Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

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.

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?

Снова вернемся к курсу школьной математики. Большинство все же выучило, что сумма углов треугольника равняется 180°. Но это не всегда так, в чем просто убедиться на практике: попробуйте нарисовать треугольник на сферической поверхности, например глобусе. Предположим, первый угол будет на Северном полюсе, проведите от него две линии на юг, к экватору так, чтобы между ними получился угол в 90°. Затем начертите новую линию вдоль экватора, соединяющую эти две. В итоге у нас получился треугольник, все углы которого равны 90°. Сумма углов вашего треугольника составит 270°. Говоря, что сумма углов треугольника составляет 180°, мы имеем в виду только треугольники на плоской поверхности. Когда же поверхность изогнутая, как Земля, сумма углов будет больше, чем 180°. А если поверхность, вогнутая внутрь (представьте седло для верховой езды), сумма углов будет меньше, чем 180°. Сумма углов треугольника может к тому же пригодиться при определении, как именно изгибается поверхность. Стоп! А каким образом все это связано со Вселенной?

Поверхность Земли обладает двумя пространственными измерениями. Вы можете двигаться вперед и назад, вправо и влево. Но не вверх или вниз: тогда вы покинете поверхность Земли. Поверхность земного шара — это двумерная поверхность, изогнутая в третьем измерении. Вселенная трехмерна, три ее измерения тоже могут изгибаться, но уже в воображаемое четвертое измерение. Визуализировать такую кривизну трехмерного пространства непросто, но рассчитать вполне возможно. Результат будет таким же, как на глобусе: сумма углов покажет кривизну пространства.

Чтобы исключение из правила 180° стало действительно заметно, понадобится большой треугольник. Вернемся к нашему глобусу: если нарисовать крошечный треугольник на большом глобусе, то внутри треугольника глобус будет практически плоским, а сумма углов останется равной примерно 180°. Отклонение видно, только когда треугольники становятся большими относительно кривизны пространства. Реликтовое излучение дает нам прекрасную возможность нарисовать космический мегатреугольник, линии которого доходят чуть ли не до Большого взрыва.

Представьте себе пятно протяженностью в один градус на реликтовом излучении. Можно вообразить, что мы рисуем треугольник, один угол которого берет начало от нас, а два других — по краям этого пятна. Затем можно измерить угол треугольника возле нас (который тоже составляет около одного градуса). А расстояние мы узнаем, высчитывая, насколько сильно красное смещение повлияло на микроволны. А еще можно рассчитать, насколько большим было пятно, когда только образовалось. Это возможно, так как физические законы, повлиявшие на формирование пятен, достаточно просты и хорошо изучены. Тот факт, что треугольник начерчен в расширяющейся Вселенной, только усложняет задачу, но это вполне можно учесть в расчетах. Таким образом, данных о треугольнике должно хватить для расчета суммы его углов. А зная сумму углов, можно многое понять о кривизне пространства. Получается, пятна протяженностью в градус могут использоваться для определения кривизны пространства. И они указывают на то, что Вселенная практически плоская.