Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Йостейн Рисер Кристиансен

считал необходимым представить эфир как новый, экзотический элемент — квинтэссенцию. И поскольку Аристотель также отвергал возможность существования абсолютной пустоты, он воображал, что вся Вселенная заполнена эфиром. До начала XX века идея эфира существовала как гипотетическая «субстанция», находящаяся где-то в космосе. Тогда эфир рассматривался как среда, в которой могут двигаться электромагнитные волны, но с появлением специальной теории относительности Эйнштейна, исключающей единство пространства, потребность в эфире исчезла.

Современная квинтэссенция принципиально отличается как от понимания эфира Аристотелем, так и от концепции начала XX века. Это уже не вопрос вечного небесного элемента или среды для электромагнитных волн. Тем не менее аналогия с эфиром древности очевидна. Под квинтэссенцией сегодня мы подразумеваем тип физического поля, которое пронизывает всю Вселенную и порождает отталкивающие гравитационные силы.

(Идея современной квинтэссенции, обеспечивающей отталкивающие гравитационные силы, была введена еще в 1994 году немецким физиком Кристофом Веттерихом. Это было до того, как идея ускоряющегося расширения Вселенной действительно утвердилась.)

Мы уже касались концепции поля ранее, обсуждая электромагнитное поле. Поле — это физическая сущность, характеризующая пространство и способная меняться в зависимости от места и времени. Физики используют поля не только для описания электромагнетизма. Все частицы в Стандартной модели описываются как проявления различных квантово-физических полей. Поле квинтэссенции должно обладать особыми свойствами, ведь оно создает отталкивающую гравитацию. Опишу в общих чертах, какие отличительные характеристики присущи квинтэссенции.

Поле квинтэссенции должно быть скалярным. Скалярные поля — далеко не малоизученное физическое явление. Более того, они способствовали открытию бозона Хиггса. Любое скалярное поле будет связано с так называемым потенциалом. С потенциалом мы сталкиваемся и в повседневной жизни. Если положить футбольный мяч на вершину трамплина, то у мяча будет большой потенциал. А это означает, что он сможет катиться вниз с высокой скоростью. Если он скатится с холма и окажется на ровной поверхности, то достигнет предела своего потенциала и больше разгоняться не будет. Отталкивающую гравитацию может создать скалярное поле, потенциал которого медленно опускается, по при этом не достигает самого низа. Включение такого медленно катящегося вниз поля в уравнения Эйнштейна даст долгожданные отталкивающие силы гравитации.

Подобное скользящее вниз скалярное поле — отправная точка для всех форм квинтэссенции. Но ее модели существуют во множестве вариантов, каждый из которых предсказывает несколько иное поведение поля. Среди прочего поведение зависит от того, как именно происходит спуск поля. Таким образом, квинтэссенция — это не одна модель, а собирательный термин для большого количества различных моделей темной энергии.

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.

Вселенная с дополнительными измерениями

Еще один гораздо более экзотичный способ объяснить ускоряющееся