Разнесенная в стороны
Таким образом решается еще одна проблема. В стандартной модели трудно объяснить, почему эффекты темной энергии начали проявляться только приблизительно 5 миллиардов лет назад, после того как Вселенная просуществовала уже 9 миллиардов лет. Этот факт имеет решающее значение: если бы темная энергия доминировала и раньше, Вселенная разлетелась бы на куски так быстро, что сейчас не было бы ни галактик, ни жизни, ни физиков, созидающих различные модели Вселенной. В гипотезе обратного влияния все становится просто: 5 миллиардов лет назад произошел перелом, когда в структуре Вселенной начали превалировать пустоты и общая кривизна пространства-времени стала отрицательной.
Расанен занимает весьма умеренную позицию, приходя к выводу, что «дело темной энергии» еще не закрыто и окончательный приговор не вынесен. Другие ученые, такие как Дэвид Уилтшир из Университета Кентербери в городе Крайст Чёрч (Новая Зеландия), выступают более решительно, заявляя, что никакой темной энергии не существует. Уилтшир, Бюшер и другие сторонники «обратного влияния» говорят, что они могут согласовать существующие наблюдения с моделями, не включающими темную энергию.
Наилучший способ окончательно разрешить проблему – создать общие релятивистские модели, которые воспроизводили бы эволюцию той «комковатой» Вселенной, которую мы наблюдаем. До последнего времени сделать это было невозможно, так как требовались огромные вычислительные мощности. Но сейчас две группы ученых под руководством Гленна Старкмана из Университета Кейс Вестерн Резерв в Кливленде (штат Огайо, США) и Тома Гиблина из Кеньон-колледжа в городе Гамбьер (штат Огайо, США) начали работать над созданием численных моделей Вселенной, используя весь мощный аппарат общей теории относительности. Предварительные результаты говорят о том, что эффекты обратного влияния действительно могут менять скорости локального расширения, но они недостаточно сильны, чтобы кардинально изменить общую кривизну Вселенной и создать наблюдаемое ускорение.
Уилтшир указывает, что пока не созданы модели, в которых средняя кривизна пространства-времени эволюционировала бы во времени. Сам Старкман предостерегает, что модели еще довольно сырые: не удается достичь реальной картины, в которой распределение материи было бы достаточно мелкозернистым; материя представляется не в виде частиц, а в виде текучей среды. Во всяком случае, сторонники обратного влияния не собираются отказываться от своей борьбы с темной энергией.
Открывая космическую тайну
Адам Рисс совместно с Брайаном Шмидтом и Солом Перлмуттером получили в 2011 году Нобелевскую премию по физике за открытие ускоренного расширения Вселенной. После окончания Массачусетского технологического института и Гарвардского университета Рисс работает в Университете Джонса Хопкинса и в Институте исследований космоса с помощью космического телескопа (Space Telescope Science Institute) в Балтиморе (штат Мэриленд, США).
В чем суть открытия, сделанного вами совместно с Шмидтом и Перлмуттером, за которое вы были удостоены Нобелевской премии?
Мы – две группы астрономов, которые занимались наблюдениями близких и далеких сверхновых и использовали полученные данные для оценки расширения Вселенной в различные моменты ее истории. Мы обнаружили, что Вселенная, вопреки ожиданиям, не замедляла свое расширение, а, напротив, ускоряла.
Темная энергия – предположительно неотъемлемая энергия пространства-времени, присущая ему изначально, что-то такое, что мы до конца еще не понимаем. Не кажется ли вам странным, что премия была присуждена за открытие того, что по-прежнему остается тайной?
Совершенно нет. Ускорение Вселенной является бесспорным доказательством наличия некоего процесса. Может быть, гравитация на больших масштабах работает не так, как мы привыкли о ней думать. Единственное, что мы можем утверждать наверняка, это то, что расширение Вселенной происходит с ускорением, и это для нас большой сюрприз.
У Эйнштейна была идея, что пространство-время обладает присущей ему плотностью энергии, которая не меняется со временем, так называемой космологической постоянной. Однако впоследствии он назвал эту идею своей «самой большой ошибкой». Ваша работа реабилитирует Эйнштейна?
Да, это впечатляющая реабилитация общей теории относительности Эйнштейна. Все эти прошедшие десятилетия мы наблюдали различные необычные явления во Вселенной, и все они полностью укладываются в рамки его теории.
Еще совсем недавно трудно было представить, что Нобелевская премия будет вручаться за открытие в области астрономии и астрономических наблюдений.
Да, вы правы. Я могу назвать несколько открытий по космологии, сделанные в прошлом, которые были вполне достойны Нобелевской премии: открытие расширения Вселенной и оценка ее размеров, а также наблюдения, указывающие на присутствие темной материи или некоторой дополнительной гравитации. Эти открытия имеют основополагающее значение для нашего понимания физики.
Глава 8
За пределами относительности
Чтобы понять черные дыры, начало времен и истинную природу пространства, мы нуждаемся в теории, которая соединит в себе общую теорию относительности и квантовую механику – две концепции, которые кажутся принципиально несовместимыми.
Странная парочка
Наступит день, когда два столпа современной физики сольются вместе. Общая теория относительности и квантовая механика порознь добились впечатляющих успехов, но по-прежнему кажутся несовместимыми. Стандартная модель физики элементарных частиц в квантово-механической интерпретации описывает большинство фундаментальных сил природы в терминологии порхающих частиц, в то время как теория относительности описывает гравитацию в совершенно другой терминологии, используя искривленное пространство-время.
Столпы сталкиваются и на других перекрестках. Когда мы оказываемся в ситуации, где обе теории становятся одинаково важны, например на горизонте событий черной дыры, работать вместе они отказываются (см. главу 3). Квантовая теория гравитации представляется необходимой при изучении первых моментов после Большого взрыва и, возможно, для понимания природы пространства и времени. Но квантовая гравитация поставила нас в тупик. Производительность труда самого Эйнштейна резко упала в последние годы, когда он занялся поисками теории всего.
Чтобы понять проблему, следует начать с фундаментальных основ квантовой физики. Принцип неопределенности Гейзенберга воплощает в себе «расплывчатость» квантового мира. Он позволяет частицам брать в займы энергию из пустого пространства и появляться из ниоткуда в виде короткоживущих «виртуальных» частиц. Они должны вернуть одолженную энергию путем своего исчезновения – и чем больше они взяли, тем быстрее они должны исчезнуть.
Рис. 8.1. Бесконечная проблема: гравитоны – предполагаемые квантовые частицы гравитации, но теории, в которых они участвуют, оказываются весьма строптивыми
