, гипотеза состояла в том, что космологическая постоянная должна соответствовать плотности мироздания в то время, когда Вселенной была от роду всего лишь крошечная доля секунды, еще до того, как установились массы субатомных частиц. Однако когда физики-ядерщики провели подобную оценку [438] , то в результате получилось число, примерно на 123 порядка (да-да, речь идет о единице со 123 нулями!) больше, чем совокупная плотность энергии в веществе и излучении по всей Вселенной. Подобное курьезное несоответствие заставило физика Стивена Вайнберга, нобелевского лауреата, назвать эту величину «самой неудачной оценкой по порядку величины в истории науки». Очевидно, если бы плотность энергии пустого пространства действительно была так велика, то не только не существовало бы никаких звезд и галактик – колоссальная сила отталкивания мгновенно разорвала бы даже атомы и их ядра. В отчаянной попытке исправить оценку физики прибегли к принципам симметрии и предположили, что нулевая энергия перестает накапливаться на каком-то очень низком уровне. К несчастью, даже хотя пересмотренная оценка позволила получить значительно меньшую величину, она все равно была слишком большой – примерно на 53 порядка.

Некоторые физики перед лицом этого колоссального кризиса нашли утешение в вере, будто существует некий не открытый еще механизм, который почему-то полностью аннулирует все факторы, так или иначе участвующие в создании энергии вакуума, и значение космологической постоянной в точности равно нулю. Читатель, вероятно, понимает, что это и есть математический эквивалент того, как Эйнштейн просто взял и убрал космологическую постоянную из своих уравнений. Предположить, будто космологическая постоянная стремится к нулю – это значит решить, что член отталкивания в уравнении не нужен. Однако основания для этого решения были совсем иные. Когда Хаббл открыл расширение Вселенной, то тем самым лишил Эйнштейна мотивов, по которым он первоначально ввел космологическую постоянную. И все равно многие физики считали, что равенство L = 0 произвольно и ничем не оправдано – оно вызвано лишь соображениями краткости или «угрызениями совести». А вот в своем нынешнем обличье энергии пустого пространства космологическая постоянная, похоже, с точки зрения квантовой механики стала необходимой – без нее можно обойтись только в том случае, если все разнообразные квантовые флуктуации каким-то образом сговорились давать в сумме ноль. Эта досадная неопределенность сохранялась до 1998 года, когда появились новые астрономические наблюдения, которые сделали проблему космологической постоянной, пожалуй, самой сложной проблемой современной физики.

С конца 1920 годов, когда Хаббл сделал свои наблюдения, мы твердо уверены, что живем в расширяющейся Вселенной. Общая теория относительности Эйнштейна обеспечивала открытию Хаббла естественное толкование: расширение – это растягивание самой ткани пространства-времени. Расстояние между любыми двумя галактиками растет, как растет расстояние между любыми двумя бумажными кружочками, наклеенными на поверхность резинового мячика, когда этот мячик надувают. Однако подобно тому, как притяжение Земли замедляет движение любого предмета, подброшенного вверх, можно ожидать, что расширение Вселенной должно замедляться из-за гравитационного взаимодействия всей материи и энергии в ней. А в 1998 году две группы астрономов независимо открыли, что за последние шесть миллиардов лет расширение Вселенной вовсе не замедлилось [439] – напротив, оно ускорилось! Одну группу – «Supernova Cosmology Project» – возглавлял Сол Перлмуттер из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, а другую – «High-z Supernova Search Team» – Брайан Шмидт из обсерваторий Маунт-Стромло и Сайдинг-Спринг и Адам Рисс из Университета Джона Хопкинса и Института исследований космоса с помощью космического телескопа (STSI).

Открытие ускоренного расширения Вселенной [440] сначала стало настоящим потрясением, поскольку предполагало наличие какой-то отталкивающей силы вроде той, на которую указывала космологическая постоянная: эта сила должна была подхлестывать расширение Вселенной. К этому неожиданному выводу астрономы пришли на основании наблюдений очень ярких вспышек звезд – так называемых сверхновых типа Ia. Вспышки эти такие яркие (в период максимальной яркости такая сверхновая излучает больше света, чем вся галактика, в которой она находится), что их можно обнаружить даже на расстоянии в половину наблюдаемой Вселенной и еще некоторое время после вспышки наблюдать эволюцию их яркости. Кроме того, сверхновые типа Ia [441] особенно хорошо подходят для подобного рода исследований благодаря тому, что они представляют собой превосходные стандартные свечи – на пике яркости у всех таких сверхновых примерно одинаковая абсолютная светимость, а небольшие отклонения можно откорректировать эмпирически. Поскольку наблюдаемая яркость источника света обратно пропорциональна квадрату расстояния – объект, расстояние до которого в три раза больше, в девять раз тусклее – то если знать его истинную светимость и измерить наблюдаемую, можно вполне надежно определить расстояние до него.

Сверхновые типа Ia очень редки, в пределах одной галактики они возникают примерно раз в сто лет. А значит, каждой группе пришлось изучить тысячи галактик, чтобы получить выборку из нескольких десятков сверхновых. Астрономы определили расстояние до этих сверхновых и до их галактик и скорость удаления последних. Располагая этими данными, они сравнили свои результаты с предсказаниями линейного «закона Хаббла». Если бы расширение Вселенной замедлялось, как все думали, то оказалось бы, что галактики, находящиеся на расстоянии, скажем, двух миллиардов световых лет, оказались бы ярче, чем ожидалось, поскольку находились бы несколько ближе, чем предсказывает модель равномерного расширения. И тут Рисс, Шмидт, Перлмуттер и их сотрудники обнаружили, что далекие галактики тусклее ожидаемого, а значит, успели отдалиться сильнее. Точный анализ показал, что такие результаты предполагают космологическое ускорение, происходящее, по крайней мере, примерно в течение последних шести миллиардов лет. В 2011 году Перлмуттер, Шмидт и Рисс получили за свое поразительное открытие Нобелевскую премию.

После 1998 года, когда было открыто ускоренное расширение Вселенной, то и дело появлялись новые детали головоломки, и все они свидетельствовали в пользу того, что существует какая-то неизвестная форма равномерно распределенной энергии, которая продуцирует отталкивающую гравитацию, а та заставляет Вселенную ускоряться. Сначала была значительно расширена выборка сверхновых, и теперь она покрывает большой диапазон расстояний, так что на ее основании можно делать значительно более надежные выводы. Рисс и его сотрудники провели дальнейшие наблюдения и показали, что нынешней фазе ускорения продолжительностью в шесть миллиардов лет в эволюции Вселенной предшествовала эпоха замедления. И складывается прелестная, убедительная картина: когда Вселенная была меньше и гораздо плотнее, гравитация одерживала верх и замедляла расширение. Однако вспомним, что космологическая постоянная потому и постоянная, что не уменьшается: плотность энергии вакуума постоянна. А плотности вещества и излучения, с другой стороны, на заре Вселенной были чудовищно велики, а с расширением Вселенной уменьшались. Когда плотность вещества и излучения упала ниже энергии вакуума, началось ускорение – и это произошло примерно шесть миллиардов лет назад.

Самое убедительное доказательство, что Вселенная расширяется с ускорением, дали нам наблюдения реликтового излучения, полученные с космического аппарата «Wilkinson Microwave Anisotropy Probe» [442] , в сочетании с данными по сверхновым и с добавлением независимых измерений нынешнего темпа расширения (постоянной Хаббла). Сопоставив все ограничения, которые накладывают данные наблюдений, астрономы сумели точно определить предполагаемую долю энергии вакуума в общем энергетическом бюджете нынешней Вселенной. Наблюдения показали, что материя (и обычная, и темная) вместе обеспечивают лишь около 27 % общей плотности энергии во Вселенной, а так называемая «темная энергия» – тот самый равномерно распределенный компонент, который соответствует нашим представлениям об энергии вакуума – составляет около 73 %. То есть необычайно живучая космологическая постоянная Эйнштейна или что-то очень похожее на ее нынешнее обличье – энергия пустого пространства – в настоящее время доминирует во Вселенной!