Уперше стаття опублікована в Львівській газеті (четвер, 05, 2009 року, № 6 (498))
Темна енергія — загадка століття (закінчення)
Варто зазначити, однак, що її відкриття не було повною несподіванкою для теоретиків. Ще 1917 року Альберт Айнштайн доповнив рівняння загальної теорії відносності, які він отримав у 1916-му, сталим доданком, що було рівноцінним уведенню сили, яка урівноважувала гравітаційне притягання звичайної матерії. Цей доданок згодом назвали космологічною сталою. Сила розштовхування, яку вона описує, пропорційна цій сталій і відстані між галактиками. Проявляє вона себе тільки на космологічних масштабах.
Введенням цієї сталої Айнштайн прагнув отримати стаціонарну модель однорідного ізотропного Всесвіту, яким він тоді собі його уявляв. Олександр Фрідман 1922-го довів, однак, що навіть із космологічною сталою загальний розв’язок рівнянь Айнштайна нестаціонарний. Айнштайн погодився з аргументами Фрідмана і згодом відмовився від космологічної сталої, сказавши, що її введення було найбільшою помилкою в його житті. Про це згадує Георгій Гамов у книзі «Моя світова лінія». Проте космологічна стала продовжувала «жити», і астрофізики не раз зверталися до неї, щоб розв’язати проблеми, які виникали під час інтерпретації даних спостережувальної космології, і відкидали, коли знаходили прийнятніші пояснення. Нині космологічна стала цілком задовільно пояснює виявлене прискорене розширення Всесвіту. Скидається на те, що «промах» Айнштайна є насправді геніальною здогадкою, яка знайшла експериментальне підтвердження через 81 рік! Але яка природа цієї сталої чи, точніше, відповідної їй густини енергії, що зумовлює цю розштовхувальну силу? Фізики міркують над цим уже майже сто років, але задовільної відповіді поки що немає. Намагання збагнути фізичну суть космологічної сталої породили низку запитань, відповіді на які можуть бути важливими для побудови теорії єдиних взаємодій і походження Всесвіту. Саме тому цей напрям досліджень є пріоритетним у фізиці й астрофізиці, до нього залучають найпотужніші наукові колективи, зокрема українські.
-
Скидається на те, що «промах» Айнштайна є насправді геніальною здогадкою, яка знайшла експериментальне підтвердження через 81 рік! Але яка природа цієї сталої чи, точніше, відповідної їй густини енергії, що зумовлює цю розштовхувальну силу? Фізики міркують над цим уже майже сто років, але задовільної відповіді поки що немає.
Що ж це за запитання? Космологічна стала незмінна з часом — її значення сьогодні таке ж, як і в момент Великого вибуху. Тобто густина енергії «космологічного поля», пов’язаного з нею, завжди однакова. Але якщо сьогодні вона приблизно втричі більша за густину матерії, то в перші миті розширення, коли формувалися відомі нам елементарні часточки, вона була на 120 порядків (!) меншою. Тобто у ранню епоху еволюції Всесвіту, коли формувалися фізичні взаємодії, її густина енергії становила 0,000......1 (120 нулів перед одиницею) від густини енергії інших фізичних полів. Це дуже мала величина, практично нуль. Однак, якщо б перед одиницею було 115 чи 100 нулів, то це призвело б до фатальних наслідків — Всесвіт почав би прискорено розширюватися ще до того, як утворилися галактики, зорі, планети і життя на них. Зростаючий темп розлітання не дав би їм сформуватися. У такому Всесвіті нічого б не було — ні планет, ні зір, ні нас із вами. Тому виникає проблема пояснення такого точного налаштування значення космологічної сталої в ранньому Всесвіті. Спонтанно чи випадково таке налаштування не могло відбутися, принаймні задовільного пояснення цього явища фізики поки що не мають. З іншого боку, якщо інтерпретувати космологічну сталу як властивість вакууму (енергія його основного стану), то з’являються розбіжності із квантовою електродинамікою, яка нині є чи не найточніше експериментально перевіреним розділом фізики. Можливо, експерименти на Великому адронному колайдері, які розпочнуть цього року, проллють світло на проблему густини енергії фізичного вакууму. Попри це, фізики й астрофізики активно шукають альтернативу космологічній сталій.
Такою альтернативою може бути новий тип фізичного поля (інколи називають п’ята сутність — квінтесенція), яке однорідно заповнює наш Всесвіт і розпирає простір. Сьогодні його густина енергії переважає середню густину енергії всіх інших полів і частинок, що зумовлює спостережуване прискорене розширення Всесвіту на космологічних масштабах. Але в минулому вона могла бути близькою до густини інших фізичних полів, або зникати цілком, залежно від моделі такого поля. В арсеналі теоретиків багато варіантів таких полів, зокрема скалярні поля. Одне з них — поле Гіґґса — сподіваються відкрити з допомогою того ж Великого адронного колайдера.
Залежно від фізичних властивостей, впливу на звичайну матерію, поведінки в минулому та майбутньому скалярні поля діляться на кілька класів (класичне скалярне поле, тахіонне, k-есенція, фантомне поле, квінтомне тощо). Проте жоден із них ще не має вирішальних переваг ні теоретичного характеру, ні підтверджень чи суперечностей із спостереженнями. Загальна назва таких полів — темна енергія (не плутати з темною матерією, про яку окремо йтиметься). Для встановлення природи темної енергії необхідно докладно вивчити її вплив на динаміку розширення Всесвіту в різні епохи його еволюції, формування структури Всесвіту й анізотропії реліктового випромінювання, щоб знайти ключові тести для кожного класу.
Інший напрям — узагальнення теорії гравітації Айнштайна на більше число просторово-часових вимірів. Наш 3+1 вимірний світ у такій моделі — це наче тонка плівка у просторі-часі більшої розмірності, на якій «зайві виміри» компактифіковані. Всі матеріальні поля і взаємодії зосереджено в цій плівці, а гравітація є проявом дії багатовимірного простору. Багато властивостей спостережуваного Всесвіту в цій моделі з’являються доволі природно, в тому числі і прискорене розширення. Цей напрямок, який започаткували ще у 20-х роках минулого століття німецькі математики Калуцо і Кляйн, у наш час бурхливо розвивається й обіцяє відкрити нам незвичні властивості світу в інших вимірах.
Ще один напрям — модифікація теорії гравітаційної взаємодії. Загальна теорія відносності перевірена прямими експериментами тільки в межах Сонячної системи. Астрономічні спостереження об’єктів із поза її меж вимагає введення поняття темної матерії та темної енергії чи космологічної сталої. Можна спробувати модифікувати закон всесвітнього тяжіння і закони Ньютона таким чином, щоб задовольнити тести в межах Сонячної системи і водночас пояснити дані спостережень позагалактичної астрономії без темної матерії та темної енергії. Поки що роботи в цьому напрямі тривають...
Дослідників надихає поведінка космічних апаратів Піонер-10 і Піонер-11 — в їх русі начебто виявлено відхилення, які не пояснюються законом всесвітнього тяжіння та загальною теорією відносності. Але навіть у разі прориву в цьому напрямі проблема темної матерії та темної енергії не зникає, бо існуючі сьогодні варіанти теорії Великого об’єднання передбачають і існування частинок із властивостями темної матерії, і скалярних полів із властивостями темної енергії.