Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

Глава 7. Проблема темной энергии

Мы летим в никуда верхом на бессмысленном взрыве. Это описывается только невидимой злобной антигравитацией, так называемой Темной Силой.

Джон Апдайк. «Ускоряющееся расширение Вселенной» (2004)

Это величайшая проблема в теоретической физике.

Майкл Турнер

7.1. Ускорение расширения Вселенной

Открытие темной энергии является полным сюрпризом с точки зрения Большого взрыва и инфляционной космологии.

П. Стейнхардт и Н. Турок (2003)

Странные дела происходят в науке почему-то каждый раз в начале века.

Л. Ксанфомалити (2005)

В 1998 году две группы наблюдателей во главе с Солом Перлмуттером, Брайаном Шмидтом и Адамом Риссом опубликовали сенсационные результаты о расширении Вселенной. Астрономы усовершенствовали метод измерения больших космических расстояний по вспышкам сверхновых и обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением. За эти результаты Перлмуттеру, Шмидту и Риссу присудили Нобелевские премии по физике за 2011 год.

То, что Вселенная расширяется не с замедлением, как следует из общепринятой космологической модели, а с ускорением, предельно обострила проблему понимания динамики Вселенной. Ученым пришлось признать, что на больших масштабах во Вселенной царит не ожидаемое притяжение из-за гравитации многочисленных галактик, а неожиданное отталкивание вследствие какой-то загадочной антигравитации. При этом сила отталкивания, управляющая Вселенной на больших расстояниях, в два раза превосходила силу притяжения между галактиками. Следуя моде на темные сущности, эту силу отталкивания назвали темной энергией.

Открытие ускорения Вселенной было шоком для космологов-теоретиков, включая создателя инфляционной теории А. Гуса, который признался: «Это здорово ошеломило меня» (цитируется по К. Пауэлл. «Бог в уравнениях», 2002).

Обнаруженная антигравитация хорошо описывается феноменологической космологической постоянной, введенной еще Эйнштейном в 1917 году. Но в чем физическая причина появления этой антигравитации? Несмотря на удивительность факта ускорения Вселенной, логично предположить, что этот феномен должен быть решен в рамках общей модели Большого взрыва и что загадочность ускорения расширения тесно связана с непониманием причин самого расширения. В пользу этого говорит и новое совпадение: величина темной энергии в два раза больше притяжения между галактиками, которое задается в основном темной материей, на первый взгляд никак не связанной с современным ускорением Вселенной.

7.2. Отрицательное давление квантового вакуума — новая теория эфира?

Открытие темной энергии было сделано астрономическими методами и стало для большинства физиков полной неожиданностью. Темная энергия, пожалуй, главная загадка современного естествознания.

Подчеркнем, что однородность в пространстве и постоянство во времени — это точные, а не приближенные свойства вакуума. Плотность энергии вакуума — это мировая константа (по крайней мере, в той части Вселенной, которую мы наблюдаем).

Академик В. Рубаков

С начала XVII до конца XIX века подавляющее большинство ученых полагало, что свет — это волны, распространяющиеся в эфире, невидимой и неощутимой среде. Чтобы служить проводником для света и при этом быть необнаружимым (например, не влиять на движения планет), эфир должен обладать очень парадоксальными свойствами. Изучением этих свойств занимались ведущие физики и математики мира: О. Коши (1789–1857), У. Томсон (1824–1907), Х. Лоренц (1853–1928), А. Пуанкаре (1854–1912) и даже такие химики, как Д. Менделеев (1834–1907). Скорость колебаний зависит от твердости тел, и в XIX веке было показано, что скорость световых волн свидетельствует о необычайной твердости эфира. Как это может быть совместимо с практической неощутимостью эфира? Английский математик, создатель современной гидродинамики сэр Дж. Стокс (1819–1903) полагал, что эфир подобен смоле: для быстрых движений вроде распространения света он ведет себя как твердое тело, а для медленных движений планет вокруг звезд (или для размахивания руками) он очень пластичен. Ученые триста лет закрывали глаза на такие патологические свойства эфира, которые резко противоречили всему опыту физики. Отметим, что с самого начала не было никаких прямых экспериментальных свидетельств в пользу существования эфира. Он был введен ad hoc, то есть только для того, чтобы подвести теоретическую базу под распространение света. Эксперимент Майкельсона — Морли в 1887 году по измерению скорости света относительно движения Земли должен был показать, что свет вдоль орбиты Земли и поперек ее распространяется с разной скоростью. Эксперимент, наоборот, показал, что никакой разницы в скорости света нет. Это был смертельный удар по теории эфира.

Эфир XIX века уступил место вакууму XX века, который сначала был безнадежно пуст. Но развитие квантовой теории поля привело к выводу, что вакуум может обладать странными свойствами типа отрицательного давления (или «самогравитации»). Идея о том, что отрицательное давление приводит к экспоненциальному расширению ранней Вселенной, была высказана одновременно А. Д. Сахаровым (1965) и Е. Б. Глинером (1965) в «Журнале экспериментальной и теоретической физики». Глинер послал свою статью 22 января, а Сахаров — 2 марта 1965 года, но статья Сахарова вышла раньше — в июле 1965 года, а статья Глинера — в августовском номере журнала, потому что ему пришлось переделывать свою работу и снова подавать ее 17 апреля 1965 года. Сахаров в примечании к своей статье упоминает работу Глинера, которая готовится к публикации. Глинер связал отрицательное давление с физическими свойствами вакуума и высказал предположение, что этот эффект может привести к ненулевой космологической постоянной. Аналогичную концепцию о связи космологической постоянной с энергией и давлением вакуума активно развивал и Я. Б. Зельдович (1968) (см. также книгу Зельдовича и Новикова, 1975). Работу Глинера (незаслуженно забывая Сахарова) считают фундаментом для инфляционной космологии, но сам Глинер скептически относился к основному предположению теории инфляции о быстром раздувании размера Вселенной: «Идея раздувания, следовательно, выглядит ошибочной» (Глинер, 2002). В 1980 году Глинер эмигрировал в США, где успешно работал в нескольких университетах. В предисловии к статье Глинера (2002) редактор журнала В. Л. Гинзбург, будущий лауреат Нобелевской премии (2003), сообщает: «В 1987 году он, однако, потерял работу, после того как на семинаре в одном из всемирно известных университетов страны высказал мысли, близкие к изложенным в настоящей публикации, и, видимо, неугодные некоторым преуспевающим космологам в США. Из-за недостаточного стажа работы в США (не хватает одного года) он потерял и право на пенсию».

Когда в 1998 году было открыто ускорение расширения Вселенной, то тоже срочно потребовалось подвести под нее теоретическое объяснение. Так как квантовая космология стала научным мейнстримом, в ход была пущена привычная квантовая волшебная палочка (возможно, возникла уже психологическая зависимость от этого могущественного инструмента). Было предложено, что вакуум нашей Вселенной благодаря квантовым флуктуациям виртуальных частиц обладает слабым отрицательным давлением (конечно, именно таким, какое может объяснить положительную