Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Кристиансен Йостейн Рисер

Вакуумная энергия и квантовая флуктуация

Давайте заглянем в микромир. Как квантовая физика объясняет космологическую постоянную? Что же это за такое вещество, не теряющее плотности при расширении пространства? Естественно было бы представить, что Л — неизбежное свойство самого пространства. Иными словами, всегда будет оставаться энергия, от которой невозможно избавиться, даже если откачивать все частицы лучшим в мире вакуумным насосом. На самом деле, мысль о том, что вакуум обладает энергией, не так уж притянута за уши, как может показаться на первый взгляд.

Как мы помним из нашего разговора о частицах,

пары частиц и античастиц могут возникать и снова исчезать. Если обратиться к квантовой физике, у нас всегда будут такие испаряющиеся и появляющиеся пары частиц. Даже самый идеальный вакуум никогда не будет пуст. В нем варится суп из частиц и античастиц, которые возникают и исчезают в бурлящем хаосе. Где есть частицы, там будет и масса. А где есть масса — есть и энергия. Итак, согласно квантовой физике, вакуум всегда содержит энергию. Плотность этой энергии должна быть постоянной, потому что это свойство самого пространства. Эту форму энергии часто называют вакуумной. Если включить такую форму энергии в уравнения гравитационного поля Эйнштейна, она будет вести себя точно так же, как космологическая постоянная, и порождать отталкивающие гравитационные силы.

Конечно, проще считать, будто энергия вакуума — это концепция, существующая только в отстраненных от реальности головах физиков и не имеющая ничего общего с действительностью. Но не тут-то было — вакуум существует. Доказано это было, в частности, с помощью забавного явления, которое мы называем эффектом Казимира. Для возникновения эффекта нужно расположить две металлические пластины в вакууме на близком расстоянии друг от друга. Повсюду — как между пластинами, так и снаружи — будут частицы и античастицы, возникающие и исчезающие в вакууме. Это мы и называем квантовой флуктуацией, которая сама по себе состоит из ряда различных процессов. Между пластинами настолько узко, что вакуумная флуктуация в том же объеме, что и снаружи, невозможна. Но какое-то количество флуктуаций все же проникает туда. В результате пластины больше прижимаются колебаниями вакуума снаружи, чем изнутри. Эксперимент фиксирует плотное прижатие пластин друг к другу, а точные измерения доказывают, что вакуум не полностью пуст и что происходящее в вакууме можно описать с помощью квантовой физики.

Но раз эффект Казимира доказан и изучен, нельзя ли использовать ту же теорию для расчета вакуумной энергии во Вселенной? И да и нет. Для эффекта Казимира необходимо пространство между двумя металлическими пластинами. К сожалению, условия Вселенной этому не соответствуют. Тем не менее квантовая физика способна помочь понять, насколько большой должна быть космологическая постоянная. Если впоследствии окажется, что вычисленная квантово-физическими методами космологическая постоянная такая же большая, как та, которую мы видим во Вселенной, тогда решится вся проблема темной энергии. Но реальность не столь благосклонна. В итоге получается, что теоретически рассчитанная плотность космологической постоянной в 10⁵⁵ раз больше той, что мы измеряем во Вселенной.

(Во многих источниках говорится, что отклонение еще больше: 10¹²⁰ или 10¹²² вместо 10⁵⁵. Число зависит от того, как именно рассчитывать космологическую постоянную в квантовой теории. Однако наиболее последовательный метод вычислений, который не противоречит тому, что мы знаем о Стандартной модели физики элементарных частиц, дает 10⁵⁵. Тем не менее отклонение огромно.)

Иными словами, это число с 55 нулями за единицей. Скорее всего, это величайшее несоответствие

между теорией и наблюдениями в истории физики. И поэтому для многих проблема, скорее, заключается не в объяснении существования космологической постоянной, а в объяснении, почему она не настолько большая, как следует из наших вычислений. У этой проблемы даже название есть — проблема космологической постоянной.

По-хорошему, мы должны радоваться тому, что космологическая постоянная столь мала. Соответствуй она теоретическим предсказаниям — и нас бы вообще тут не было. Тогда бы Вселенная начала расширяться задолго до формирования первых звезд и планет. Расширение происходило бы так быстро, что небольшие неоднородности молодой Вселенной не сформировались бы в сложные структуры, которые дадут начало жизни и цивилизациям. Без проблемы космологической постоянной разумные существа никогда бы не появились, и сформулировать саму эту проблему было бы некому.

Честно говоря, мы не знаем, как вычислить космологическую постоянную на основе имеющихся у нас теорий. При вычислении теоретического значения космологической постоянной мы сначала получаем бесконечно большой результат. Но при помощи некоторых грубоватых математических уловок можно сократить это бесконечно большое число до плотности, которая больше «всего» в 10⁵⁵ раз. Но, как показывает практика, наши теории частиц, квантовая физика и знания о гравитации еще несовершенны. Остается лишь надеяться, что появится более полная теория, которая объяснит, почему космологическая постоянная настолько мала.

Многие физики придерживаются иной аргументации. Они считают, что флуктуации вакуума вообще никак не связаны с космологической постоянной. По их мнению, более совершенная теория докажет, что эффект вакуумных флуктуаций полностью исчезает. Таким образом, они считают более разумным искать другую форму темной энергии и отталкивающих гравитационных сил, которые не являются флуктуациями вакуума и вполне могут не быть космологической постоянной. Позже мы рассмотрим некоторые из таких альтернативных предположений. Но перед этим давайте снова переместимся в космос. Ведь об ускоряющемся расширении нашей Вселенной свидетельствуют не только сверхновые.

3.4. Наблюдения, указывающие на темную энергию

Сверхновые — это классический пример проявления темной энергии во Вселенной. Они сыграли важную историческую роль, а также служат довольно точным индикатором скорости расширения Вселенной. Однако к предполагаемым стандартным свечам всегда стоит относиться с осторожностью. Наши выводы основываются на убеждении, что мы действительно наблюдаем стандартные свечи. Как мы уже видели, в понимании цефеид ученые долго топтались на месте, и Фриц Цвикки ошибся в вычислениях именно из-за недостатка знаний о них. Поэтому очень важно, чтобы были и другие независимые наблюдения, свидетельствующие о той же темной энергии. Мы рассмотрим некоторые из них, начиная с нашего старого знакомца — реликтового излучения.

Темная энергия в младенческой Вселенной

Мы уже знакомы с реликтовым излучением, этими микроволнами, настигающими нас со всех сторон. Излучение появилось, когда снижение температуры позволило электронам присоединяться к атомам, что сделало Вселенную прозрачной. Мы помним, как неоднородности материи формировались под влиянием огромных волн. Больше всего пятен на реликтовом излучении с радиусом примерно в один градус (см. схему на с. 105). Этот один градус — важное свидетельство в пользу существования темной энергии во Вселенной. Почему?