Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

Помимо того, что нам нужно найти какую-то форму темной материи, существуют ли другие причины полагать, что во Вселенной должны быть такие странные, скользящие вниз скалярные поля? Возможно. Помните, когда мы искали частицы темной материи, я рассказал о суперсимметрии — теории, описывающей, что может скрываться за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц. В большинстве суперсимметричных моделей может возникнуть скалярное поле, которое в теории могло бы создать квинтэссенцию. Но мы не знаем, существует ли суперсимметрия на самом деле, не говоря уже о том, как именно суперсимметрия себя ведет, и уж тем более понятия не имеем, способна ли она стать источником квинтэссенции. Так что по большей части все это лишь догадки.

Я писал, что основная мотивация при введении квинтэссенции заключается в том, что так мы частично решаем проблему совпадения, а именно почему сегодня во Вселенной материя и темная энергия сопоставимы по количеству. Почему? Существуют модели квинтэссенции, в которых ее поведение зависит от плотности других составляющих Вселенной. В некоторых таких моделях квинтэссенция начинает вести себя как темная энергия только тогда, когда Вселенная достигает определенной стадии в своей эволюции. В этих моделях, естественно, пройдет несколько миллиардов лет, прежде чем наиболее существенное поле начнет доминировать. Проблема совпадения в этом случае пропадет или по крайней мере станет менее значимой.

Кроме того, предпринимались попытки одновременно описать темную материю и энергию с помощью скалярных полей. На английском такие модели называются dark fluids (темные жидкости). Мотивация изучения подобных моделей вопросов не вызывает: когда есть два невидимых и не особо изученных элемента Вселенной, разве не естественно предположить, что между ними должна быть какая-то взаимосвязь? Идея заманчивая, но вот только помимо невидимости темную материю и энергию мало что связывает. Пока модели темной жидкости неспособны удовлетворительным образом объяснить все наблюдения.

Ускорение без темной энергии

До сих пор мы пытались объяснить ускоряющееся расширение Вселенной, добавив новый компонент — вещество с отталкивающей гравитацией. Или, иными словами, мы пробовали изменить правую часть уравнений гравитационного поля Эйнштейна, в которой описывается содержание Вселенной. Но, возможно, разгадка таится где-то еще. Может, ответ на вопрос о расширении Вселенной не найти среди необъяснимых малых флуктуаций вакуума и скатывающихся скалярных полей. Может быть, нам, как и в случае с темной материей, стоит поискать альтернативные теории гравитации? Или, говоря на языке ученых: возможно, искривление пространства-времени происходит не так, как предсказывают уравнения Эйнштейна? Давайте вспомним урок, которому нас научили истории Леверье и Эйнштейна, и допустим, что и темная энергия может оказаться Вулканом. Мы рассмотрим левую часть уравнений, где и таится расширение пространства-времени.

При изучении темной материи мы взглянули также и на альтернативную теорию гравитации — MOND. Согласно этой теории, гравитация на больших расстояниях становится сильнее, чем это предсказывают теории Ньютона и Эйнштейна. Так мы могли бы объяснить быстрое вращение галактик, не прибегая к темной материи. Но хотя гравитация в MOND ведет себя по-разному, она остается притягивающей. А ускоряющееся расширение Вселенной без отталкивающей гравитации не объяснить.

В то же время можно изменить теорию так, чтобы включить в нее отталкивающую гравитацию. Чтобы такая модифицированная теория могла описать Вселенную, где мы живем, она должна обеспечивать притягивающую гравитацию в планетных системах, галактиках и скоплениях галактик, в то время как отталкивающая гравитация затрагивает только самые большие масштабы в космосе. Ученые сформулировали несколько модифицированных версий уравнений гравитационных полей Эйнштейна, в которых нехватка содержимого во Вселенной приведет к отталкивающим силам. В ранней истории Вселенной материя была сконцентрирована относительно плотно, а силы гравитации доминировали повсюду. По мере того, как Вселенная расширялась и опустошалась, отталкивающие гравитационные силы захватывали все больше и больше пространства.

(window.adrunTag = window.adrunTag || []).push({v: 1, el: 'adrun-4-390', c: 4, b: 390})Вселенная с дополнительными измерениями

Еще один гораздо более экзотичный способ объяснить ускоряющееся расширение — ввести во Вселенную дополнительное измерение. Я затрагивал дополнительные измерения, когда писал о теории струн. Согласно теории струн, дополнительные измерения настолько крошечные, что в нашей повседневной макроскопической действительности их никак не разглядеть. А сейчас давайте познакомимся с другим типом дополнительного измерения.

В 2000 году ученые создали новую модель, названную моделью DGP в честь трех физиков, которые первыми ее предложили, — Георгия (Гия) Двали, Григория Габададзе и Массимо Поррати. Эта модель включает в себя дополнительное измерение пространства, но, в отличие от крошечных измерений в теории струн, в модели DGP оно весьма внушительное. Как же так получилось, что мы его не замечаем? Почему мы, трехмерные люди, не можем ворваться в четвертое измерение, прямо как двумерная нарисованная рука Мортена Харкета в трехмерный мир в легендарном музыкальном клипе A-ha на написанную в 1985 году песню Take on me? Все дело в том, что в модели DGP дополнительное измерение доступно лишь гравитационным силам. Все частицы Стандартной модели намертво привязаны к трем нашим измерениям. Внутри нашей Галактики и Солнечной системы гравитация, по сути, останется в пределах трех измерений. Но чем больше расстояния, на которые распространяются гравитационные силы, тем большая их часть «просачивается» в дополнительное измерение. В результате такой утечки гравитация на больших расстояниях ведет себя иначе.

При составлении уравнений гравитационного поля, которые включают это дополнительное измерение, оказывается, что модель DGP сможет обеспечить отталкивающие гравитационные силы, когда расстояния станут достаточно большими. И хотя пока космологическая постоянная лучше согласуется с наблюдениями, чем модель DGP, это хорошее доказательство того, что ускорение Вселенной можно объяснить далеко не единственным способом.

О чем нам говорят наблюдения?

Космологическая постоянная, квинтэссенции, модифицированная гравитация, дополнительные измерения… Похоже, я упомянул почти все модели, которые пытаются объяснить ускоряющееся расширение пространства. И как же нам понять, какое описание Вселенной верное?

Расставить все по местам нам поможет история Вселенной. Различные модели темной энергии будут соответствовать различным хронологиям расширения. А стандартные свечи и стандартные линейки могут помочь с картографированием расширения в разные периоды. Пока что большинство наблюдений, кажется, хорошо согласуется с существованием космологической постоянной. Но наблюдения все еще настолько неточны, что многие другие возможности остаются открытыми.

Сейчас планируется интересный эксперимент — исследовательский спутник под названием «Евклид». Проект разрабатывается Европейским космическим агентством (ЕКА), а запуск планируется в 2022 году. Основная задача «Евклида» заключается именно в проведении наблюдений, которые позволят различать разные модели темной энергии, задуманных для того, чтобы в ближайшие годы разобраться с нашими хаотичными представлениями об ускоряющейся Вселенной.

Именно хаос наставляет нас на истинный путь в попытках понять ускоренное расширение Вселенной. Нам приходится биться над необъяснимо малой космологической постоянной, множеством моделей квинтэссенции, странными законами гравитации и дополнительными измерениями. Кроме того, перспективы обнаружения темной энергии гораздо мрачнее, чем темной материи. Уже существует множество экспериментов, которые вот- вот обнаружат частицу темной материи. По сути, в любой день есть вероятность проснуться и узнать, что темная материя проявила себя где-то в том или ином эксперименте в какой-то шахте. А вот с ускоряющимся расширением Вселенной дела обстоят иначе. Здесь мы сталкиваемся с загадкой, которую, вероятно, придется разгадывать медленно. С более точными наблюдениями мы сможем значительно облегчить поиски, но нет гарантий, что мы вообще придем к однозначному заключению.