Вселенная расширяется - это мы знаем со времён Эдвина Хаббла, который в 1929 году показал, что галактики удаляются друг от друга, словно точки на надувающемся шаре. Но в конце XX века астрономы столкнулись с шокирующим открытием: расширение не замедляется под действием гравитации, как ожидалось, а ускоряется. Эта загадочная сила, толкающая космос в стороны с всё большей скоростью, получила название тёмной энергии. Она составляет около 68% всей массы-энергии Вселенной, но остаётся одной из величайших тайн современной физики. Почему Вселенная ускоряется? Что скрывается за этой невидимой силой? И что её существование говорит о судьбе космоса и природе реальности?
Открытие ускорения
История тёмной энергии началась в 1998 году, когда две независимые команды астрономов - одна под руководством Сола Перлмуттера, другая - под руководством Адама Рисса и Брайана Шмидта - изучали сверхновые типа Ia - "стандартные свечи" космоса, чья яркость позволяет измерять расстояния до далёких галактик. Далёкие сверхновые казались тусклее, чем предсказывали модели, что означало, что расширение Вселенной не замедляется, как ожидалось, а ускоряется.
Это открытие перевернуло космологию. За него в 2011 году была вручена Нобелевская премия по физике. Ускорение подразумевает наличие отталкивающей силы, которая противодействует гравитации на больших масштабах. Эту силу и назвали тёмной энергией - не потому, что она "тёмная" в буквальном смысле, а потому, что она невидима и неизвестна. В отличие от обычной материи или тёмной материи, которые притягивают, тёмная энергия обладает отрицательным давлением, заставляя пространство расширяться всё быстрее.
Космологическая постоянная: эйнштейновская ошибка или ключ к разгадке?
Самая простая и популярная гипотеза о природе тёмной энергии - это космологическая постоянная, введённая Альбертом Эйнштейном в 1917 году в уравнения Общей теории относительности. Эйнштейн добавил этот член, чтобы сделать Вселенную статичной, как тогда считалось необходимым. Когда Хаббл открыл расширение, Эйнштейн назвал постоянную "своей величайшей ошибкой". Но сегодня она возродилась как возможное объяснение ускорения.
Космологическая постоянная - это постоянная плотность энергии вакуума, присущая самому пространству. Согласно Квантовой теории поля, вакуум не пуст, а полон виртуальных частиц, рождающихся и исчезающих словно из ничего в ничего. Эта вакуумная энергия должна создавать отталкивающую силу, подобную тёмной энергии. Наблюдения сверхновых, показывают, что плотность тёмной энергии соответствует космологической постоянной с высокой точностью.
Но здесь возникает парадокс: теоретические расчёты вакуумной энергии из Квантовой теории поля дают значение, в 10^120 раз больше наблюдаемого. Это одна из самых больших несостыковок в физике, известная как "проблема космологической постоянной".
Почему вакуумная энергия так мала? Это заставляет физиков искать более глубокие объяснения, возможно, связанные с Теорией струн или Антропным принципом, где наша Вселенная "настроена" для существования жизни.
Альтернативные гипотезы
Если тёмная энергия не постоянная, то она может быть динамической. В таком случае она может быть выражена как гипотетическое скалярное поле, подобное полю Хиггса, но с изменяющейся плотностью энергии. Темная энергия могла бы эволюционировать со временем, объясняя, почему ускорение началось относительно недавно - около 5 миллиардов лет назад. Подобные модели предсказывают вариации в уравнении состояния тёмной энергии, которые можно проверить наблюдениями.
Более радикальная гипотеза - гипотеза фантомной энергии - предполагает, что давление здесь ещё более отрицательное, чем у космологической постоянной. Это могло бы привести к "большому разрыву" - сценарию, где расширение становится бесконечным, разрывая галактики, планеты и даже атомы. Хотя фантомная энергия согласуется с некоторыми данными, она вызывает некоторые теоретические проблемы.
Другие концепции предполагают модифицированную гравитацию на больших масштабах или даже то, что наше понимание однородности Вселенной неверно. Но космологическая постоянная остаётся фаворитом благодаря своей простоте и согласию с наблюдениями.
Критика
Тёмная энергия - не бесспорная концепция. Некоторые физики, такие как Субир Саркар, анализируя данные сверхновых, предполагают, что доказательства ускорения слабее, чем считалось, и могут быть артефактами наблюдений.
Альтернативные гипотезы пытаются объяснить имеющиеся данные без тёмной энергии, но они сталкиваются с трудностями в согласовании с реликтовым излучением.
Проблема космологической постоянной - её несоответствие квантовым расчётам - заставляет некоторых ученых сомневаться в текущей модели. Возможно, тёмная энергия - это временная гипотеза, ждущая новой парадигмы, как когда-то эфир уступил место Теории относительности.
* * *
Поиск природы тёмной энергии продолжается. Телескопы картографируют миллиарды галактик, измеряя слабое линзирование и барионные колебания. Проект LSST (Legacy Survey of Space and Time) будет наблюдать сверхновые и переменные звёзды, уточняя уравнение состояния тёмной энергии. Если она динамическая, будущие наблюдения выявят её изменения со временем. Если постоянная - это подтвердит вакуумную энергию, но потребует объяснения её малой величины. Эти усилия не только раскроют тайну ускорения, но и могут привести к новой физике за пределами Стандартной модели.