v.a.rubakov.-temnaya-energiya-vo-vselennoy (810759), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Так вот, если это отличие составляет всего одну миллиардную долю, то энергиявакуума в этой другой вселенной будет в триллионы раз больше нашей (по абсолютнойвеличине). Спрашивается, как же в нашей Вселенной произошла такая тонкаяподстройка?Проблема энергии вакуума (ее еще называют проблемой космологическойпостоянной) ставила в тупик физиков-теоретиков задолго до открытия темной энергии.Так, в 20-х - 30-х годах прошлого века эта проблема волновала В. Паули*), который в1933 году писал: "Эта энергия [вакуума; тогда использовали термин "энергия нулевойточки", "Nullpunktsenergie"] должна быть ненаблюдаемой в принципе, поскольку она неизлучается, не поглощается, не рассеивается ...

и поскольку, как очевидно из опыта, она несоздает гравитационного поля". Почему так происходит? Одна из возможностей состоит втом, что энергия пустого пространства каким-то образом все же изменяется со временеми, в конце концов, становится близкой к нулю. Конкретные теоретические модели,иллюстрирующие эту возможность, построить чрезвычайно трудно, но можно; ещетруднее вписать их в космологический контекст. И уж совсем непонятно, как на этом путиполучить объяснение того, что энергия вакуума не настолько близка к нулю, чтобы бытьнесущественной для космологии, а наоборот, что она принимает требуемое значение.Сделать этого до сих пор никому не удалось.Если темная энергия — это энергия вакуума, то попытаться понять, почему онаимеет столь малую величину, можно, следуя совсем другой логике.

Представим себе, чтоВселенная чрезвычайно велика, что она во много раз больше, чем наблюдаемая намичасть. Допустим далее, что в разных, весьма обширных частях Вселенной могутреализовываться самые разные вакуумные состояния с самой разной плотностью энергии.Такая возможность, к слову, теоретически не исключена; более того, именно так, судя повсему, обстоит дело в теории суперструн, особенно если Вселенная проходила10инфляционную стадию.

Области Вселенной, где плотность энергии вакуума слишкомвелика по абсолютной величине, выглядят совершенно непохоже на нашу область: там,где энергия вакуума велика и положительна, пространство расширяется настолькобыстро, что звезды и галактики просто не успевают образоваться; в областях с большойотрицательной энергией вакуума расширение пространства быстро сменяется сжатием, иэти области коллапсируют задолго до образования звезд. В обоих случаяхкосмологическая эволюция несовместима с существованием наблюдателей, подобныхнам.

И наоборот, мы могли появиться только там, где плотность энергии вакуума оченьблизка к нулю — мы там и появились. Здесь напрашивается аналогия с другим, вполнеочевидным фактом: мы существуем на планете Земля, более или менее подходящей дляжизни, а не в произвольном месте во Вселенной, где условий для жизни нет вовсе.Такой, как говорят, антропный взгляд на проблему энергии вакуума высказывалсяболее 20 лет назад в работах А. Линде и С. Вайнберга.

Сейчас он популярен средизаметной части физиков-теоретиков. Другая часть воспринимает его как способ уйти отвопроса о том, какие физические причины на самом деле обуславливают столь малуюнаблюдаемую энергию вакуума, и не является ли природа темной энергии совсем другой.Наиболее взвешенный подход, наверное, состоит в том, чтобы не исключать антропногообъяснения как возможного конечного ответа, но попытаться все же найтиальтернативное решение проблем энергии вакуума и темной энергии.4.2 Легкие поляАльтернативой вакууму как носителю темной энергии может служить какое-тоновое поле, "разлитое" во Вселенной.

В этом варианте энергия нового поля и являетсятемной энергией. Новым это поле должно быть потому, что присутствие всюду воВселенной известных полей (например, электромагнитного) слишком сильно влияло бына поведение вещества и приводило бы к эффектам, которые давно были бы обнаружены.Кроме того, известные поля таковы, что их энергия не обладает перечисленными вышесвойствами темной энергии.Гипотетическое новое поле должно характеризоваться энергетическим масштабом0,002 электронвольт. Хотя это очень малый масштаб с точки зрения известныхвзаимодействий, он не выглядит совершенно неправдоподобным.

Действительно, мы ужезнаем, что масштабы разных взаимодействий сильно различаются между собой. Так,упоминавшийся масштаб сильных взаимодействий (200 миллионов электронвольт) в 1019раз меньше масштаба гравитационных сил. Такое гигантское различие, конечно, само посебе требует объяснения, но это отдельный вопрос. В любом случае, существование вприроде разных энергетических масштабов — это факт, и введение нового, малогомасштаба непреодолимым препятствием не выглядит.Новое поле, вообще говоря, изменяется в процессе эволюции Вселенной.Изменяется и его плотность энергии.

Чтобы это изменение было не слишком быстрым,кванты нового поля — новые частицы — должны иметь чрезвычайно малую массу;говорят, что это поле должно быть легким.Наконец, новое поле — это новая сила (так же, как гравитационное полесоответствует гравитационным, а электромагнитное — электрическим и магнитнымсилам). Легкое поле с чрезвычайно малой массой — сила с большим радиусом действия,подобная гравитации.Чтобы не было противоречия с экспериментами по проверке общей теорииотносительности, взаимодействие этого поля с обычным веществом должно быть оченьслабым, слабее гравитационного.Все эти свойства не выглядят для теоретика привлекательными, но с ними можносмириться. Важно, что гипотеза о новом поле хотя бы в принципе допускаетэкспериментальную проверку. Во-первых, в результате более точных измерений темпа11расширения Вселенной на современном этапе и в прошлом может выясниться, чтоплотность темной энергии меняется с течением времени. Это однозначно отмететгипотезу о вакуумной природе темной энергии и наоборот, послужит указанием насуществование во Вселенной нового легкого поля.

Во-вторых, в перспективе можнонадеяться обнаружить неоднородность распределения темной энергии в пространстве.Это стало бы окончательным доказательством того, что темная энергия — это энергиянового поля, а не что-нибудь еще.С другой стороны, сегодня не видно способов зарегистрировать новое легкое полев лабораторных экспериментах, на ускорителях и т.д. Причина — чрезвычайно слабоевзаимодействие этого поля с веществом. Такой пессимизм, впрочем, может носитьвременный характер: мы слишком мало знаем о новом поле, чтобы полностью исключитьвозможность его прямого экспериментального изучения в будущем.

Никогда не говори:"Никогда".Физики обсуждают разные типы гипотетических легких полей, энергия которыхмогла бы выступать в качестве темной энергии. В наиболее простом с теоретическойточки зрения варианте плотность энергии нового поля убывает со временем. Для полятакого типа употребляют термин "квинтэссенция" (иногда используют и термин"космон"). Не исключена, однако, и обратная возможность, когда плотность энергиирастет со временем; поле такого типа называют "фантомом".

Фантом был бы весьмаэкзотическим полем; ничего подобного до сих пор в природе не встречалось. Различиемежду квинетэссенцией и фантомом, как мы обсудим ниже, важно с точки зренияудаленного будущего Вселенной.4.3 Новая гравитацияНаконец, еще одно возможное объяснение темной энергии состоит в том, чтоникакой темной энергии на самом деле нет. Темную энергию приходится привлекать дляобъяснения особенностей расширения Вселенной в том случае, если космологическаяэволюция описывается общей теорией относительности.

Если же эта теория неприменимана современных космологических масштабах длин и времен, то и в темной энергии нетнеобходимости.Разумеется, при таком взгляде на темную энергию нельзя не учитывать тот факт,что общая теория относительности хорошо проверена на меньших масштабах расстояний.Поэтому нужно создать новую теорию гравитации, которая переходила бы в общуютеорию относительности на этих расстояниях, но иначе описывала бы эволюциюВселенной на сравнительно поздних, близких к нашей стадиях (но не на стадиитермоядерных реакций в первые секунды после Большого взрыва).

Это — трудная задача,особенно если учесть требование самосогласованности, внутренней непротиворечивоститеории. Тем не менее, такие попытки делаются, и некоторые из них выглядят довольноперспективными.Одна из возможностей состоит в том, чтобы перестать считать ньютоновскуюпостоянную всемирного тяготения постоянной величиной, разрешить ей меняться впространстве и во времени, подчиняясь определенным уравнениям. К сожалению,наиболее красивые версии теории, реализующие эту возможность, отвергнутыэкспериментами по проверке общей теории относительности.

Если же за красотой негнаться, то модели, объясняющие ускоренное расширение Вселенной и согласующиеся совсем, что известно про гравитацию, построить на этом пути можно. Такие модели, какправило, предсказывают отклонения от общей теории относительности, которые хотя ималы, но в перспективе экспериментально обнаружимы.Отметим еще идею о том, что наше пространство может иметь больше трехизмерений, при этом дополнительные измерения на обычных расстояниях ничем себя непроявляют. В то же время, на космологических расстояниях в миллиарды световых лет12силовые линии гравитационного поля могут "расползаться" в дополнительные измерения,отчего гравитация не будет больше описываться обычным законом Ньютона. Можетизмениться и закон расширения Вселенной.

Характеристики

Список файлов книги