В защиту науки № 4 - Эдуард Кругляков

4.7. Эйнштейновское антитяготение. Почему же темная энергия с её положительной плотностью служит источником антитяготения? Дело в том, что, согласно общей теории относительности, тяготение создается не только плотностью среды, но и её давлением. Эффективной гравитирующей плотностью служит сумма: плотность среды плюс утроенное давление (см., например, [5, 6]). Так как давление ЭГ-вакуума есть минус плотность энергии, его эффективная плотность оказывается отрицательной и равной минус двум плотностям. Этот последний «минус» и дает всеобщее отталкивание во Вселенной.

Если сила ньютонова взаимного тяготения тел друг к другу создается их собственными массами, то сила антитяготения, действующая на тела, создается не самими этими телами, а темной энергией, в которую все они — от элементарных частиц до самых больших скоплений галактики — погружены. У Ньютона сила притяжения убывает с расстоянием как его обратный квадрат; а у Эйнштейна сила антитяготения возрастает прямо пропорционально расстоянию. Чтобы дать представление о соотношении этих сил, скажем, что два электрически нейтральных атома водорода, погруженные в ЭГ-вакуум (в отсутствие вокруг любых других тел) на расстоянии примерно в полметра друг от друга, испытывают силу антигравитационного отталкивания, которая равна по величине силе их взаимного гравитационного притяжения. На больших расстояниях антитяготение сильнее тяготения.

4.8. Квантовый вакуум? Но каковы не макроскопические, а микроскопические свойства темной энергии? Из чего она состоит? В конце 1960-х гг., задолго до открытия темной энергии, Я.Б. Зельдович [9] обсуждал возможную связь между космологической постоянной и квантовым вакуумом элементарных частиц и физических полей. Этот физический вакуум — тоже не абсолютная пустота, он имеет свою отличную от нуля энергию. Её носителями служат так называемые нулевые колебания квантовых полей, всегда существующие в пространстве даже и в отсутствие в нем каких-либо частиц. Если этот квантовый вакуум рассматривать макроскопически как некую среду, то ему следует приписать не только плотность энергии, но также и давление. При этом связь между его давлением и плотностью должна быть в точности той же самой, что и у ЭГ-вакуума — других вариантов здесь нет. Так не тождественны ли оба эти вакуума?

Было бы замечательно, если бы удалось доказать, что это действительно так: объединение кажущихся разными сущностей — плодотворнейший путь развития науки о природе, как это известно ещё со времен Максвелла, объединившего электричество и магнетизм. Но до сих пор тождественность космического и квантового вакуумов не удается ни доказать, ни опровергнуть. Неясно вообще, как можно было бы это сделать в современной стандартной фундаментальной теории. Более того, пока что не высказано никаких предложений насчет того, как идею Зельдовича можно было бы проверить — доказать или опровергнуть — в физическом эксперименте или астрономическом наблюдении.

4.9. Электрослабый масштаб? Но может быть, вопрос нужно ставить иначе? Некоторые предварительные соображения на этот счет активно обсуждаются сейчас в теоретической физике. Например, Н. Аркани-Хамед и его коллеги [12] высказывают предположение о том, что плотность темной энергии может быть выражена (и притом весьма простым образом) через характерную величину энергии электрослабого взаимодействия. Последняя близка к 1 эргу, причем этому энергетическому масштабу нередко придается центральная роль во всей физике частиц и полей. Но вспомним, что как раз подобная энергия/масса приписывается гипотетическим частицам темной материи. Если так, то весь «темный сектор» космологии мог бы задаваться единым энергетическим масштабом… Нужно, однако, сказать, что до настоящего решения проблемы здесь всё ещё очень далеко. Микроскопическая структура темной энергии остается неподдающейся загадкой. Она всё яснее осознается сейчас как одна из наиболее острых проблем всей фундаментальной науки. Физика темной энергии затрагивает, возможно, самые глубинные явления, процессы и связи в природе.

4.10. Антропный принцип. По мнению С. Вайнберга [10], проблема темной энергии состоит даже не столько в самом существовании этой формы энергии (вакуум, как он считает, несомненно должен присутствовать в мире), сколько в конкретном значении её плотности. Если это действительно космологическая постоянная, то почему она имеет именно то численное значение, которое дается астрономическими наблюдениями? Он считает этот вопрос необычайно трудным и полагает, что в поисках ответа на него стоит, возможно, обратиться за подсказкой к популярному в последние годы направлению мысли, известному под названием «антропный принцип». (Прилагательного «антропный» в нашем языке до сих пор не существовало; было слово «антропологический» с тем же греческим корнем, но вместо него в этом случае используют более короткое слово, похожее на английское «antropic»; а «человечный» или «человеческий» тут явно не подходит.)

Что же утверждает антропный принцип? Одну из первых формулировок (не лишенную иронии) дал ещё в 1960-е годы, когда и самого названия антропного принципа ещё не существовало, знаменитый московский космолог из ГАИШ А.Л. Зельманов: наблюдаемая Вселенная такая, какая она есть, ибо другие вселенные развиваются без наблюдателя. Ироническое, если не сказать сильнее, отношение к антропному принципу сопровождало его с самого начала. Но даже и критики готовы согласиться, что в антропном принципе присутствует привлекательная здравая мысль. Основательные физические и астрономические аргументы в рамках этого подхода [11] были предложены в разные годы Б. Картером, И.Л. Розенталем, Р. Дикке, Дж. Барроу, другими физиками и космологами. Сторонники антропного принципа обращают, прежде всего, внимание на то, что наша Вселенная неплохо приспособлена для жизни. Действительно, она не слишком мала и не слишком велика для человека. Она несомненно находится в зрелом возрасте: в ней многие звезды успели проэволюционировать и произвести достаточно углерода, составляющего атомарную основу живого. Но она всё ещё в цветущем возрасте, в ней светло и тепло, чего не будет уже через, скажем, 30–50 млрд. лет, когда все наличные звезды погаснут, а материал для образования новых светил будет исчерпан. Вселенная прошла ряд разнообразных этапов эволюции, начиная от состояния очень горячей плазмы. В ходе этой эволюции вещество остывало и в нем росли и развивались слабые отклонения от однородности, которые при возрасте мира в 1–3 млрд. лет превратились в наблюдаемые космические тела и системы. В свою очередь это дало начало эволюции другого рода, которая породила со временем органическую жизнь, а затем и разум, способный изучать, среди прочего, и свою космическую предысторию.

Особое значение придается тому несомненному факту, что набор физических констант в нашем мире, а также и управляющие им основные законы природы определенно благоприятны для возникновения и развития жизни.

Специалисты различают слабый антропный принцип и сильный антропный принцип. Слабый принцип утверждает: если в мире много разнообразных вселенных, мы находимся там, где наша жизнь возможна. Сильный принцип звучит суровее: наша Вселенная должна быть создана такой, чтобы в ней с самого начала была предусмотрена возможность нашего естественного существования. Во втором случае допускается, что других вселенных в мире может и не быть, но тогда наша Вселенная, удобная для существования жизни, могла быть «сотворена», возможно, не с первой попытки.

Вейнберг предпочитает представление о том, что вселенных много (слабый антропный принцип), что они постоянно рождаются и умирают, а вся их совокупность образует Мультимир (Multiverse), в котором всё всегда изменяется, но который в целом находится в вечном квазистационарном состоянии. Множественность вселенных — одна из самых увлекательных идей последних лет, рожденная на грани физики и научной фантастики. Действительно, если вселенных много или даже бесконечно много, то почему бы среди них не быть и таких, которые похожи на нашу. В этом духе обсуждается и вопрос о природе физических констант в нашем мире: «наш» набор констант, включая сюда и космологическую постоянную, — всего лишь дело случая, он возник как одна счастливая комбинация из огромного множества всех возможных наборов случайных величин.

Но как всегда в физике, рано или поздно возникает критический вопрос: что нужно пронаблюдать или измерить в лаборатории, чтобы проверить антропный принцип в любом из его вариантов? Ответа нет и, скажем прямо, не предвидится. На этом основании многие полагают, что этот круг идей выпадает из рамок физики как науки экспериментальной. Вейнберг согласен: хорошо бы всегда придерживаться этих рамок; но та стандартная физика, которую мы сейчас знаем, никогда, похоже, не справится с проблемой темной энергии…