Темна енергія по - облацех, телеграф, навколо світу
Сучасна теоретична космологія стверджує, що Всесвіт на 90% складається з невідомих форм матерії
Розрахунки, що проводяться на сучасних суперкомп'ютерах і використовують сучасні космологічні теорії, дозволяють уявити Всесвіт як безбержний океан темної енергії, з якого де-не-де палаючими точками вириваються галактики. Немов тонкими нитками розріджена світиться матерія з'єднує їх в своєрідну ячеисто-сітчасту структуру. Ілюстрація: James Wadsley, McMaster University, Hamilton, Ontario
Історія її відкриття вельми примітна. Загальноприйнято вважати, що вперше уявлення про антигравітації ввів Альберт Ейнштейн. Однак ще в 1870-і роки Фрідріх Енгельс в недописаної роботі «Діалектика природи», ілюструючи діалектичний закон єдності і боротьби протилежностей, писав, що природа, представлена однією притягує силою (гравітацією), неповна, і що для її повноти крім сили тяжіння повинна існувати і сила відштовхування.
Як не дивно, міркування Ейнштейна були багато в чому схожими, і в 1917 році він ввів в одне з рівнянь своєї теорії доданок, що його їм лямбда-членом і описує «сили» відштовхування. Без цього доданка рівняння його загальної теорії відносності не дозволяли отримати стаціонарного рішення: простір нашого Всесвіту виходило обов'язково або розширюється, або стискається. Інерція мислення на початку ХХ століття була ще дуже велика, оскільки все попередні часи, від сивої давнини, Всесвіт в цілому завжди розглядалася як нехай навіть і одного разу створений, але в подальшому стаціонарний об'єкт. Еволюціонує рішення уявлялося Ейнштейну фізично безглуздим, і він вирішив «врівноважити» гравітацію «силами» відштовхування.
Не минуло й десяти років, як він погодився з ідеєю зміни Всесвіту як цілого і назвав введений колись лямбда-член найбільшою помилкою в своєму житті. Як відомо, «геній не робить помилок # 133;», проте після того як і досконала помилка була врівноважена протилежної, реалізація ідеї антигравітації у фізичній теорії потрапила «в довгий ящик». І тільки в другій половині ХХ століття вчені знову звернули на неї увагу.
До цього часу все більше ставала очевидною фундаментальна роль фізичного вакууму. І не тільки у фізиці мікросвіту, а й в більш великомасштабних процесах, пов'язаних з виникненням нашого Всесвіту. Зокрема, створювана в післявоєнні роки Фейнманом, Дайсоном і Швінгер квантова електродинаміка давала нескінченне значення для енергії вакууму, і ця обставина довгий час вважалося однією з головних складнощів теорії. А в 19 60-і роки почали щось робити перші спроби створення єдиної теорії поля на основі ідей спонтанного порушення симетрії вакууму. Саме вони привели в підсумку до першого успішного об'єднання електродинаміки з теорій слабких взаємодій.
Пріоритет відкриття належить двом незалежним групам дослідників # 151; астрономів і астрофізиків. Перша знаходиться в Північній півкулі (США), нею керує Сол Перлмуттер (Saul Perlmutter), інша в Південному (Австралія), нею керує Бріан Шмідт (Brian Schmidt). Спостерігаючи вилучені на дуже великі відстані (кілька мільярдів світлових років) наднові зірки, учені виявили, що ці зірки мають меншу яскравість, ніж очікувалося. Подібний результат означав, що ці об'єкти віддаляються від нас з прискоренням, причину якого і назвали «темною енергією».
Відмова Ейнштейна від лямбда-члена завершив побудову загальної теорії відносності. Справа стояло за її експериментальним підтвердженням, що вдалося Едвіну Хабблу (Edwin Powell Hubble. Одна тисяча вісімсот вісімдесят дев'ять # 150; 1953), яким установлено, що галактики здаються всякому спостерігачеві розлітаються зі швидкостями пропорційними відстані до них. Було прийнято вважати, що причиною їх «розльоту» (правильніше сказати, розширення всього простору) є так званий «Великий Вибух», який задає своєрідний «імпульс» розширюється простору. Гравітація при цьому відіграє роль деякого «гальмуючого фактора».
Зрозуміло, поняття «сила» в даному випадку не коректно, оскільки в загальній теорії відносності, яка є одним з основних елементів теоретичного фундаменту сучасної космології, в математичному формалізмі і смисловому змісті «сили», як такі відсутні, і причиною руху є енергія. Тому даний феномен і отримав назву «енергія». Прикметник «темна» до неї доклали тому, що вона не наблюдаема і ніяким іншим способом, окрім як прискореного розширення Всесвіту, себе не проявляє.
Трохи пізніше, на початку нового століття і тисячоліття вдалося все ж виявити і інші прояви існування «темної енергії». Зокрема, саме вона викликає анізотропію мікрохвильового реліктового випромінювання. Природно, і це відкриття не вирішило питання про природу темної енергії. Сказати, що перший «кандидат» на ототожнення даного феномена з фізичним об'єктом # 151; це фізичний вакуум, явно недостатньо. До того ж подальші дослідження змусили поставити це під сумнів навіть це розпливчасте твердження, змусивши вчених на пошуки інших «кандидатів».
Математично відмінність між формами матерії виражається елементарно просто. Одним з рівнянь, що визначають глобальну еволюцію Всесвіту, є рівняння стану кожної з цих форм, що встановлює співвідношення між її тиском і щільністю енергії (або кількістю цієї форми матерії на одиницю об'єму). Тиск завжди прямо пропорційно щільності. Іншими словами, рівняння стану виглядає наступним чином: Р = # 150; nE. де Р # 151; тиск, а E # 151; щільність енергії.
Проте поведінка матерії залежить не стільки від щільності як такої, скільки від ефективної гравитирующей щільності, що дорівнює E + 3P. Всі різні форми енергії відрізняються один від одного лише коефіцієнтом n. При n = 1 буде фізичний вакуум, для нього ефективна гравитирующих щільність виявиться негативною, E + 3P = # 150; 2E. саме це обумовлює «сили» відштовхування. Фізичний вакуум «несе відповідальність» за Великий Вибух, і з нього з'явилася наша та інші всесвіти. Якщо буде доведено, що темна енергія є тільки фізичний вакуум, то це буде означати, що причини прискореного розширення ті ж, що і породили наш Всесвіт.
Тим часом, деякі сучасні дані говорять, що феномен темної енергії цілком зводити тільки до фізичного вакууму не цілком є правомочним. Судячи з останніх даних, темну енергію більш адекватно описує багатокомпонентна модель, де крім фізичного вакууму присутні ще кілька інших складових. Одна з них # 151; так звана квінтесенція. Для неї n = 2/3. Фізично вона являє собою ще один, п'ятий вид взаємодії (крім уже відомих чотирьох: гравітаційного, електромагнітного, сильного, слабкого). Це досить специфічний стан матерії, але його природа, тим не менш, в загальних рисах ясна # 151; це поле. Крім того, складовою частиною темної енергії може бути і газ Чаплигіна # 151; так само унікальна, але теоретично зрозуміла нам форма матерії.
На діаграмі показані різні форми матерії, впорядковані за ступенем їх поширеності у Всесвіті. Найвідоміша серед них найрідше зустрічається. Ілюстрація: Ann Feild (STScI)
Однак може трапитися і так, що цим «списком» складові темної енергії не вичерпуються, і в її склад входить ще один компонент, так звана фантомний енергія. Природа цієї фантомної енергії досконала не ясна, очевидно тільки, що це не речовина. Цілком ймовірно, що її не вдасться ототожнити (як це вдалося зробити з квінтесенцією) з новим видом поля, і тоді можна буде говорити про те, що фізики зіткнулися з ще одним, після речовини і поля, фундаментальним типом матерії, і тоді це відкриття з повним правом можна буде вважати одним з найвидатніших відкриттів в історії людської цивілізації.
Основний фундаментальної завданням сучасної фізики як раз і є повне встановлення природи темної енергії. Для цього астрономи # 151; спостерігачі повинні більш точно встановити коефіцієнт n у всіх її складових, а теоретики побудувати теоретичну модель, що відповідає цим наглядовою даними. Коли і ким це буде зроблено # 151; покаже час, проте не викликає сумніву те, що нобелівський комітет ще не раз оголосить своїх лауреатів в галузі фізики з формулюванням «за дослідження, пов'язані з встановленням природи темної енергії».
І на закінчення хотілося б сказати ще про одне. Систематичні спостереження показують, що з прискоренням рухаються тільки ті об'єкти, які знаходяться від нас на відстанях порядку восьми мільярдів світлових років. А це означає, що фактори, що визначають прискорення Всесвіту, «вступили в гру» тільки приблизно останні вісім мільярдів років. Як поведе себе Всесвіт в майбутньому # 151; то ж не зовсім ясно. Фактори, що визначають це прискорення, можуть діяти як деякий проміжок часу, так стати і постійними. У першому випадку після закінчення дії цих факторів прискорення зміниться уповільненням, і еволюція Всесвіту в майбутньому буде визначатися в рамках моделей, добре розроблених ще в ХХ столітті. Якщо ж чинники, що визначають прискорення, будуть постійними, то рано чи пізно все речові складні високоорганізовані форми матерії (в тому числі і людина) «размажутся» по простору, що, звичайно ж, є несумісним з їх існуванням. Однак питання про те, який же сценарій реалізується в майбутньому, поки залишається відкритим.
Читайте також в журналі «Вокруг Света»: