Тайны открытий XX века - Александр Волков

Многие ученые полагают, что энергия вакуума и есть темная энергия. «Но когда теоретики, — пишет Адам Райе, — попытались вычислить плотность энергии, связанной с квантовым вакуумом, то получили значение на 120 порядков выше необходимого (по другим подсчетам, на 55 порядков. — А.В.)».

«Пока неизвестно, чем объясняется такой чудовищный разрыв между теоретическими и опытными данными, — отмечает американский физик Лоренс Кросс. — Это самая сверхъестественная и потому самая захватывающая проблема физики». «Никогда прежде за всю историю физики выводы теории и данные наблюдений не разнились так резко», — подчеркивает Стивен Уайнберг.

В данном случае подводит теория. Если бы она была права и антигравитация в мире, окружающем нас, была бы так велика, то я ни за что бы не успел дотянуться до клавиши компьютера, собираясь писать эту фразу, ибо за долю секунды, разделившую замысел и исполнение, пространство так стремительно расширилось бы, что я, пожалуй, уже ничего бы не нашел под руками. Да и существовал бы тогда я? Привычный мне мир непременно исчез бы, разлетелся, словно взрываясь и взрываясь каждую секунду.

Итак, научная теория, давно подтвердившая свою правоту, соприкоснувшись с темной энергией, тут же невероятно зашкалила. Как приравнять то, что неощутимее электрона, и то, что мощнее любой стихии? Где истинный портрет нашей незнакомки? Как доктор Лемюэль Гулливер, она чужеродна любой теории, в чье царство попадает, становясь то великаном, то лилипутом. Научный «гардероб» явно не рассчитан на эту запоздавшую гостью. Здесь все скроено и сшито без нее; ей все здесь не по размеру.

И как получилось, что наша незнакомка «проспала» сотворение мира! Это тоже смущает ученых. В первые миллиарды лет динамику становления Вселенной определяли две стихии: барионная и темная материя. «Почему антигравитационное действие темной энергии проявилось лишь в то время, когда стали возникать галактики?» — задался вопросом американский астрофизик Марио Ливио.

Оба эти вопроса — «Почему так поздно?» и «Где истинный портрет?» — неминуемо подводят нас к третьему, главнейшему вопросу: «Кто она?» Каково происхождение темной энергии? Миновать эти вопросы нельзя. Ведь невозможно описать фундаментальные свойства времени, пространства, материи и энергии, игнорируя основной компонент Вселенной.

Темную энергию нельзя уловить, ее не воссоздать на современных ускорителях, но именно «она таит ключ к пониманию нашего мироздания, — говорит Майкл Тернер. — Пусть мы не знаем пока, что такое темная энергия, мы убеждены в том, что, изучая ее, поймем, каким образом на ранней стадии Вселенной были взаимосвязаны фундаментальные силы и элементарные частицы. Путь к этому пониманию лежит через телескопы, а не через ускорители». Пока же физики и астрономы, пытаясь объяснить природу темной энергии, буквально блуждают в потемках.

То, не знаю что: отражения отражений

Итак, в рамках общей теории относительности можно истолковать темную энергию как антигравитацию. В квантовой теории она готова предстать в обличье вакуумной энергии. Возможно, гравитационное действие почти равно антигравитационному, и потому плотность вакуумной энергии равна микроскопической величине.

Есть и другие объяснения.

Американский космолог, выпускник Харьковского университета, Александр Виленкин предлагает свою гипотезу. Быть может, нет никакой случайности в том, что плотность материи во Вселенной и космологическая константа, то есть темная энергия, — это величины одного порядка. Ведь если бы было иначе, не могли бы возникнуть галактики и где-то в глубине одной из них — по крайней мере, одной из них — не зародилась бы жизнь.

Исследователь темной энергии, Пол Стейнхардт

Эта гипотеза побуждает вспомнить «антропный принцип»: мир устроен так гармонично, и все его части так ладно пригнаны друг к другу, что у этого мира не может не быть Творца. В таком случае Бог проделал поистине ювелирную работу, с необычайной точностью подбирая естественные константы. Стоит незначительно изменить любую из них, и Вселенная может превратиться в непригодную для обитания среду.

Чтобы избежать подобного объяснения, продолжает Виленкин, можно предположить следующее: космологическая константа в разных частях Космоса принимает различные значения. Только в некоторых районах Вселенной — там, где существуют галактики, — эта константа приняла значение, при котором могла зародиться жизнь. Стало быть, темная энергия неравномерно распределена в пространстве? Если это так, то незачем уверовать в «чудесный случай», «Божественный промысел» и «ювелирную точность», породившие наш обжитой мир.

В 1998 году американские физики Пол Стейнхардт, Ричард Колдуэлл и Рауль Дэйв предположили, что за темной энергией скрывается неизвестное пока квантовое поле, не описываемое Стандартной моделью физики. Оно пронизывает все пространство и вызывает непрестанное расширение Вселенной. «Оно мало напоминает электрическое или магнитное поле и действует как антигравитационная сила». Стейнхардт и коллеги назвали его «квинтэссенцией», вспомнив пятую основу мироздания, придуманную Аристотелем в дополнение к четырем известным грекам стихиям — воздуху, огню, земле и воде: по Аристотелю, «из нее состоят эфирные тела».

В гипотезе Стейнхардта, Колдуэлла и Дэйва, темная энергия ведет себя, почти как в гипотезе Виленкина. Только не в пространстве она неравномерно распределена, а во времени. В момент возникновения Вселенной плотность темной энергии, в самом деле, была в 10120 раз выше, чем теперь. Эта идея примиряет разные научные теории, ведущие спор о «незнакомке в чреде космических стихий». Приняв ее, можно не удивляться: «Почему так поздно?»

«Пытаясь объяснить, почему в мироздании содержится такое-то количество темной энергии, мы вынуждены предположить, что и в момент его возникновения квинтэссенция равнялась строго определенной величине, а это попахивает подтасовкой, — рассуждает Стейнхардт. — Другое дело, если она меняется, взаимодействуя с остальной материей. Тогда ее концентрация естественным образом может достичь своего нынешнего значения».

Некоторые гипотезы звучат еще радикальнее. Израильский физик М. Мильгром и его нидерландский коллега Б. Сандерс вообще сомневаются в законе всемирного тяготения. Они предложили «модифицированную ньютоновскую динамику», и надо думать, что желающие «подправить старика Ньютона» не переведутся ни на Западе, ни у нас. Известный британский астрофизик Мартин Рис так оценил их усилия: «К гипотезе Мильгрома можно будет обратиться лишь в том случае, если все поиски темной энергии окажутся бесплодными и все иные возможности будут исключены».

Португальский физик Жоао Магуэхо из лондонского Имперского колледжа ради новой любимицы физиков готов был поступиться еще одной вековечной догмой. Он предположил, что на начальной стадии Вселенной скорость света была в миллиард раз выше, чем теперь. По мере расширения и остывания Вселенной скорость света спадала, а когда температура Вселенной достигла некоего критического значения, произошел «фазовый переход» — что-то вроде превращения воды в лед: скорость света «застыла» на нынешнем уровне. В таком случае наблюдения за сверхновыми звездами можно истолковать иначе. Однако упомянутые уже исследования космического фонового излучения, проведенные в 2001 году, опровергли эту гипотезу.

По мнению Энн Нельсон, Дэвида Каплана и Нила Уайнера из Вашингтонского университета, за темной энергией скрывается новый, неизвестный прежде тип элементарных частиц — акселероны (от английского acceleration, «ускорение»). Они взаимодействуют лишь с нейтрино и ни с какими другими элементарными частицами. Взаимное отталкивание акселеронов и нейтрино, мчащихся почти со световой скоростью и практически не реагирующих с обычным веществом, вызывает ускоренное расширение Вселенной. В результате термоядерных

реакций, протекающих в недрах звезд, количество нейтрино все растет, и Вселенная все увеличивается. Однако чем дальше будут разлетаться нейтрино, тем медленнее будет расширяться Вселенная.

Наконец, по мнению грузинского физика Георгия Двали из Нью-Йоркского университета, за темной энергией скрываются… недоступные нам размерности пространства. Так темная энергия соединяется с «теорией струн».

Согласно ей, многие свойства частиц легко объяснимы, если допустить, что мир состоит из незримо тонких, вибрирующих нитей. От характера колебаний зависит облик частиц — их масса, заряд, спин.

Георгий Двали развивает эту теорию, и, хотя в его изложении она напоминает рассуждения уфолога, разве что там «не барражируют НЛО с пришельцами и не пролетают ангелы и привидения», она основана на строгом математическом расчете. Итак, возможно, мы все-таки способны проникнуть в мир, по «теории струн» недоступный нам, и можем даже контактировать с ним. Мы обязаны этим гравитации. Она — единственная сила, которой дано преодолеть границы размерностей и воздействовать на микроскопические миры и наоборот. Дополнительные измерения ослабляют тяготение, ведь часть гипотетических «частиц гравитации» ускользает в другие измерения, а потому сила взаимного притяжения галактик ослабевает и космос стремительно расширяется. Наблюдается «утечка гравитации».