Сколько во Вселенной темной энергии?

18 сентября в институте медиа, дизайна и архитектуры «Стрелка» Политехнический музей при поддержке фонда «Династия» провел лекцию известного физика, профессора Колумбийского университета, автора научно-популярных бестселлеров «Элегантная Вселенная» и «Ткань космоса» Брайана Грина – «Тайны темной энергии и будущее Вселенной».

*

В течение часа профессор попытался ответить на вопросы, волнующие не только ученых, но и всех, кто сколько-нибудь интересуется окружающим миром: что такое Вселенная, уникальна ли она, как она появилась и что ее ждет в далеком будущем.Slon приводит краткий конспект лекции.

Лекция состояла из двух частей: первая была посвящена основным положениям космологии и истории ее развития, а также современным взглядам на эволюцию Вселенной. Во второй части профессор Грин кратко рассказал о теории струн, а затем подвел итоги, опираясь на изложенные факты.

Доминирующая в современной академической среде теория, описывающая поведение космических объектов, – теория гравитации. Она говорит о том, что каждый объект Вселенной притягивается к любому другому объекту, при этом интенсивность взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между объектами. Именно эта сила не позволяет планетам сойти со своих орбит, и именно благодаря ей Луна вращается вокруг Земли. 

Гравитация как следствие искривления пространства

Математический аппарат теории гравитации позволяет достаточно адекватно описывать и предсказывать эволюцию Вселенной, однако возникает вопрос, что такое гравитация и как она работает? Действительно, что заставляет взаимодействовать тела, находящиеся на расстоянии миллионов километров друг от друга?

Ответ дает общая теория относительности (ОТО), представленная на суд ученых Альбертом Эйнштейном в 1915–1916 годах. Согласно ОТО, гравитация есть искривление пространства-времени. Грин приводит такой пример: представьте лист резиновой пленки – это пространство. Очевидно, что маленький шарик, пущенный на этот лист, будет катиться по прямой.

*

Теперь положим в центр листа массивный шар (аналог, например, Солнца) – под его весом резиновый лист прогнется, и вокруг шара возникнет ложбина. Тогда маленькому шарику (например, нашей Земле) придется катиться уже по этой ложбине, по искривленной траектории. В зависимости от начальных условий, такое движение может быть и периодическим – вокруг массивного шара. Именно таким образом наша Земля вращается вокруг Солнца.

Затем известный русский ученый Александр Фридман попробовал применить положения ОТО ко всей Вселенной и пришел к неожиданному выводу о том, что Вселенная расширяется. К аналогичному выводу, независимо от Фридмана и чуть раньше него, пришел католический священник и ученый Жорж Леметр, тем самым подтвердив ограниченность и неполноту ОТО. Это вызвало резкую критику со стороны Эйнштейна.

*

Тем не менее последующие экспериментальные подтверждения результатов Леметра и Фридмана, в том числе – открытие Хабблом закона всеобщего разбегания галактик, заставили Эйнштейна принять свою неправоту и пересмотреть постулаты теории. Однако сразу же родился новый вопрос: если Вселенная расширяется, то когда этот процесс начался и что заставляет ее расширяться? 

Сколько Больших взрывов, столько и вселенных

В 1948 году советский ученый Георгий Гамов предлагает свою теорию, так называемую модель горячей Вселенной. Согласно этой теории, в самом начале был взрыв, в результате которого все пространство оказалось заполнено очень плотным и горячим первичным веществом. Из него впоследствии произошли все космические объекты, в том числе планеты, звезды, галактики.

*

Пространство должно быть заполнено равномерно неким изучением, названным реликтовым, существовавшим уже на начальных стадиях эволюции Вселенной. Несколько позднее, в 1960-х годах, такое излучение было зафиксировано и измерено, при этом результаты оказались удивительно близкими к предсказанным математически. Так теория Большого взрыва получила первое подтверждение.

Однако что же стало движущей силой Большого взрыва? Нам известна лишь сила гравитации, но она притягивает предметы, а не отталкивает, как это должно было быть на стадии зарождения Вселенной. Попытка ответить на этот вопрос привела к появлению инфляционной модели Вселенной, предполагающей, что на ранних этапах имела место так называемая антигравитация, вызванная наличием определенного вида «топлива», заполнявшего все пространство.

*

Следствием этого является температурная неоднородность Вселенной в разных участках. Математические расчеты в рамках модели позволили эту неоднородность предсказать, и оказалось, что экспериментальные данные удивительно точно ложатся на теоретически рассчитанную кривую (например, график углового распределения спектра мощности реликтового излучения).

Кроме того, подразумевается, что лишь часть этого топлива была израсходована во время Большого взрыва, следовательно, можно предположить, что взрыв не был единичным и уникальным событием. 

Какая форма правильна? Не поверите – все

Какая же частица самая маленькая? Известно, что все вещества состоят из молекул, затем идут атомы, внутри которых – электроны, протоны, нейтроны, состоящие из кварков. А что дальше? На этот вопрос и отвечает теория струн: элементарные частицы и взаимодействия между ними есть результат колебаний микроскопических (порядка 10^-35 м) нитей (филаментов). Колеблясь каким-то определенным образом, струна порождает одну частицу, другим образом – другую частицу.

*

Очевидно, что экспериментальная проверка этой теории на данном этапе развития науки и технологии невозможна в силу малого размера изучаемых объектов, тем не менее теория струн претендует на звание «общей теории всего»: так, например, она впервые позволила объединить квантовую механику и теорию относительности.

Интересно, что математический аппарат теории струн работает лишь в том случае, если принять, что во Вселенной более трех пространственных измерений: как минимум – десять. Что же собой представляют эти невидимые глазу измерения? 

Это так называемые скрытые или скрученные размерности, замкнутые сами на себя на столь малых масштабах, что экспериментально обнаружить их нельзя. Иначе говоря, эти измерения спрятаны в самой ткани пространства. Кроме того, уравнения теории струн налагают существенные ограничения на геометрическую форму скрытых измерений.

*

Форма скрытых измерений и будет определять свойство объекта, таким образом, теория позволяет описать множество объектов и взаимодействия между ними. Интересно, что на данный момент существует около 10⁵⁰⁰ (больше, чем частиц во всей Вселенной) вариантов форм скрытых размерностей, и какая из них правильная, долгое время было непонятно.

*

Несколько десятилетий ученые перебирали возможные варианты, надеясь найти соответствующий нашей Вселенной и однозначно предсказывающий существование частиц и взаимодействий. 

Сколько во Вселенной темной энергии?

В 1990-х годах было показано, что наша Вселенная не только расширяется, но это расширение еще и происходит с ускорением, хотя должно быть наоборот: по мере удаления друг от друга объекты должны все сильнее притягиваться. Как уже говорилось, космические объекты раздвигаются под действием некоторой субстанции, топлива – темной энергии. Каково же ее количество во Вселенной? Было рассчитано, что оно составляет приблизительно 10^-120 в приведенных планковских единицах.

Почему количество именно таково? Теория струн позволяет предположить, что эта величина может быть напрямую связана с формами тех самых скрытых размерностей: разные формы, следовательно, разные колебания, разные частицы и разное количество темной материи. И если бы была возможность проанализировать эту зависимость для некоторого набора вселенных, то не исключено, что появилось бы гипотеза, связывающая между собой два этих фактора. 

Так что же ждет ее в будущем?

Если принять верность теории мультивселенной, инфляционной модели и теории Большого взрыва, то Вселенная продолжит расширяться, становясь все более пустой и холодной, – все это свидетельствует о том, что условия для жизни в ней будут все менее и менее приемлемыми. Но в то же время, может быть, в параллельной Вселенной все гораздо лучше? Жизнь в нашей Вселенной погибнет, в другой зародится. Современные ученые пытаются найти следы возможного столкновения вселенных, и, возможно, когда-нибудь им это удастся.