Эйнштейн в науке фигура легендарная. Большинство людей связывает его имя с обманчиво простой формулой E = mc^2, или с представлением о том, что скорость света является константой в любой системе отсчёта. Однако его самое выдающееся открытие для обывателя, наверное, самое сложное: это его теория гравитации, или общая теория относительности. До Эйнштейна гравитация в науке волшебным образом мгновенно притягивала массы друг к другу. Но его концепция гравитации оказалась совершенно иной и основывалась на идее о том, что пространство и время объединены в единую ткань пространства-времени, и что кривизна этого пространства-времени указывает материи и энергии, как в нём двигаться, а они, в свою очередь, указывают ему, как искривляться.
Эта фундаментальная идея стала революционно новым взглядом на Вселенную. Эйнштейн выдвинул её 1915 году, а впервые экспериментально подтвердили её всего четыре года спустя во время полного солнечного затмения. Тогда изгиб звёздного света, исходящего от источников, расположенных за Солнцем, совпал с предсказаниями Эйнштейна, а не Ньютона, подтвердив наличие гравитационного линзирования. С тех пор общая теория относительности прошла все наблюдательные и экспериментальные испытания, которые мы только смогли придумать. Но одно свойство уравнений этой теории стоит особняком.
Разрабатывая своё описание Вселенной через уравнения поля, Эйнштейн изначально неявно предполагал, что Вселенная статична, бесконечно большая и очень старая. Но в какой-то момент стало понятно, что если кроме гравитации на космических расстояниях ничего не работает, Вселенная должна была давно сжаться в точку, чего мы, очевидно, не наблюдаем. Тогда в качестве «костыля» в уравнениях поля и появилась космологическая константа лямбда.
Но в 1929 году астроном Эдвин Хаббл измерил радиальные скорости многих галактик и, к своему удивлению, обнаружил, что все они удаляются от нас — причём чем дальше галактика, тем быстрее она движется. Его измерения показали, что пространство расширяется повсюду, и куда бы вы ни посмотрели, вам будет казаться, что все галактики удаляются, потому что расстояние между ними постоянно растёт. Столкнувшись с этой новостью, Эйнштейн через пару лет решил убрать космологическую постоянную из своих уравнений, назвав это «своей самой большой ошибкой», по словам физика Джорджа Гамова.
Мы давно знаем, что наша Вселенная должна содержать материю и излучение, но часто задавались вопросом, нет ли там чего-то ещё. Могут ли там существовать экзотические формы энергии: топологические дефекты, такие как монополи, космические струны, доменные стены или текстуры? Может быть, существует космологическая константа или, возможно, какой-то тип динамического поля? И будут ли все эти формы энергии суммироваться до определённого критического значения, в точности определяющего скорость расширения, или появится несоответствие, означающее наличие (положительной или отрицательной) пространственной кривизны Вселенной? В отсутствие достаточно точных и убедительных данных многие возможности оставались под вопросом.
На протяжении 1990-х годов многочисленные команды, работавшие с лучшими наземными телескопами, находившимися в их распоряжении, стремились измерить самые далёкие и яркие объекты во Вселенной, которые всегда демонстрировали регулярные, известные свойства яркости: сверхновые типа Ia, возникающие при взрыве массивных белых карликовых звёзд.
Две группы астрономов устроили соревнование, измеряя, насколько замедляется расширение Вселенной в результате гравитационного притяжения материи. В 1998 году было накоплено достаточно сверхновых на разных расстояниях и с количественно наблюдаемыми красными смещениями, чтобы две независимые команды заметили нечто примечательное: эти взрывы казались тусклее, чем должны были бы, если бы эти звёзды реально находились на предполагаемом расстоянии.
Расширение вовсе не замедлялось — оно ускорялось. Это тревожное открытие принесло трём руководителям группы Нобелевскую премию и побудило космолога Майкла Тёрнера ввести в 1998 году термин «тёмная энергия» для обозначения таинственной силы, вызывающей ускорение. Термин перекликался с термином «тёмная материя» за авторством Фрица Цвикки, который ввёл его в 1930-х годах.
Физики тут же предположили, что источником тёмной энергии может быть космологическая константа — другими словами, энергия вакуума. «Возможно, в ошибке Эйнштейна было больше проницательности, чем в лучших попытках простых смертных», — писал позже Сол Перлмуттер, один из первооткрывателей ускоренного расширения.
Хотя космологическая постоянная позволила учёным вновь уравновесить уравнения поля Эйнштейна и описать ускоряющуюся Вселенную, подобную той, которую наблюдали астрономы, значение этой постоянной не имело физического смысла. Она усугубила проблему, которая уже давно беспокоила учёных. В ранние годы физики связывали этот термин из общей теории относительности с понятием энергии вакуума из квантовой механики. Но энергия вакуума, судя по расчётам, должна была быть просто огромной.
Одним из первых, кто заметил неладное, был физик Вольфганг Паули, который в 1920-х годах обнаружил, что эта энергия должна быть настолько мощной, что космос должен был расшириться гораздо быстрее, чем свет мог бы преодолеть расстояние между любыми объектами в нём. Вся наблюдаемая Вселенная, по расчётам Паули, «не дотянулась бы даже до Луны». Говорят, что он сам посмеялся над своими расчётами, и в то время никто не воспринял их всерьёз.
Первым, кто официально точно рассчитал значение космологической постоянной на основе предсказаний квантовой теории для энергии вакуума, был советский физик Яков Борисович Зельдович, который в 1967 году обнаружил, что космологическая постоянная, выраженная через энергию, должна быть гигантской. Но в то время учёные считали, что Вселенная расширяется со стабильной или замедляющейся скоростью, и большинство полагало, что космологическая постоянная равна нулю. А сейчас она снова ненулевая — но от этого не легче. Пока это просто математическая заглушка, которая хорошо работает, но которую никто не может объяснить. И физикам это не нравится.
Да, Вселенная действительно расширяется, однако расширялась она в разное время своей жизни, судя по всему, по-разному. Алан Гут и Алексей Старобинский в 1980 году предположили, что в самой ранней Вселенной шла «инфляция» — чрезвычайно быстрое расширение пространства, настолько быстрое, что квантовые особенности «растянулись» на макроскопические масштабы (в частности, именно поэтому Вселенная везде такая одинаковая). Такое расширение является неотъемлемой чертой большинства современных моделей Большого взрыва. Однако инфляция должна была происходить при гораздо более высокой плотности энергии, чем та тёмная энергия, которую мы наблюдаем сегодня, и считается, что инфляция полностью закончилась, когда возраст Вселенной составлял лишь доли секунды. Неясно, какая связь существует между инфляцией и тёмной энергией, и существует ли она вообще.
Возможно, во Вселенной есть что-то ещё, кроме материи и излучения, что растягивает свет от этих сверхновых сильнее, чем ожидалось, и расталкивает их не так, как если бы Вселенная была заполнена только материей и энергией.
Но были и другие возможные объяснения того, почему эти сверхновые оказались тусклее, чем ожидалось, помимо неожиданного пересмотра энергетического состава Вселенной. Возможно, дело в том, что:
- эти сверхновые, которые, как считается, повсюду ведут себя одинаково, на самом деле меняются со временем, в результате чего у новых и старых, далёких сверхновых разные свойства,
- что это не сверхновые эволюционируют, а меняется их окружение, и это влияет на их свет,
- что некоторые из более далёких сверхновых загрязнены пылью, из-за чего они кажутся тусклее, чем есть на самом деле, поскольку пыль блокирует часть их света,
- либо существует ненулевая вероятность того, что эти далёкие фотоны осциллируют в какие-то другие невидимые частицы, например, аксионы, из-за которых далёкие сверхновые кажутся более тусклыми.
Таким образом, либо существует некий эффект, из-за которого эти далёкие объекты выглядят так, будто Вселенная расширилась сильнее, чем предполагалось, либо существует некий альтернативный сценарий.
К счастью, у нас есть возможность проверить эти идеи и посмотреть, какая из них соответствует не только данным о сверхновых, но и всем остальным собранным нами данным.
Не потребовалось много времени, чтобы исключить эволюцию сверхновых или эволюцию их окружения; физика материи, состоящей из атомов, очень чувствительна к таким сценариям. Фотонно-аксионные осцилляции были исключены путём детальных наблюдений за светом, приходящим с разных расстояний; мы увидели, что этих осцилляций нет. А изменения в свете происходили одинаково на всех длинах волн, что исключает возможность присутствия пыли. Более того, проверили гипотезу существования совсем уж экзотического типа пыли, — серой пыли, поглощающей свет одинаково на всех длинах волн, — с такой точностью, что её тоже удалось исключить.
Добавление космологической постоянной не просто невероятно хорошо вписалось в данные. Различные совершенно независимые доказательства привели к тому же выводу. Ведь у нас есть другие объекты для наблюдения, помимо сверхновых на больших расстояниях, и хотя они достоверно менее далеки и имеют большую неопределённость, они также кажутся более тусклыми на больших расстояниях — и эти расстояния больше, чем если бы мы имели дело со Вселенной, состоящей только из материи.
Крупномасштабная структура Вселенной указывает на то, что Вселенная заполнена лишь примерно на ~30% материей и незначительным количеством излучения. Температурные флуктуации в реликтовом излучении накладывают жёсткие ограничения на общее количество вещества, указывая на то, что Вселенная пространственно плоская, так что общее количество энергии составляет ~100% от критической плотности.
К началу 2000-х годов стало ясно, что, даже если полностью игнорировать данные о сверхновых, всё равно придётся сделать вывод, что во Вселенной существует дополнительный вид энергии, который составляет эти «недостающие» ~70% или около того, и что он должен вести себя так, чтобы вызывать у далёких объектов красное смещение, которое увеличивается со временем, а не уменьшается, как ожидается во Вселенной без какой-либо тёмной энергии.
Хотя доказательства того, что тёмная энергия ведёт себя как космологическая константа, изначально имели большую неопределённость, к середине 2000-х годов она снизилась до ±30 %, к началу 2010-х годов — до ±12 %, а сегодня — до ±7 %. Чем бы ни была тёмная энергия, очень похоже, что её плотность энергии остаётся постоянной во времени.
Конечно, для науки важно пытаться оспаривать существующий статус-кво и изучать альтернативные теории. Одна из таких альтернатив наделала много шума в самом конце 2024 года. Она известна как космология временного ландшафта [timescape]. В статье утверждается, что тёмная энергия необязательно должна существовать, а огромные различия в плотности энергии между областями пространства объясняются «комковатой» Вселенной, в разных областях которой наблюдаются кардинально разные скорости расширения, в результате чего разные части пространства имеют разный космический возраст. Но пока что эта и другие альтернативные теории не способны объяснить всех имеющихся у нас наблюдений.
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
