Есть мнение, что у меня талант объяснять сложные вещи простыми словами. Это очень лестное мнение, хотя и не всеми разделяемое. Но даже если мнение это и соответствовало бы действительности — не всё так просто. В области ядерной физики и космологии простые и очевидные объяснения, если и существуют, то часто лежат слишком далеко за пределами привычного и представимого.
А иногда простых объяснений нет. Это касается, например, квантовой спутанности или бозона Хиггса. С языка формул на общечеловеческий эти сущности не переводятся. Иногда же объяснений нет просто. Никаких, включая и сложные. И тёмная энергия именно данный случай. Никто не знает, что это такое. Но я, всё-таки, и тут попробую что-то сделать.
Во-первых, о названии. Здесь, как раз, всё просто. В астрофизике «тёмный» или «чёрный» значит «не излучающий» или «невидимый». Но «энергия» читателя хоть сколько-то смыслящего в предмете должна изрядно озадачить. Дело в том, что с позиций высокой физики энергия и материя — одно и то же, ибо E=mc2. Однако, тут действительно всё просто предельно. «Тёмная энергия» стала энергией, поскольку тёмная материя уже была, и их требовалось как-то различать. Понимать название надо, как «ещё какая-то невидимая материя».
Во-вторых, о главной проблеме. «Тёмная энергия» на данном этапе развития космологических представлений лишь некий непонятной природы фактор, объясняющей наблюдаемые (вроде бы, с этим не все согласны) свойства вселенной. Является ли она неизвестной материей, на которую воздействуют известные физические законы, или неизвестной физической закономерностью, или и тем, и другим сразу — это очень хороший вопрос. Так что, определение «тёмной энергии» можно расширить до «ещё какая-то невидимая материя, или непознанная закономерность, или мы что-то неправильно понимаем».
И в-третьих, о том для чего тёмная энергия физике потребовалось, хотя без этой головной боли и лучше было бы. Первой причиной является недостаточность массы вселенной для соответствия развития событий в ней математическим моделям. Получается, что она должна быть вчетверо больше: 0.4% звёзды в галактиках, 3.6% межгалактический газ, 22% тёмная материя и 74% - ещё что-то. Причём, это «что-то», хотя и обладает массой, но не оказывает гравитационного воздействия на галактики, а значит, в отличие от тёмной материи, скоплений не образует и размазано в пространстве равномерно.
...Тут надо отметить, что поведение тёмной энергии, если рассматривать её, лишь как необходимый для примирения наблюдений и с расчётами «довесок», не является слишком странным. Это могли бы быть просто неизвестные и не предсказанные моделями частицы, не имеющие массы покоя, или обладающие ничтожной массой. В таком случае, после возникновения неоднородностей во вселенной, они не были бы захвачены водоворотами коллапсирующего вещества, и сохранили бы равномерное распределение в расширяющемся пространстве.
...Но в таком понимании тёмная энергия мало кому интересна и упоминается она, чаще, в связи с открытым в конце прошлого века ускорением расширения вселенной. В настоящий момент предпринимаются отнюдь не безуспешные попытки закрыть это открытие обратно, однако, пока «ускорение» держится.
Суть в том, что стандартные свечи — сверхновые I типа,— спектр и светимость которых известны a priori, на дистанциях свыше 5 миллиардов световых лет, определённой по красному смещению, оказались тусклее расчётной величины. А значит, около этого времени расширение вселенной ускорилось. Данный вывод подтверждался и другими, более изощрёнными методами, что позволило включить его в актуальную на данный момент космологическую модель Лямбда-CDM.
И кстати о «лямбде». Так именуется космологическая постоянная, введённая в уравнения ещё Эйнштейном. Грубо, это некое качество физического вакуума, неизвестной природы сила, расталкивающая скопления галактик и противодействующая замедлению расширения пространства.
В рамках современных представлений материя — это многомерная (11-мерная) «рябь» на пространстве-времени, и, таким образом, материя и пространство связаны неразрывно. Расширение пространства интуитивно понятный результат нарастания энтропии — взаимодействуя между собой волны (частицы) обмениваются энергией, в следствие чего пространство «расправляется», — высота волн падает, длина их растёт. Но это — на уровне микромира. В макромире же, взаимное притяжение скопления масс, то есть, материи, будет пространство «стягивать». Ибо оно от материи не отделяется.
Долгое время, однако, считалось, что введённая Эйнштейном из общих соображений лямбда — не нужна. Теории не позволяли оценить влияние взаимного притяжения скоплений галактик на скорость расширения пространства, а лишь допускали, что таковое быть может. А может и не быть, — оказаться ниже порога наблюдения, — и в таком случае объяснять «лямбдой» нечего. Теперь же «лямбда» (она же «тёмная энергия») вернулась уже в качестве объяснения ускорения расширения пространства.
Дело в том, что именно 5 миллиардов лет назад — по наблюдениям от открытия ускорения независимым — мегаструктура вселенной утратила гравитационную связность. Скопления галактик в сверхсколениях более не вращаются вокруг общего центра масс, и «соты» сохраняются лишь по инерции — постольку, поскольку скопления не успели разлететься. И с этого момента «лямбда», ранее лишь не позволявшая расширению замедляться, стала его ускорять. Это похоже на правду. Хотя…
...Что же касается природы «расталкивающей силы», то мнений — в разной степени спорных, но одинаково бездоказательных, по данному вопросу много. Включая и радикальные. Например, если описывать видимую область вселенной не в рамках модели Большого Взрыва, а как вывернутую на изнанку чёрную дыру, приравняв космологическую сингулярность к сфере Шварцшильда, — всё и без «лямбды» очень красиво получается. Хотя и с другими, трудноустранимыми проблемами. То есть, это уже вариант трактовки «тёмной энергии» из ряда «не правильно понимаем».
Наиболее же популярной трактовкой тёмной энергии пока является постоянная (почему-то) энергия-масса вакуума, равная 10−29 г/см³ . То что вакуум не пустота, а конгломерат не рождённых полей, флуктуирующих в бесконечности, — совокупность виртуальных частиц, иногда переходящих в реальную форму, —собственно, наблюдаемый факт. Следовательно, любой объём непременно будет иметь и массу — массу частиц, в данный момент вынырнувших из квантово-механической фантасмагории в «реальность». Почему плотность вакуума с расширением пространства не падает — хороший, правильный вопрос, на который нет вразумительного ответа. Но, похоже, это постоянная величина, и более того: вакуум в силу каких-то скрытых в той самой виртуальной фантасмагории свойств ещё и сопротивляется сжатию.
В данном представлении «лямбда» или «тёмная энергия» —это масса рождающихся из флуктуаций вакуума виртуальных частиц, заполняющая пространство по мере его расширения. Таким образом, параллельно с процессом «расправления» скомканного пространства, протекает и второй: на сравнительно гладких участках вскипают новые волны, которым также требуется место.
Любопытно, что данный эффект нарушает принцип сохранения — новая масса, ныне составляющая уже 74% общей массы вселенной, возникает из ничего. Но квантовая механика допускает временное «заимствование» массы реальностью бесконечных закромов виртуальной массы. «Временное» же — растяжимое понятие. Тёмная энергия состоит из частиц время пребывания которых в реальном мире ещё не истекло. Потом заимствуются другие.
