Холодная темная материя вблизи далеких галактик

Массивные частицы слабого взаимодействия представляют собой пример того, что принято называть холодной темной материей, поскольку они тяжелые и медленные. Предполагается, что они играли важную роль на стадии формирования галактик в ранней Вселенной. Некоторые ученые считают также, что по крайней мере часть темной материи пребывает в состоянии быстрых слабовзаимодействующих частиц, таких, как нейтрино, представляющих собой пример горячей темной материи.

ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Еще более странной субстанцией, чем темная материя, является темная энергия. В отличие от сгустков массивных частиц слабого взаимодействия темная энергия равномерно «разлита» по всей нашей Вселенной, равномерно заполняя и скопления галактик, и пустые межгалактические провалы космоса. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле связана с антигравитационным воздействием. Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что, начиная с недалекого прошлого, Вселенная стала расширяться с возрастающим ускорением, как если бы включился некий гипотетический генератор антигравитации. Обычная гравитация с течением времени должна была бы начать приводить к обратному эффекту – замедлению разбегания галактик.

Видный исследователь черной энергии, имеющий свои собственные оригинальные взгляды на ее происхождение и эволюцию, профессор Артур Давидович Чернин считает, что такая картина в основном не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством – отрицательным давлением. Это резко отличает ее от известных форм материи и делает исследование ее природы одной из главных задач современной фундаментальной физики.

Правда, существуют и иные объяснения ускоренного расширения нашего мира, исходящие из предположения, что сами законы гравитации видоизменяются при космологических расстояниях и космологических временах.

Из таких гипотез вытекают далеко ведущие выводы об определенной ограниченности самой общей теории относительности. По‑видимому, если ее обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.

К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных.

Прежде считалось, что разбегание галактик может только замедляться под действием их собственного тяготения. Но ускорение означает, что в природе имеется не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение, которое преобладает над тяготением в наблюдаемой Вселенной. Антитяготение создается не галактиками (с их обычным светящимся барионным веществом и темной материей), а некоей особой космической энергией, в которую погружены все галактики мира. Эта темная энергия, как ее сейчас чаще всего называют, и создает антитяготение.

В одной из своих последних работ профессор А. Д. Чернин подчеркивает, что с темной энергией вполне можно работать, изучать ее роль в реальном мире. Для этого, правда, нужно принять те или иные исходные предположения, хотя бы минимальные, о ее свойствах. Простейший (и, как кажется, самый правдоподобный) из обсуждающихся сейчас вариантов связывает темную энергию с космологической постоянной.

Эта универсальная константа была введена в космологию Эйнштейном, когда он применил только что созданную им общую теорию относительности к изучению мира, рассматриваемого как некое единое целое. Эйнштейн решил эту задачу и представил результат в виде физико‑математической модели Вселенной. Модель описывала Вселенную как статическую, вечную и неизменную как целое физическую систему.

Во Вселенной Эйнштейна притяжение всех тел природы друг к другу… отсутствовало. Ньютоновское всемирное тяготение при этом, однако, не отменялось; но помимо него в эйнштейновской модели действовал еще один силовой фактор – всемирное антитяготение, которое полностью компенсировало взаимное тяготение космических тел в масштабе всей Вселенной.

Ничего подобного прежняя, до‑эйнштейновская физика не знала. Но антитяготение не вытекало в действительности и из общей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Тем не менее она органично и в исключительно экономной форме была введена в структуру общей теории относительности, в ее математические уравнения. Антитяготение было представлено в этих уравнениях всего одной, и притом постоянной, физической величиной, которая и получила позднее название космологической константы. Она обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения – без нее теория не допускала бы статичности мира.

Большинство современных космологов, так же как и профессор Чернин, однозначно связывают физический смысл космологической константы с параметрами вакуума, считая, что открытая астрономами темная энергия – это энергия вакуума. Возникли предположения, что в нем скрыто отрицательное давление, из‑за которого в веществе возникает сила, приводящая к дополнительному расталкиванию галактик. Но структура вакуума и сама по себе с физической точки зрения носит сугубо гипотетический характер.

Разумеется, отрицательное давление вакуума со всех точек зрения является совершенно необычным явлением, ведь давление в жидкости или газе, как правило, положительно. Правда, в окружающей природе тоже есть примеры отрицательного давления внутри вихрей торнадо или при взрыве объемных боеприпасов, но это требует особых условий, хотя и не является чем‑то исключительным. Однако отрицательное давление вакуума – это его основное и исключительное качество.

Сама по себе возможность проявления вакуумного антитяготения следует из теории гравитации Эйнштейна, ведь согласно ей тяготение создается не только плотностью среды, но и ее давлением. Так что эффективная плотность, создающая тяготение, складывается как бы из двух слагаемых. Отсюда и антитяготение вакуума: отрицательная эффективная плотность создает эффект антигравитации. Получается, что если поместить в вакуум две частицы, то они начнут разлетаться, как если бы всемирное вакуумное антитяготение стремилось удалить их друг от друга.

Сейчас мы знаем, что наблюдаемое расширение Вселенной происходит с ускорением, оно будет продолжаться неограниченно долго – ничто уже не способно этому помешать. При этом средняя плотность не‑вакуумной компоненты – вещества и излучения – будет при расширении только убывать. Но это означает, что создаваемое ими тяготение никогда не уже не будет преобладать во Вселенной. Доминирование вакуума будет только усиливаться, а разбегание галактик будет происходить все быстрее и быстрее (рис. 28 цв. вкл.).