Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса - Грин Брайан. Страница 43

Далее мы увидим, что ограничения на возможности будущих астрономов ещё более поражают, когда мы пониманием, сколь огромно космическое пространства, как это установило наше поколение, стремясь объяснить ускоренное расширение.

Космологическая постоянная

Если бы вы увидели, что скорость мяча, подброшенного вверх, вдруг начала увеличиваться, вы бы решили, что есть что-то, что толкает его прочь от земной поверхности. Точно так же исследователи сверхновых пришли к выводу, что для неожиданного ускорения космической экспансии требуется нечто, что толкает наружу, нечто преодолевающее гравитационное притяжение. Как мы теперь хорошо знаем, именно так можно описать работу космологической постоянной, а порождаемое ею гравитационное отталкивание является идеальным кандидатом. Таким образом, наблюдения за сверхновыми вернули космологическую постоянную обратно под свет софитов, и не потому что «убеждённость — плохой судья», как писал Эйнштейн в своём письме десятилетиями ранее, а по причине упрямой силы фактов.

Полученные данные также позволили исследователям определить численное значение космологической постоянной — количество тёмной энергии, заполняющей пространство. Выразив полученный результат через массовый эквивалент, как это принято среди физиков (используя формулу E = mc² в менее привычном виде m = E/c²), исследователи показали, что данные, полученные из наблюдения сверхновых, приводят к значению космологической постоянной менее 10⁻²⁹ грамма на кубический сантиметр. ^{50} Отталкивающая сила такой маленькой космологической постоянной в течение первых 7 миллиардов лет была подавлена притяжением обычного вещества и энергии, в согласии с наблюдательными данными. Но расширение пространства растворило, снизило плотность обычного вещества и энергии, что в конце концов позволило космологической постоянной взять верх. Напомним, что космологическая постоянная не подвержена растворению; гравитационное отталкивание, порождённое космологической постоянной, является внутренним свойством пространства — каждый кубический метр пространства даёт одинаковый вклад в отталкивающую силу, определяемый величиной космологической постоянной. Поэтому чем больше пространства находится между любыми двумя объектами благодаря космическому расширению, тем сильнее сила, отталкивающая их в разные стороны. Примерно 7 миллиардов лет гравитационное отталкивание, порождённое космологической постоянной, начало превалировать; с этого момента Вселенная расширяется с ускорением, так как описывает кривая на рис. 6.2.

Для соответствия с принятыми соглашениями мне следует выразить величину космологической постоянной в удобных единицах, наиболее часто используемых в физике. Согласитесь, странно просить продавца взвесить 10¹⁵ пикограмм картофеля (разумнее попросить 1 килограмм, в эквивалентных и более адекватных единицах меры), и ваш друг удивится, если вы попросите его подождать вас 10⁹ наносекунд (лучше сказать, что вы будете через 1 секунду, в эквивалентных, но более удобных единицах времени). Для физиков столь же странно измерять энергию космологической постоянной в граммах на кубический сантиметр. По причинам, которые скоро прояснятся, естественным выбором будет выражение величины космологической постоянной в виде множителя от так называемой планковской массы (примерно 10⁻⁵ грамма), делённой на планковскую длину в кубе (куб с ребром примерно 10⁻³³ сантиметра, что даёт для объёма примерно 10⁻⁹⁹ кубического сантиметра). Измеренная в таких единицах величина космологической постоянной составляет примерно 10⁻¹²³, крохотное число, приведённое в самом начале этой главы. ^{51}

Можно ли доверять такому результату? За годы, прошедшие с момента первых измерений, были получены ещё более убедительные данные, подтверждающие ускоренное расширение. Более того, новые экспериментальные данные (направленные, например, на анализ детальных свойств реликтового излучения; см. книгу «Ткань космоса», глава 14) прекрасно согласуются с данными по сверхновым. Если и есть место для манёвра, то оно может быть связано только с самим объяснением ускоренного расширения. Принимая, что общая теория относительности является математическим описанием гравитационного взаимодействия, единственной возможностью действительно является антигравитация, порождённая космологической постоянной. Другие возможные объяснения можно получить, если изменить эту картину, включив в неё дополнительные экзотические квантовые поля (которые, подобно тому что мы видели в инфляционной космологии, могут в определённые периоды космической эволюции маскироваться под космологическую постоянную) ^{52}, либо изменить уравнения общей теории относительности (чтобы гравитационное притяжение убывало с расстоянием сильнее, чем это следует из механики Ньютона или теории Эйнштейна, позволяя таким образом удалённым областям разлетаться быстрее и не требуя присутствия космологической постоянной). Однако на сегодняшний день простейшее и наиболее убедительное объяснение наблюдаемому ускоренному расширению состоит в том, что космологическая постоянна отлична от нуля, а потому пространство заполнено тёмной энергией.

Для многих исследователей открытие ненулевой космологической постоянной стало самым удивительным наблюдательным результатом, о котором они когда-либо слышали.

Объяснение нуля

Когда я впервые столкнулся с данными по сверхновым, предполагающими ненулевое значение космологической постоянной, моя реакция была типичной для многих физиков. «Этого просто не может быть!» Большинство (но не все) теоретиков давно пришли к выводу, что значение космологической постоянной равно нулю. Такая точка зрения изначально возникла из истории про «самую большую ошибку Эйнштейна», но со временем возникло множество убедительных аргументов в её поддержку. Самый сильный основан на принципе квантовой неопределённости.

В силу квантовой неопределённости и сопутствующих флуктуаций, присущих всем квантовым полям, даже в пустом пространстве происходит неистовая микроскопическая активность. Подобно атомам, сталкивающимся со стенками сосуда, или детям, прыгающим по детской площадке, квантовые флуктуации обладают определённой энергией. Однако, в отличие от атомов и детей, квантовые флуктуации повсеместны и неизбежны. Нельзя объявить, что некоторая область пространства закрыта и отправить все квантовые флуктуации домой; энергия, присущая квантовым флуктуациям, пронизывает всё пространство и не может быть удалена. Поскольку космологическая постоянная есть не что иное, как энергия, пронизывающая пространство, то квантовые флуктуации являются именно тем микроскопическим механизмом, который порождает космологическую постоянную. Осознание этого факта имеет первостепенное значение. Вспомните, когда Эйнштейн ввёл понятие космологической постоянной, он сделал это абстрактно — не уточняя, чем она может быть на самом деле, откуда она может появиться и какое иметь происхождение. Установление связи с квантовыми флуктуациями сделало неизбежным возникновение космологической постоянной: если бы Эйнштейн её не придумал, то кто-нибудь другой, знакомый с квантовой физикой, обязательно бы сделал это. Как только мы принимаем во внимание квантовую механику, мы сталкиваемся с энергией полей, однородно распределённой в пространстве, что напрямую приводит нас к понятию космологической постоянной.

Вопрос только в численном значении. Сколько энергии содержится в вездесущих квантовых дрожаниях? Когда теоретики проделали соответствующие вычисления, получившийся ответ оказался довольно нелепым: в любом объёме пространства должно присутствовать бесконечное количество энергии. Чтобы понять почему, представьте квантовые дрожания поля внутри пустой коробки произвольного размера. На рис. 6.3 показаны примерные профили квантовых флуктуаций. Каждая флуктуация даёт вклад в энергию поля (чем короче длина волны, тем быстрее скорость флуктуации, следовательно, выше энергия). Поскольку существует бесконечно много возможных волновых профилей, у каждого из которых длина волны меньше, чем у предыдущего, то полная энергия квантовых флуктуаций бесконечна. [39]