v.a.rubakov.-temnaya-energiya-vo-vselennoy

1Темная энергия во ВселеннойВ.А.РубаковФизики любят красное словцо. В их среде с некоторых пор принято давать "ненаучные" названия вновь открытым сущностям. Взять хотя бы странный и очарованныйкварки. Вот и темная энергия — не синоним темных сил, а термин, придуманный дляобозначения некоторых необычных свойств нашей Вселенной.Открытие темной энергии было сделано астрономическими методами и стало длябольшинства физиков полной неожиданностью. Темная энергия — пожалуй, главнаязагадка современного естествознания.

Вполне вероятно, что ее разгадка станет важнейшим событием физики XXI века, сравнимым по масштабу с крупнейшими открытияминедалекого прошлого, такими как открытие феномена расширения Вселенной. Неисключено даже, что произойдет настолько радикальное развитие теории, что оно встанетв один ряд с созданием общей теории относительности, открытием кривизныпространства-времени и связи этой кривизны с гравитационными силами.

Мы сейчаснаходимся в начале пути, и разговор о темной энергии — это возможность заглянуть в"лабораторию" физиков в то время, когда их работа идет полным ходом.1 Немного истории1.1 "Маловато будет"То, что в нашей Вселенной "что-то не так", стало ясно космологам уже к началу90-х годов. Чтобы пояснить, о чем идет речь, начнем с того, что напомним о расширениинашей Вселенной. Все галактики разбегаются друг от друга и наблюдателю в каждой изкажется, что именно в ней центр расширения; чем дальше галактика, тем быстрее онаудаляется от центра расширения (рис.

1). Обнаружено это было наблюдениями с Земли в20-ых годах XX века. Количественно темп расширения характеризуется параметромХаббла. К началу 90-х годов значение параметра Хаббла в современной Вселенной былодовольно хорошо измерено: темп расширения Вселенной сегодня таков, что галактики,удаленные от Земли на расстояние 1 миллиард световых лет, убегают от нас со скоростью24 000 километров в секунду.Рис. 1: Расширяющаяся Вселенная.

Более далекие галактики удаляются от нас быстрее ивыглядят более красными из-за эффекта Допплера. Измерения расстояний до удаленных галактиксовместно с измерениями их скоростей позволяют определить значение параметра Хаббла,характеризующего темп расширения Вселенной.2Отметим, что параметр Хаббла зависит от времени; так в далеком прошлом Вселенная расширялась гораздо быстрее, чем сейчас, и, соответственно, параметр Хаббла былгораздо больше.В современной теории гравитации — общей теории относительности — параметрХаббла однозначно связан с двумя другими характеристиками Вселенной: во первых, ссуммарной плотностью энергии всех форм материи, вакуума и т.д., во-вторых, с кривизной трехмерного пространства. Наше трехмерное пространство, вообще говоря, необязано быть евклидовым; его геометрия может, например, быть аналогична геометриисферы; сумма углов треугольника может не равняться 180 градусам.

В таком случае"упругость" пространства с точки зрения расширения Вселенной играет ту же роль, что иплотность энергии. Итак, в рамках общей теории относительности измерение параметраХаббла определяет значение суммы полной плотности энергии во Вселенной и вклада,связанного с возможной неевклидовостью трехмерного пространства.К началу 90-х годов с неплохой точностью была оценена и плотность энергии"нормальной" материи в современной Вселенной.

"Нормальная" она в том смысле, что испытывает такие же гравитационные взаимодействия, что и обычное вещество. Так, для"нормальной" материи справедлив закон Ньютона. Дело, впрочем, осложнилось тем, чтобольшая часть "нормальной" материи — это отнюдь не известное нам вещество (атомы иионы), а так называемая темная материя. Темная материя, по-видимому, состоит изновых, не открытых пока в земных экспериментах элементарных частиц.

В отличие отмногих известных частиц они не несут электрического заряда, а потому не излучают свет;состоящая из них материя действительно темная. Сходство с обычным веществом состоитв том, что силы гравитационного притяжения заставляют темную материю собираться всгустки — галактики и скопления галактик (рис. 2). Она и сама притягивает вещество исвет; именно по этому эффекту гравитационного притяжения она и была обнаружена.Более того, измерения гравитационных сил в скоплениях галактик позволили определитьмассу темной материи в этих скоплениях, а в конечном итоге в целом во Вселенной.Таким образом и была найдена полная плотность энергии "нормальной" материи (для неесправедлива знаменитая формула Е = тс2 ).Рис.

2: Распределение массы в скоплении галактик. Черные пятна — галактики. Масса жесосредоточена в основном в темной материи, распределенной по скоплению более равномерно.3И что же оказалось? Выяснилось, что "нормальной" материи явно не хватает дляобъяснения измеренного темпа расширения Вселенной. Причем сильно: "недостача"составляла около 2/3 (по современным оценкам около 72%). Возможных объясненийэтому факту было два: либо трехмерное пространство искривлено, и недостающий вклад впараметр Хаббла связан с его "упругостью", либо во Вселенной присутствует новая формаэнергии, которую впоследствии и стали называть темной энергией.1.2 Куда ни кинь...С теоретической точки зрения обе эти возможности — и неевклидовостьпространства, и темная энергия — выглядели крайне неправдоподобными.

Если бы неупрямые факты, так же бы обстояло дело и сейчас.Начнем с кривизны трехмерного пространства. В процессе расширения Вселеннойпространство разглаживается, его кривизна уменьшается. Если кривизна отличается отнуля сейчас, то в прошлом она была больше, чем сегодня. Однако плотность энергии(массы) материи убывает при расширении Вселенной еще быстрее. Это означает, что впрошлом относительный вклад кривизны в параметр Хаббла был очень мал, а главным, сбольшим запасом, был вклад материи. Для того, чтобы сегодня расширение Вселенной на2/3 обеспечивалось кривизной, необходимо "подогнать" значение радиуса кривизныпространства в прошлом с фантастической точностью — через 1 секунду после Большоговзрыва он должен был быть равен одной миллиардной доле от тогдашнего размеранаблюдаемой Вселенной, не больше и не меньше! Без такой подгонки кривизна сегоднябыла бы либо на много порядков больше, либо на много порядков меньше, чемнеобходимо для объяснения наблюдений.Даже если отвлечься от гипотезы о том, что недостающий вклад в современныйпараметр Хаббла обеспечивается именно кривизной пространства, проблема кривизны всеравно остается: в любом случае необходимо, чтобы кривизна была чрезвычайно мала наранних стадиях, иначе она была бы слишком велика сегодня.

Эта проблема была одним изглавных соображений, приведших к представлению об инфляционной стадии эволюцииВселенной. Согласно инфляционной теории, предложенной А. Старобинским инезависимо А. Гутом и сформировавшейся благодаря работам А. Линде, А. Албрехта и П.Стейнхардта, Вселенная на самом раннем этапе своей эволюции прошла через стадиючрезвычайно быстрого, экспоненциального расширения (раздувания, инфляции). Поокончании этой стадии Вселенная разогрелась до очень высокой температуры, инаступила эпоха горячего Большого взрыва.Хотя инфляционная стадия длилась, скорее всего, малую долю секунды, за это время Вселенная растянулась настолько, что ее размер стал гораздо больше размера тойчасти, которую мы видим сегодня. Для нас важно, что в результате инфляционного растяжения пространства его радиус кривизны упал практически до нулевого значения.Таким образом, инфляционная теория приводит к предсказанию о том, что пространствосовременной Вселенной с высочайшей степенью точности евклидово.

Это, конечно, идетвразрез с гипотезой о том, что Вселенная расширяется сегодня на 2/3 благодаря кривизне.С темной энергией дело обстоит аналогичным образом, только еще хуже. Мыбудем обсуждать различные гипотезы о природе темной энергии ниже, а здесь ограничимся следующим замечанием. Независимо от того, что представляет собой темная энергия,ее плотность может быть охарактеризована единственным параметром размерностиэнергии. Для соответствия наблюдательным данным значение этого параметра —энергетического масштаба темной энергии — должно быть примерно равно 0.002электронвольт.

В то же время, известные фундаментальные взаимодействия — сильное,слабое, электромагнитное и гравитационное — характеризуются своими энергетическими4масштабами. Наименьший из них относится к сильным (ядерным) взаимодействиям исоставляет около 200 миллионов электронвольт. Получается нестыковка в 100 миллиардовраз! Хуже всего, что этой нестыковке, и вообще чрезвычайно малой величине темнойэнергии, очень трудно найти объяснение; например, инфляционная теория, так хорошосправляющаяся с проблемой кривизны, в этом вопросе совершенно ни при чем.Из-за трудностей с интерпретацией темной энергии более популярной в течениедовольно долгого времени была та точка зрения, что за современный темп расширенияВселенной ответственна все же пространственная кривизна.