Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
А что насчет темной энергии? Думаете, я про нее забыл?
8
Еще более темная Вселенная
Нет, я прекрасно помню о темной энергии. Одна уже мысль о том, что материя, из которой мы состоим, является частичкой материи, из которой состоит наша Вселенная, действует отрезвляюще – но еще больше отрезвляет понимание, что большая часть этой Вселенной может вообще не состоять из материи. В последние 20 лет большинство астрономов сошлись на том, что основная часть Вселенной состоит из темной энергии. Это условный термин: на самом деле мы понятия не имеем, что темная энергия собой представляет. Мы только знаем, что она не является материей и составляет около 70 % энергии всей Вселенной.
Пожалуй, на этом главу можно было бы и закончить. Но почему все-таки большинство космологов верят в существование темной энергии? Дело в том, что закон Хаббла, описанный в главе 4, – это обман. Возможно, вы помните, что на графике удаления галактик, демонстрирующем закон Хаббла, соотношение скорость-расстояние изображено в виде прямой линии. Проблема заключается в том, что такое изображение было бы правдоподобно лишь в том случае, если бы с момента Большого взрыва скорость расширения Вселенной оставалась неизменной. Тогда постоянную Хаббла, H, действительно можно было бы назвать постоянной, а закон Хаббла выглядел бы как v = Hd.
С другой стороны, наивно было бы полагать, что гравитационное воздействие, которое оказывают друг на друга галактики, могло бы замедлить расширение Вселенной. В таком случае наиболее отдаленные галактики, свет которых достигал нашей галактики еще в ранней Вселенной, должны были бы удаляться от нас быстрее, чем того требует закон Хаббла. Все это подводит нас к выводу, что реальная картина разбегания галактик больше соответствует зависимости, характерной для замедляющейся Вселенной, изображенной на рис. 10.
Рис. 10
В 1998 году космологическое сообщество было, мягко говоря, шокировано, когда две исследовательские группы Supernova Cosmology Project и High-Z Supernova Search Team независимо друг от друга сообщили, что процесс расширения Вселенной не замедляется, а, наоборот, ускоряется. Оказалось, так и есть. Поначалу космологи были уверены, что, как и большинство других неправдоподобных результатов, полученных в процессе физических исследований, эти результаты не подтвердятся, но явное намерение обеих групп отстаивать свою правоту до последней капли крови внушало определенное доверие. С тех пор эти результаты выдержали проверку временем.
Теоретически то, что сделали обе команды, было довольно просто: как и Хаббл, они построили график соотношения скорость-расстояние для множества галактик, а затем начали искать отклонения от прямой линии. Как и на графике, такие отклонения незаметны на коротких расстояниях, поэтому командам пришлось измерять галактические расстояния, пролегающие через значительную часть обозримой Вселенной.
Произвести корректные измерения столь значительных расстояний помогло внедрение понятия стандартной свечи. Вы наверняка замечали, что свет лампочки тускнеет по мере того, как она от нас отдаляется. Говоря точнее, видимая яркость лампочки уменьшается пропорционально квадрату расстояния, отделяющего ее от нас: если расстояние увеличится в 2 раза, яркость уменьшится в 4; если расстояние увеличится в 4 раза, яркость уменьшится в 16 раз, и так далее.
Если же перед нами поставить две лампочки, одна из которых будет в 4 раза тусклее другой, мы столкнемся с дилеммой: либо нам придется признать, что эти лампочки различаются по мощности (25 и 100 ватт), либо мы скажем, что одна из них в 2 раза дальше от нас, чем другая. Более того, если нам будет известна мощность обеих лампочек (допустим, 100 ватт), мы сможем точно сказать, сколько энергии они вырабатывают. И наоборот: если мы будем знать, сколько энергии, производимой лампочкой, в итоге доходит до нас (то есть ее видимую яркость), мы сможем сказать, как далеко от нас она расположена.
Стандартная свеча как раз и представляет собой лампочку с известной нам мощностью. В рамках проектов, о которых было сказано выше, в качестве стандартной свечи выступала сверхновая типа 1a. Сверхновая типа 1а образуется, когда белый карлик, поглотив всю материю своего компаньона, коллапсирует, выделяя огромное количество энергии. Эти звезды производят в миллиарды раз больше света, чем наше Солнце, при этом одна такая звезда может на несколько дней затмить все остальные в своей родной галактике, так что увидеть ее становится возможным из любой точки Вселенной.
Исследуя множество разновидностей сверхновых типа 1а, астрономы убедились, что, даже если звезды этого типа и не соответствуют идеально роли стандартной свечи, полученные данные всегда можно скорректировать доступным образом. График Хаббла, построенный на основе полученных результатов, показал, что Вселенная расширяется все быстрее.
* * *
Ускорение подразумевает существование некой силы, заставляющей галактики отдаляться друг от друга. Частенько эту загадочную силу называют антигравитацией, но это не очень помогает понять ее природу. Какова бы она ни была, она точно не ведет себя как гравитация наоборот. Некоторое время ее также было принято называть квинтэссенцией (то есть пятой эссенцией) Аристотеля, что является не более чем элегантным способом скрыть невежество. Не так давно ее стали называть темной энергией. Этот термин тоже мало что объясняет. Просто постарайтесь не путать ее с темной материей из предыдущей главы. Напрямую они никак не связаны: по сути, одно является материей, а другое, соответственно, энергией.
Что действительно напоминает темная энергия, так это космологическую постоянную Эйнштейна, о которой мы говорили в главе 4. Эта постоянная – просто коэффициент, добавленный Эйнштейном в уравнение гравитационного поля, чтобы получить статичную Вселенную. Поскольку космологическую постоянную он обозначал греческой буквой Λ (лямбда), современные космологи в своих уравнениях обозначают темную материю «лямбдой». В отличие от гравитации, космологическая постоянная действительно является постоянной, а значит, не меняется по мере расширения Вселенной. Темная энергия Λ распирает Вселенную изнутри, заставляя ее расширяться все быстрее и быстрее, а сторонники статичной Вселенной это предположение игнорируют.
Мы не знаем, как возникла космологическая постоянная. Основная гипотеза состоит в том, что она характеризует энергию вакуума, оставшуюся в пространстве-времени после Большого взрыва. Квантовая механика говорит нам, что вакуум в пространстве не является пустотой и может быть изображен как кипящее море энергии. В представлении физиков, это море энергии похоже на поле с маленькими, колеблющимися пружинами в виде фотонов, нейтрино и прочих частиц. Возможно, вы слышали об известном принципе неопределенности Гейзенберга. Этот принцип является законом природы и предполагает, что
