Эдуард Кругляков - В защиту науки № 4
Прямой поиск таких частиц ведется в настоящее время в ряде крупных лабораторий мира. Не исключено также, что темные частицы могли бы проявить себя и в экспериментах на вступающем в скором времени в строй самом мощном ускорителе — Большом Адронном Коллайдере (LHC) в Европейском центре ядерных исследований (Швейцария). На нем частицы будут разгоняться до энергий, заметно превышающих энергию покоя темных частиц. И если природа склонна отдавать темным частицам заметно больше (в 4–5 раз) энергии, чем барионам, то почему бы таким частицам не рождаться в массовом порядке на LHC?
4.4. Космологическая постоянная. В настоящее время обсуждается несколько различных вариантов теоретической интерпретации темной энергии. Самая простая (но и весьма далеко идущая) из них исходит из предположения, что темная энергия задается всего одной и притом постоянной во времени физической характеристикой, называемой космологической постоянной Эйнштейна. Эта величина была введена в общую теорию относительности Эйнштейном в 1917 г. в той его космологической работе, о которой мы уже упоминали выше. Новая константа физики была нужна для того, чтобы обеспечить неизменное во времени состояние мира в целом, — условие, которое казалось тогда Эйнштейну обязательным. Космологическая постоянная, обозначаемая греческой буквой Л, служила для описания всеобщего отталкивания, которое способно сбалансировать всемирное тяготение. После работ Фридмана и открытий Слайфера и Хаббла идея статической, неизменной во времени Вселенной была оставлена. Но тогда, как говорил Эйнштейн, можно забыть и о космологической постоянной — по крайней мере до тех пор, пока в её пользу не появятся объективные эмпирические основания. Эти основания и возникли с открытием космологического ускорения в 1998–1999 гг. Космологическая модель с положительной величиной Л очень хорошо описывает наблюдаемый феномен космологического ускорения и безупречно согласуется со всем комплексом современных наблюдательных данных. Это стандартная космологическая модель сегодняшнего дня.
4.5. Темная энергия как вакуум. Согласно предложению Э.Б. Глинера, высказанному ещё в 1965 г., космологическую постоянную можно рассматривать как физическую характеристику особого рода сплошной среды, идеально равномерно заполняющей всё пространство Вселенной. Плотность этой среды не только однородна, но и не зависит от времени, будучи просто равной (с точностью до постоянного коэффициента) величине Л. Этими свойствами такая среда обладает во всех системах отсчета. Если считать, что темная энергия действительно описывается космологической постоянной, то её и нужно тогда представлять себе макроскопически как среду с всюду и всегда постоянной плотностью. Из этого представления вытекают особые феноменологические свойства темной энергии. Так, оказывается, что у темной энергии имеется давление, причем оно отрицательно по знаку, а по абсолютной величине равно плотности энергии (напомним, что плотность энергии и давление имеют одну и ту же размерность).
Отрицательное давление вообще-то встречается в природе и технике; но такой связи между давлением и плотностью нет ни у одной другой среды в мире. Как следует из теории, темная энергия с такой плотностью и давлением не может — в отличие от любых других сред — служить в качестве системы отсчета, ибо движение и покой относительно неё неразличимы. Тем же свойством обладает абсолютная пустота — пространство, полностью свободное от любых форм энергии. Такая неразличимость движения и покоя является главным механическим свойством вакуума. Раз им обладает темная энергия, описываемая космологической постоянной, то, значит, эта среда тоже является вакуумом. Будем называть этот особый вакуум вакуумом Эйнштейна- Глинера (ЭГ-вакуум), чтобы отличать его от вакуумов другой природы, рассматриваемых, например, в квантовой механике.
Существуют также теоретические модели темной энергии, отличные от модели вакуума. Если отношение давления к плотности отлично от минус единицы, то это уже не вакуум. Если это отношение больше минус единицы, то такого рода темную энергию называют квинтэссенцией. Если отношение меньше минус единицы, то в этом случае говорят о фантомной энергии. Свойства этих гипотетических форм темной энергии интересны и (особенно фантомной энергии) удивительны. Однако наблюдения всё более и более определенно свидетельствуют в пользу вакуума как самой вероятной формы темной энергии.
4.6. Прошлое и будущее. Стандартная космологическая модель, в которой темная энергия представлена космологической постоянной, дает представление об энергетическом составе Вселенной (см. выше) в различные эпохи в прошлом и будущем. В этой модели плотность темной энергии остается всегда одной и той же. Что же касается темной материи, барионов и излучения, то их плотности убывают из-за общего расширения мира. Глядя назад по времени, мы можем узнать, что, например, в эпоху первичных термоядерных реакций доля темной энергии в общем энергетическом балансе мира была пренебрежимо мала, а доля излучения приближалась тогда к 100 %. Соответственно в ту эпоху роль антитяготения в динамике Вселенной была пренебрежимо малой и её расширение управлялось почти исключительно тяготением, создаваемым излучением. Излучение преобладало по энергии приблизительно до эпохи рекомбинации (до возраста мира около 330 тыс. лет), а после этого главный вклад в энергию мира вносили темная материя и барионы. Их тяготение сравнялось по силе с анитяготением примерно 7 млрд. лет назад (см. выше), и с тех пор космологическое расширение происходит с ускорением. В будущем Вселенной ускоряющееся расширение уже никогда не будет замедляться, так что Вселенную ожидает неограниченно долгое расширение, в ходе которого темная энергия ЭГ-вакуума станет безраздельно господствовать в мире. Последнее заключение — прогноз на миллиарды лет вперед — является, конечно, экстраполяцией, прямую эмпирическую проверку которой способны будут осуществить лишь наблюдатели далекого будущего.
Хотя вклад каждой энергии в полную плотность мира изменяется из-за космологического расширения, существуют четыре постоянные, не зависящие от времени величины, которые представляют четыре соответствующие энергии в стандартной космологической модели — они называются фридмановскими интегралами. Удивительным образом эти величины оказываются близкими друг к другу по порядку величины. Фридмановские интегралы имеют размерность длины и их значения заключены в пределах от 0,03 до 3 млрд световых лет. Столь близкое (по порядку величины) совпадение этих величин не вытекает априори ни из каких законов физики или уравнений теории; в принципе эти величины могли бы различаться на неограниченное число порядков. Их близость (в пределах двух порядков величины) выявляется лишь при эмпирическом анализе данных наблюдений. Вряд ли этот факт можно считать простой арифметической случайностью. Скорее всего в нем нужно видеть указание на существование глубинной связи между вакуумом и невакуумными формами космической энергии; эта связь имеет характер определенной внутренней (негеометрической) симметрии, объединяющей четыре космические энергии [5, 6].
4.7. Эйнштейновское антитяготение. Почему же темная энергия с её положительной плотностью служит источником антитяготения? Дело в том, что, согласно общей теории относительности, тяготение создается не только плотностью среды, но и её давлением. Эффективной гравитирующей плотностью служит сумма: плотность среды плюс утроенное давление (см., например, [5, 6]). Так как давление ЭГ-вакуума есть минус плотность энергии, его эффективная плотность оказывается отрицательной и равной минус двум плотностям. Этот последний «минус» и дает всеобщее отталкивание во Вселенной.
Если сила ньютонова взаимного тяготения тел друг к другу создается их собственными массами, то сила антитяготения, действующая на тела, создается не самими этими телами, а темной энергией, в которую все они — от элементарных частиц до самых больших скоплений галактики — погружены. У Ньютона сила притяжения убывает с расстоянием как его обратный квадрат; а у Эйнштейна сила антитяготения возрастает прямо пропорционально расстоянию. Чтобы дать представление о соотношении этих сил, скажем, что два электрически нейтральных атома водорода, погруженные в ЭГ-вакуум (в отсутствие вокруг любых других тел) на расстоянии примерно в полметра друг от друга, испытывают силу антигравитационного отталкивания, которая равна по величине силе их взаимного гравитационного притяжения. На больших расстояниях антитяготение сильнее тяготения.
4.8. Квантовый вакуум? Но каковы не макроскопические, а микроскопические свойства темной энергии? Из чего она состоит? В конце 1960-х гг., задолго до открытия темной энергии, Я.Б. Зельдович [9] обсуждал возможную связь между космологической постоянной и квантовым вакуумом элементарных частиц и физических полей. Этот физический вакуум — тоже не абсолютная пустота, он имеет свою отличную от нуля энергию. Её носителями служат так называемые нулевые колебания квантовых полей, всегда существующие в пространстве даже и в отсутствие в нем каких-либо частиц. Если этот квантовый вакуум рассматривать макроскопически как некую среду, то ему следует приписать не только плотность энергии, но также и давление. При этом связь между его давлением и плотностью должна быть в точности той же самой, что и у ЭГ-вакуума — других вариантов здесь нет. Так не тождественны ли оба эти вакуума?
