Важнейшие открытия космологии

Важнейшие открытия космологии

Современная наука о Вселенной - космология - родилась в первые десятилетия XX в. Тогда были созданы теория относительности и квантовая механика, составляющие с тех пор фундамент всей физики. Космология начиналась с первых теоретических поисков, которые почти всем казались поначалу совершенно абстрактными и произвольными, если не фантастическими. Затем последовали грандиозные наблюдательные открытиям, и в результате в космологии возникла новая богатая содержанием и научно обоснованная картина мира как единого целого.

История космологии складывается, если говорить совсем коротко, из четырех крупнейших открытий, которые и определили лицо науки о Вселенной к началу XXI в.

Первое из важнейших открытий сделано Эдвином Хабблом: в 1929 г. он обнаружил разбегание галактик, которое теперь понимают как всеобщее расширение Вселенной. Вскоре после этого, в 1933 г., Фриц Цвикки заметил признаки существования во Вселенной темной материи, которую еще называют скрытой массой. Третье событие - регистрация в 1965 г. Арно Пензиасом и Робертом Вилсоном (Нобелевская премия 1986 г.) реликтового излучения, равномерно заполняющего все пространство мира. Наконец, недавно, в 1998-1999 гг., две группы астрономов открыли всемирное антитяготение.

Оригинальная Хаббловская диаграмма космологического расширения (1929 г.). Зависимость скорости удаления галактики (км/с) от расстояния до нее (пк). Расстояния у Хаббла были занижены тогда почти в 10 раз. На его диаграмме по вертикальной оси ошибочно указаны единицы скорости - (km) вместо (km/s).

Замечательно, что три из четырех крупнейших наблюдательных открытий были предсказаны теоретиками. Расширение Вселенной предсказал Александр Александрович Фридман в 1922 г. Предсказание реликтового излучения - заслуга Георгия Антоновича Гамова (1940-1950-е гг.), некогда студента профессора А.А. Фридмана, преподававшего в Ленинградском университете. Существование же всемирного антитяготения предвидел Альберт Эйнштейн (1917 г). Только темная материя явилась в космологию неожиданно.

Предсказание Эйнштейна дольше всего ждало своего наблюдательного подтверждения. Как и полагается в истории самых важных открытий, оно оказалось сюрпризом почти для всех, а некоторых теоретиков и вовсе застало врасплох. Никто не мог представить себе, что судьбу эйнштейновской идеи удастся выяснить уже сейчас и с такой высокой степенью определенности и надежности.

Гипотеза Эйнштейна

В 1915 г. А. Эйнштейн создал общую теорию относительности. Двумя годами позднее он сделал попытку применить ее к изучению мира, рассматриваемого как единое целое. С помощью новой теории Эйнштейн впервые построил физико-математическую модель Вселенной. Модель описывала Вселенную как статическую, вечную и неизменную физическую систему. В ней притяжение тел друг к другу... отсутствовало. Ньютоновское всемирное тяготение при этом 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, доэйнштейновская физика не знала. Но антитяготение не вытекало и из общей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Она органично и в исключительно экономной математической форме была введена в структуру общей теории относительности, в ее математические уравнения. Антитяготение представлено в этих уравнениях всего одной и притом постоянной физической величиной, числом, которое получило название космологической константы. Космологическая константа, обозначаемая греческой буквой L (лямбда), обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения - без нее теория не допускала бы статичности мира. Последнее понятно: в мире, где безраздельно господствует одно лишь всемирное тяготение, все тела должны «падать», двигаясь под действием взаимного притяжения. Статичность, покой и вечная неизменность в таком случае совершенно невозможны.

События в космологии тех лет развивались стремительно. В 1922 г. А.А. Фридман доказал, что уравнения общей теории относительности - даже при наличии в них космологической константы - допускают не только статические модели, но и модели динамические, в которых Вселенная как целое могла расширяться или сжиматься. Фридман явно предпочитал модель расширяющейся Вселенной. Она и подтвердилась в 1929 г. в астрономических наблюдениях Э. Хаббла.

Как только стало ясно, что во Вселенной никакого покоя на самом деле нет, многие сочли, что идея всемирного антитяготения провалилась, а в космологической константе нет нужды. Так считал и сам Эйнштейн, который однажды в разговоре с Гамовым назвал идею космологической константы своим самым досадным промахом в науке. Против нее были и другие теоретики, среди них Л.Д. Ландау и В. Паули. О взглядах Ландау в

1950-1960 гг. пишет В.Л. Гинзбург: «Л.Д. Ландау даже слышать не хотел о L-члене, но добиться от него причины такой позиции мне не удалось». И тем не менее интерес к гипотезе Эйнштейна не пропадал совсем. Десятилетие за десятилетием, начиная с работ В. де Ситтера и Ж. Леметра, складывалось понимание сущности новой константы природы - если только она не равна нулю. В результате возникло представление, что космологическая константа Эйнштейна описывает некую новую, совсем необычную космическую среду. Эта среда, не известная до того ни в теории, ни в эксперименте, заполняет все пространство мира везде и всегда с одинаковой плотностью. Она действует на погруженные в нее космические тела так, что их взаимное притяжение может быть ослаблено или даже полностью устранено - как в космологической модели Эйнштейна. Более того, эта среда способна не только компенсировать всемирное тяготение, но и пересилить его, заставить тела не притягиваться друг к другу, а удаляться. Такая точка зрения была впервые высказана Эрастом Борисовичем Глинером в 1965 г. Сейчас она получила самое широкое распространение.

Антитяготение и космический вакуум

В 1998-1999 гг. две группы астрономов-наблюдателей сообщили об открытии всемирного антитяготения. В работе участвовало большое число исследователей (около ста в общей сложности), одной группой руководили Брайан Шмидт и Адам Райес, другой - Сол Перлмуттер. Астрономы обнаружили, что в наблюдаемой Вселенной присутствует антигравитирующая космическая среда - космический вакуум. Но это отнюдь не пустота. У вакуума есть энергия, обладающая постоянной во времени и одинаковой во всем пространстве плотностью в любой системе отсчета. Этим вакуум принципиально отличается от всех других форм космической среды, плотность которых неоднородна в пространстве, падает со временем в ходе космологического расширения и может быть разной в разных системах отсчета.

Оказалось, что по плотности энергии он превосходит все «обычные» формы космического вещества вместе взятые. Вакуум создает космическое антитяготение, которое не то что компенсирует всемирное тяготение, но определенно пересиливает его и почти безраздельно управляет динамикой космологического расширения в современную эпоху.

Стоит заметить, что ни в первой своей космологической работе, ни позднее Эйнштейн не говорил ни об антитяготени, ни о вакууме. Дело, конечно, не в названиях. Но факт остается фактом: Эйнштейн воздерживался от какой-либо физической интерпретации космологической константы.

Открытие вакуума сделано на основании изучения далеких вспышек сверхновых звезд. Из-за исключительной яркости их можно наблюдать на очень больших, по-настоящему космологических расстояниях. Использовались данные о сверхновых определенного типа (Ia), которые принято считать «стандартными свечами»; их собственная светимость в максимуме блеска действительно лежит в довольно узких пределах (эксперты по сверхновым продолжают между тем спорить, в каких именно). Это позволяет проследить, как видимая, регистрируемая яркость источников зависит от расстояния до них. Конечно, на небольших расстояниях это классический закон обратных квадратов, но на очень большом удалении источников становятся существенными космологические эффекты, и, значит, характер этой зависимости позволяет узнать нечто новое о всей Вселенной. Одно плохо - сверхновых звезд очень мало. В среднем на обычную галактику приходится одна вспышка сверхновой примерно за сто лет, да и длится эта вспышка всего несколько месяцев, а то и недель. Поэтому статистика космологических сверхновых пока не очень богата (около десятка звезд к 2006 г.).

Первая группа наблюдателей, сообщившая о своих результатах в 1998 г., располагала данными всего о нескольких сверхновых нужного типа на заданных расстояниях, но уже и этого было достаточно, чтобы заметить космологический эффект в законе убывания видимой яркости с увеличением расстояния. Оказалось, что уменьшение яркости происходит несколько быстрее, чем следовало бы ожидать по космологической теории. Это возможно тогда (и, как все сейчас думают, только тогда), когда космологическое расширение происходит с ускорением, то есть, если скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Ускорение же может создать только космический вакуум: его антитяготение стремится удалить тела друг от друга и тем самым подгоняет разлет галактик и скоплений. Благодаря именно этому эффекту ускорения и удалось распознать космический вакуум и даже весьма точно измерить плотность его энергии ?V. Оказалось, что ?V = 7 ? 10-30 г/см3, если выразить ее в единицах плотности массы. (Как известно, масса и энергия связаны между собой знаменитой формулой Эйнштейна E = mc2; чтобы пересчитать плотность массы на плотность энергии, нужно умножить ее на c2.) Эта плотность заметно больше плотности других видов космического вещества и энергии. Энергия вакуума составляет приблизительно 73% от полной энергии (или массы) Вселенной.

Суммарная плотность вакуума и трех других компонент космической среды точно (или почти точно) равна критической плотности. Согласно теории Фридмана, это означает, что трехмерное пространство расширяющейся Вселенной является плоским, евклидовым (или очень близким к нему). Все эти данные позднее были подтверждены другими астрономическими наблюдениями и сейчас считаются надежно установленными.

После открытия антитяготеющей среды для нее стали придумывать названия. Одно из них - темная энергия - получила распространение. Под нею понимают, вообще говоря, не вакуум (о свойствах которого далее будет подробно рассказано), а любую мыслимую среду, способную создавать антитяготение. Такая гипотетическая среда действительно темная, то есть она невидима, не излучает и не отражает света. В последнее время наблюдательные данные все более определенно указывают на то, что антитяготеющая среда - это вакуум Эйнштейна - Глинера, описываемый космологической константой.

Почему анти?

Почему же вакуум создает не тяготение, а антитяготение? Все дело в том, что вакуум Эйнштейна - Глинера обладает не только определенной плотностью, но и давлением. Так он с самого начала задан и описан космологической константой. При этом плотность вакуума положительна, а его давление отрицательно.

Отрицательное давление - не вполне обычное явление в физике. При «нормальных условиях» давление в «нормальной» жидкости или газе как правило положительно. Но и в жидкости (например, в потоках воды) и в твердых телах (например, во всесторонне растянутой стальной болванке) отрицательное давление тоже может возникать. Это требует специальных условий, но само по себе не является чем-то исключительным.

Однако в случае вакуума ситуация особая. Давление вакуума не только отрицательно, но и равно по абсолютной величине его плотности энергии (напомним, что две эти физические величины имеют одинаковую размерность). То есть давление вакуума есть плотность энергии со знаком минус. Ничего подобного нет ни в одной другой среде. Только это соотношение между плотностью и давлением совместимо с понятием вакуума как формы энергии всегда и всюду с постоянной плотностью, независимо от системы отсчета.

Согласно общей теории относительности, тяготение создается не только плотностью среды, но и ее давлением. При этом «эффективная» плотность энергии, создающая тяготение, складывается из плотности энергии и трех величин давления:

?эфф = ?V + 3pV = -2?V,

где pV = - ?V - давление вакуума.

При указанной связи между давлением и плотностью энергии вакуума такая сумма составляет две величины давления и поэтому оказывается отрицательной. Отсюда и антитяготение вакуума: отрицательная эффективная плотность создает «отрицательное» тяготение.

По данным о сверхновых, плотность вакуума превышает, как мы уже говорили, суммарную плотность всех остальных видов космической энергии. Поэтому в наблюдаемой Вселенной антитяготение сильнее тяготения, и космологическое расширение обязано происходить с ускорением.

Ускоренное расширение

В отличие от всемирного тяготения, всемирное антитяготение стремится не сблизить тела, а, напротив, удалить их друг от друга. Если, например, имеются два тела в вакууме, то вакуум заставляет их двигаться в противоположных направлениях. Так что если эти тела в какой-то момент покоились друг относительно друга, то в следующий момент они начинают двигаться в разные стороны.

При общем космологическом расширении наблюдаемые скорости разбегающихся галактик приводят к их удалению друг от друга. Это означает, что действующая на них сила антитяготения направлена вдоль скорости, и потому помогает галактикам разбегаться, все время увеличивая их относительную скорость. Поскольку наблюдаемое расширение Вселенной происходит с ускорением, оно продлится неограниченно долго - ничто уже не способно этому помешать. Действительно, средняя плотность вещества и излучения будет при расширении убывать. Это означает, что создаваемое ими тяготение никогда не станет преобладать во Вселенной. Динамическое доминирование вакуума будет только усиливаться, а разбегание галактик происходить все быстрее и быстрее.

Модель космологического расширения: шар на фоне вакуума.

Сила антитяготения, действующая на частицы вещества, направлена вдоль их скорости.

Она заставляет галактики удаляться друг от друга.

Обратимся теперь не к будущему, а к прошлому Вселенной. Вакуум доминировал в мире не всегда. Его плотность не меняется со временем, тогда как плотность темного вещества падает при расширении мира и, значит, растет назад в прошлое. В ранней Вселенной господствовало всемирное тяготение невакуумных компонент космической среды. Оно замедляло космологическое расширение. А эпоха антитяготения и ускоренного расширения наступила только при возрасте мира в 6-8 млрд. лет. Это приблизительно половина от современного возраста Вселенной, который составляет около 14 млрд. лет.

Изменение расстояний во Вселенной со временем. Раньше расширение замедлялось.

При возрасте мира 6-8 млрд. лет произошел переход к ускоренному расширению.

Сейчас оно ускоряется по почти экспоненциальному закону.

Но если в ранней истории Вселенной космологическое расширение происходило с торможением, точные измерения ускорения по сверхновым звездам, находящимся от нас на расстоянии в 6-8 миллиардов световых лет и более, должны прямо на это указать. Замечательно, что такие примеры очень далеких сверхновых в самое последнее время были найдены, и они определенно подтверждают, что в далеком прошлом расширение действительно происходило не с ускорением, а с замедлением. Очевидно, эти примеры служат веским дополнительным аргументом в пользу новой картины эволюции Вселенной, которая возникла благодаря открытию космического вакуума.

Три массы вакуума

Как известно, пространство вместе со временем образуют единое многообразие, четырехмерное пространство-время, в котором три координаты относятся к собственно пространству, а четвертая координата есть время. Именно так описывает мир теория относительности. Согласно ей, геометрия четырехмерного пространства-времени определяется распределением и движением вещества. Вещество распределено в пространстве и движется во времени. Связь между веществом и пространством-временем осуществляет тяготение вещества. Эта связь взаимная: не только вещество влияет на геометрию пространства-времени, но и пространство-время способно влиять на распределение и движение вещества в нем.

Только один вакуум способен влиять, но не испытывать на себе обратного влияния. В самом деле, постоянство плотности и давления вакуума означает, что на него ничто, нигде, никак и никогда не действует. Он воздействует на вещество своим антитяготением, он влияет на свойства пространства-времени. Он даже полностью их определяет, когда его плотность превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии. Сам же вакуум не испытывает ни обратного воздействия вещества, ни влияния геометрии мира, ни своего собственного антитяготения. Он оказывает действие, но не испытывает противодействия. Это единственный известный в физике пример, когда действие не равно противодействию - вопреки третьему закону Ньютона.

Причина такой «неподатливости» вакуума состоит в том, что у него нет инертной массы, вернее, она равна нулю. Инертная масса - это понятие из второго закона Ньютона, который гласит, что сила, действующая на тело, равна произведению ускорения на его инертную массу. Для всех обычных тел инертная масса отлична от нуля. Инертная масса единицы объема тела равна (по общему определению) сумме плотности энергии тела и давления в нем, деленной на квадрат скорости света. Но как мы помним, давление вакуума равно его плотности энергии со знаком минус. Из этого вытекает, что сумма, дающая инертную массу, обращается для вакуума в нуль. Выходит, - любая сила, приложенная к вакууму, тоже равна нулю.

В физике известен еще один род массы - это пассивная гравитационная масса, которая фигурирует в законе тяготения Ньютона. Она «чувствует» поле тяготения, создаваемое всеми остальными телами. Еще Галилею было известно, что пассивная гравитационная масса всегда равна инертной массе. Именно поэтому все тела движутся с одинаковым ускорением в поле тяготения Земли. Равенство этих двух масс лежит в основе универсального принципа эквивалентности, который действует в механике Ньютона и полностью сохраняет свою силу в общей теории относительности. Применительно к вакууму эквивалентность означает, что его пассивная гравитационная масса равна нулю, как и инертная масса. Поэтому вакуум - и только он один - «не замечает» никаких полей тяготения, ни чужих, ни своего собственного.

Мы уже упоминали выше об эффективной гравитирующей плотности. Ей отвечает масса третьего рода, которая называется активной гравитационной массой, то есть массой, не чувствующей, а создающей тяготение. Эффективная плотность - это активная масса, приходящаяся на единицу объема. Как мы знаем, эффективная плотность вакуума отрицательна. Значит, и его активная гравитирующая масса отлична от нуля и отрицательна. Для обычных же тел вокруг нас все три рода массы одинаковы и неразличимы, так что можно говорить просто о массе тела во всех трех случаях.

Мир антитяготения

Что же происходит с пространством-временем, когда в нем начинает доминировать вакуум? Если пренебречь влиянием всего невакуумного вещества, то лишь вакуум и будет определять свойства пространства-времени. Как мы знаем, плотность и давление вакуума не меняются со временем, с ним ничего не происходит, он всюду и всегда один и тот же. Но раз свойства пространства-времени определяет только неизменный вакуум, то и само пространство-время не должно меняться. Это означает, что мир, в котором безраздельно господствует вакуум, должен быть неизменным во времени, статичным. В полном соответствии с этим космологическая теория Фридмана (а в ней с самого начала учитывалась возможность существования вакуума, представляемого космологической константой) описывает мир вакуума как статичный и неизменный.

Каким образом происходит превращение мира подвижного и расширяющегося в неподвижный? Как из него исчезает эволюция? Ведь разбегание галактик в нем продолжается, притом со все возрастающими скоростями. Но чем быстрее они разбегаются, тем меньше плотность их общего распределения, и, значит, тем слабее их влияние через тяготение на свойства пространства-времени. Влияние вакуума через его антитяготение становится все более и более сильным. В итоге галактики и все невакуумное вещество оказываются в мире, свойства которого определяет вакуум. Так эволюция мира в целом затухает, его пространственно-временной каркас застывает и остается «замороженным» навсегда.

Чем сильнее разгоняется космологическое расширение под воздействием антитяготеющего вакуума, тем ближе наш четырехмерный мир к абсолютной статике, неизменности и полному покою. В таком мире все события, то есть четырехмерные точки, неразличимы, в нем нигде ничего не происходит, и потому этот мир вечен и неизменен как целое. Он напоминает статический мир модели Эйнштейна, в которой покой достигался равновесием тяготения вещества и антитяготения вакуума. В мире вакуума такого равновесия нет: антитяготение вакуума ничем не уравновешено, и, тем не менее, этот мир тоже находится в покое.

Оказывается, что покой не обязательно предполагает равновесие сил. Вакуум, будучи сам неизменным, делает мир статичным в отсутствие других сил.

Вакуум или геометрия?

Что же такое вакуум с точки зрения фундаментальной физики? Из чего он состоит? Какова его микроскопическая структура? Придется сказать сразу: об этом достоверно пока ничего не известно. Хотя новоявленный вакуум и называют космическим, он, как многие полагают, тот же, что и в атомной физике и микрофизике, где давно известен. В физическом вакууме разыгрываются взаимодействия элементарных частиц. Он представляет собой наинизшее энергетическое состояние квантовых полей, в котором энергия не равна нулю. Поэтому вакуум обладает энергией.

Физический вакуум непосредственно проявляется экспериментально. При этом его плотность энергии ускользает от измерения. Это далеко не случайно. Во всех, кроме тяготения, физических взаимодействиях проявляется только разность энергий физической системы в различные моменты времени и (или) в различных точках пространства, а не вся величина ее энергии в данном состоянии. Лишь гравитация реагирует на саму энергию целиком, а не на ее разности.

Физический вакуум давно изучается в квантовой теории. Однако эта теория не смогла предсказать величину плотности космического вакуума. Даже сейчас, когда она уже измерена астрономами, теория не позволяет вычислить ее значение. Вероятно, здесь требуется такая теория, которая объединила бы квантовые законы с законами тяготения. Тогда полная энергия вакуума квантовых полей (а не только ее разности) приобрела бы точный физический смысл, и ее плотность можно было бы вычислить. Такой теории сейчас нет; лишь ее отдельные ростки пробиваются на почве, где квантовая теория соприкасается с космологией и физикой черных дыр. Прошло почти сто лет со времени создания квантовой механики и общей теории относительности, а синтез этих теорий - мечта теоретиков многих поколений - остается делом не слишком определенного будущего.

Но вакуум квантовых полей - это лишь одна из интерпретаций эффекта космологической константы. Несомненно, она полезна и, как мы видели, позволяет понять и наглядно истолковать ключевые свойства всемирного антитяготения. Возможны, по-видимому, и другие интерпретации, способные глубже раскрыть те же, а лучше и еще какие-то иные свойства этого феномена. Например, всемирное антитяготение можно рассматривать как изначальное, обязательное и неотъемлемое свойство четырехмерного пространства-времени. В таком случае оно должно описываться скорее на геометрическом языке и представлять собой неустранимую и вечную искривленность мира. Подобный подход ближе соответствовал бы геометрической интуиции, которая, как кажется, руководила Эйнштейном в 1917 г.

В последнее время в фундаментальной физике появляются и более радикальные идеи. Это, например, предположение о том, что наш мир представляет собой лишь четырехмерную тень «истинного» многомерного пространства-времени. В одной модели принимается существование двух дополнительных измерений, которые оставались до сих пор незамеченными, то есть реальное пространство-время шестимерно. Два дополнительных измерения имеют в этой модели конечную протяженность подобно, например, расстояниям вдоль (тоже двумерной) поверхности земного шара, которые не превышают половины длины экватора. Максимальное расстояние в пространстве дополнительных измерений составляет доли миллиметра, что, кстати, вполне сопоставимо с обычными человеческими мерками. При этом (как заметил автор в 2002 г.) в «истинной шестимерной» физике появляется простая и естественная мера для плотности вакуума в нашем трехмерном пространстве: значение плотности определяется максимальной длиной дополнительных измерений, возведенной в минус четвертую степень. Есть надежда, что экспериментальная лабораторная проверка гипотезы субмиллиметровых дополнительных измерений станет возможной в ближайшие несколько лет.

Всемирное антитяготение - грандиозный, удивительный и загадочный феномен космологии. Его физическую природу еще предстоит выяснить. И это едва ли не самая принципиальная проблема современной фундаментальной физики.