Популярно о том, что такое темная энергия

В течение почти двух десятилетий астрономам известно, что расширение Вселенной ускоряется, словно бы таинственная «темная энергия» раздувает ее изнутри, как воздушный шар. Эта энергия на сегодняшний день остается одной из самых больших тайн в физике. Сейчас трио теоретиков утверждает, что темная энергия возникает из удивительного источника. Как бы жутко это ни звучало, но, по их мнению, это идет вразрез с теми основами физики, что каждый узнал еще в школе: количество общей энергии во Вселенной не является фиксированным и неизменным, она может постепенно исчезать. По мнению ученых, темная энергия может быть особым полем, немного похожим на электрическое, которое заполняет пространство. С другой стороны, она может быть частью самого космоса, которая называется космологическая постоянная (иначе лямбда-член). Второй сценарий выглядит как насмешка над теорией относительности Эйнштейна, которая утверждает, что гравитация возникает, когда масса и энергия искривляют пространство и время. На самом деле, космологическая постоянная — это тоже изобретение Эйнштейна, и он изобрел ее буквально путем добавления константы в свои уравнения, чтобы объяснить, как вселенная сопротивляется разрушению под воздействием собственной гравитации. Однако он отказался от этой идеи, когда в 1920-х годах астрономы обнаружили, что Вселенная не статична, а расширяется, словно она родилась в результате взрыва. При более пристальном наблюдении стало понятно, что расширение Вселенной ускоряется, и космологическая постоянная снова вернулась. В рамках квантовой механики она, впрочем, становится куда хитрее. Квантовая механика предполагает, что и сам вакуум должен незаметно колебаться. В общей теории относительности, подобные крошечные квантовые флуктуации и производят энергию, которая будет служить в качестве космологической постоянной. Тем не менее, при прочих равных она должна быть на 120 порядков больше, чтобы уничтожить Вселенную. Так что объяснение того, почему космологическая постоянная хоть и существует, но в весьма скромном виде, является для физиков большой загадкой. Когда в ней еще не было необходимости, физики просто предполагали, что некоторый, пока еще неизвестный эффект просто сводит ее к нулю. Сейчас же Тибо Джозет и Алехандро Перес из Университета Экс-Марсель во Франции и Даниэль Сударски из Национального автономного университета Мексики в Мехико утверждают, что они нашли способ вывести разумную величину для космологической постоянной. Они начали с варианта общей теории относительности, которую изобрел сам Эйнштейн и которая зовется унимодулярной гравитацией. Общая теория относительности предполагает математическую симметрию, общую ковариантность, из которой следует, что независимо от того, как вы определите позицию координаты в пространстве и времени, теоретическое предсказание останется неизменным. Эта симметрия требует сохранения энергии и импульса. Унимодулярная гравитация обладает более ограниченной версией этой математической симметрии. Эта система воспроизводит большую часть предположений общей теории относительности. Тем не менее, согласно ей квантовые флуктуации вакуума не создают гравитацию или влияют на космологическую постоянную (которая, в конечном итоге, просто математическая постоянная, и ее значение может быть любым). Но за это приходится платить: унимодулярной гравитации не требуется энергия для сохранения, поэтому теоретикам приходится ограничивать ее произвольно. Трио ученых показало, что унимодулярная гравитация, если принять ее и позволить нарушить закон сохранения энергии и импульса, фактически задает значение означенной постоянной. Аргумент здесь математический, но по факту даже небольшая часть энергии, исчезающая во Вселенной, оставляет за собой след в виде изменения космологической постоянной. «Темная энергия в нашей модели это как раз результат того, какое количество энергии и импульса было потеряно во Вселенной за все время ее существования», говорит Перес. Чтобы доказать, что их теория разумна и применима к реальности, ученые рассмотрели два сценария того, как нарушение закона сохранения энергии теоретически повлияет на основополагающие проблемы квантовой механики. К примеру, теория непрерывной спонтанной локализации (CSL) пытается объяснить, почему такие субатомные частицы, как например электроны, могут в буквальном смысле быть в двух местах одновременно, а такие крупные объекты как машины или люди не могут. CSL предполагает, что подобные состояния вещества спонтанно возникают и разрушаются в зависимости, которая возрастает с увеличением объема объекта, а значит крупный объект быть «двуместным» в условиях Земли просто не может. Против этой теории играет то, что она не учитывает сохранение энергии. Однако теоретики показали, что сумма нарушений положения о сохранении энергии как раз такова, чтобы дать космологическую константу нужного размера. Тем не менее, по мнению некоторых ученых теоретики просто играются с математикой. Они по-прежнему должны предположить, что космологическая константа начинается с некоторой малой величины, но не объясняют этот аспект. Тем не менее, в современной физике полно необъяснимых констант, к примеру заряд электрона или скорость света, так что это всего лишь еще одна константа в длинном списке.