Сегодня 87-летний выдающийся астрофизик Джерри Острикер позвонил мне по Zoom, чтобы спросить: «Что такое тёмная энергия?» Этот вопрос не давал ему покоя даже в течение недели выборов, и он предложил нестандартную идею. Я объяснил ему, почему эта идея не работает. «Согласен», – с разочарованием отметил он и добавил: «Так что ты думаешь о тёмной энергии?»
Это действительно трудный вопрос. Тёмная энергия — единственный пример отталкивающей гравитации, который нам известен. Вакуум вносил равный вклад с материей в космический баланс массы 3,7 миллиарда лет назад, почти миллиард лет после рождения Солнца. В то время тёмная энергия ускорила расширение Вселенной. Гравитация по Эйнштейну допускает ускоренное расширение Вселенной, если вакуум наделён некоторой энергией на единицу объёма. Материя и излучение разрежаются с расширением Вселенной, в то время как вакуум остаётся неизменным. В итоге вакуум становится доминирующей формой массы во Вселенной и порождает отталкивающую гравитацию, равную двойной плотности его массы, из-за его отрицательного давления.
В 1998 году две исследовательские группы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется в настоящее время. Один из нобелевских лауреатов за это открытие, Адам Рисс, сказал мне, что его вдохновила работа, к которой он приступил после моего курса по «Космологии» в Гарварде в 1994 году, где я объяснил, как ускоренное или замедленное расширение можно определить по измерениям космических расстояний. Для меня это был очевидный вывод, но он привёл Адама к выявлению фундаментального свойства вакуума.
До этого открытия физики полагали, что естественный масштаб энергии для плотности энергии вакуума — это планковская шкала. В то же время они понимали, что плотность энергии на планковской шкале на 123 порядка выше значения, которое позволило бы существовать галактикам вроде Млечного Пути. Поэтому было выдвинуто предположение, что плотность вакуума, вероятно, равна нулю из-за какого-то неизвестного физического принципа. Удивительно, но наблюдаемое значение оказывается ненулевым и соответствует энергетическому масштабу, который на 31 порядок ниже планковской энергии (с плотностью энергии, пропорциональной этому масштабу в четвёртой степени). Другими словами, вопрос Джерри можно переформулировать так: «Откуда берётся этот масштаб энергии?»
Можно рассматривать плотность энергии вакуума так же, как и другие фундаментальные константы в стандартной модели физики частиц, такие как масса или заряд электрона, постоянная Ньютона, постоянная Планка и скорость света. Нам нужна полная теория квантовой гравитации, чтобы понять, откуда взялись эти константы.
В новой статье, которую я написал с Марком Херцбергом в прошлом году, мы предложили возможные принципы квантовой гравитации, которые связывают наблюдаемое значение плотности тёмной энергии с другими фундаментальными константами стандартной модели физики частиц. Наши рассуждения были основаны на мысленном эксперименте, в котором мы рассматривали гипотетические чёрные дыры минимального электрического заряда. Мы потребовали, чтобы процесс рассеяния с участием чёрной дыры и электрона происходил в течение времени расширения ускоряющейся Вселенной до того, как чёрная дыра испарится из-за излучения Хокинга. Это требование позволяет чётко определить состояние дискретно заряженной чёрной дыры в квантовой механике. Наложив условие, что заряд чёрной дыры должен быть детектируемым, мы вывели соотношение между временем расширения Хаббла — которое связано с плотностью тёмной энергии, и массой и зарядом электрона, постоянной Ньютона, постоянной Планка и скоростью света. Это соотношение даёт предсказание, которое совпадает с наблюдаемым значением плотности тёмной энергии и объясняет разрыв между её низким энергетическим уровнем и планковской шкалой.
Если значение тёмной энергии действительно определяется фундаментальными константами, как предположили Марк и я, оно должно оставаться постоянным в космическом масштабе времени. Предстоящие данные от Спектроскопического инструмента тёмной энергии (DESI) смогут уточнить эволюцию тёмной энергии со временем, регистрируя оптические спектры десятков миллионов галактик и квазаров и картируя их трёхмерное распределение за последние 11 миллиардов лет космической истории.
Другой способ опровергнуть нашу квантово-гравитационную гипотезу для тёмной энергии — это обнаружить частицу тёмной материи, которая заряжена на долю заряда электрона. Если такая частица существует, она бы диктовала меньшую тёмную энергию. Однако в новой статье с Мишей Медведевым я показал, что частицы тёмной материи с дробным зарядом образовали бы плазмоподобные структуры, которые не наблюдаются на гравитационно-линзированных картах сталкивающихся скоплений галактик. Мы пришли к выводу, что отношение заряда к массе частиц тёмной материи должно быть как минимум на 19 порядков меньше, чем у электрона. Это строгое верхнее ограничение полностью согласуется с квантово-гравитационным аргументом для тёмной энергии, который предложили мы с Марком.
Манипуляция тёмной энергией может привести к созданию экзотического вещества, которое вызывает отталкивающую гравитацию. Такое вещество можно было бы использовать для грандиозных строительных проектов квантово-гравитационных инженеров развитой научной цивилизации. Если бы эти инженеры могли извлекать тёмную энергию и создавать из неё объекты, у этих объектов могла бы быть отрицательная гравитационная масса. Как отметил физик Герман Бонди в 1957 году, размещение отрицательной массы рядом с положительной массой такой же величины позволило бы осуществлять движение без топлива, так как отрицательная масса отталкивала бы положительную, в то время как положительная притягивала бы отрицательную с собой. Экзотическое вещество из тёмной энергии также могло бы позволить нам строить кротовые норы для сверхсветовых путешествий между удалёнными областями пространства, а также, возможно, создавать машины времени.
Если когда-нибудь мы встретим инопланетных посетителей, которые научились использовать тёмную энергию для быстрого перемещения в космосе, или встретим земных гостей из нашего собственного будущего, мы могли бы узнать больше о природе тёмной энергии. Однако, если все посетители вынуждены будут двигаться медленнее скорости света, прежде чем достичь нашего порога, у нас не будет доказательств того, что отталкивающая гравитация может использоваться для движения. Время покажет, является ли небо пределом для тёмной энергии.
Если вам нравится читать статьи на нашем канале и вы хотите помочь в его развитии, вы можете поддержать канал донатом: