Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной

Второй класс наблюдений касается искривления света, или так называемого гравитационного линзирования. Астрономы во многих случаях отмечали, что изображение далеких галактик сильно искажено, как если бы вы смотрели на них через стакан с водой или бутылку из-под колы. В частности, это происходит, когда свет наблюдаемой галактики проходит через область пространства, содержащую кластер других галактик. Общая теория относительности предсказывает, что гравитация должна искривлять свет, поэтому существование гравитационного линзирования неудивительно. Удивителен его масштаб. И для объяснения такого эффекта астрономам нужно, чтобы галактики в кластере весили примерно в шесть раз больше, чем видимые звезды и газовые облака.

Эти и другие наблюдения говорят о том, что темная материя составляет около 25% массы Вселенной. Доля «обычной» материи — той, которую мы понимаем и из которой сделаны, — около 4%. Большая часть того, что остается, — это темная энергия.

Темная энергия

Другой класс наблюдений приводит нас к темной энергии. Здесь важна предыстория.

Напомню, Альберт Эйнштейн сформулировал свою теорию гравитации — общую теорию относительности — в 1915 году, а вскоре, в 1917-м, изменил уравнения и ввел в них «космологическую постоянную». Физически введение этого параметра соответствует наделению ненулевой плотностью самого пространства. Ненулевое значение космологической постоянной означает, что каждая единица объема пространства вносит равный, ненулевой вклад в общую массу Вселенной, даже когда (как нам кажется) там ничего нет.

Ненулевая космологическая постоянная легко укладывается в рамки общей теории относительности, не требуя значительного изменения основных ее принципов. Материя искривляет пространство-время так же, как раньше, и так же реагирует на искривление. Космологическая постоянная просто учитывает возможность того, что само пространство-время — материя, которую наша теория позволяет изгибать, толкать и трясти, — также обладает инерцией. Другие возможные вариации общей теории относительности либо чрезмерно искусственны, либо приводят к малым физическим эффектам.

Универсальная плотность космического вакуума, соответствующая космологической постоянной, сопровождается другим специфическим свойством. Вместе с положительной плотностью массы пространства необходимо ввести отрицательное давление, абсолютная величина которого равна плотности, умноженной на квадрат скорости света. Это соотношение между плотностью и давлением для массы, связанной в космосе, и есть аналог соотношения для частиц E = mc², которое связывает их энергию с массой.

В 1990-х годах космологическая постоянная подверглась «ребрендингу» и стала темной энергией. Новое название отражает новое отношение. Современные физики извлекли уроки из понимания других сил и осознали: плотность пространства — не просто параметр, фигурирующий в общей теории относительности и не имеющий иного смысла. Он связан с остальной физикой, и на него могут влиять разные источники. Во Вселенной, наполненной вездесущими квантовыми полями, было бы удивительно, если бы космическое пространство не обладало инерцией.

В 1998 году астрономы «поймали» темную энергию. Точнее, они наблюдали, как скорость расширения Вселенной возрастает, что соответствует отрицательному давлению. Данные получили из измерений красного смещения, подобно тому, как это делал Хаббл, но с использованием сверхновых вместо цефеид — пульсирующих переменных звезд. Сверхновые намного ярче, и их возможно наблюдать на больших расстояниях.

Плотность пространства, которую ученые измерили, по всем меркам крайне мала. Объем пространства, равный объему Земли, весит около 7 миллиграммов. В пределах Солнечной системы или даже Галактики доля массы пустого пространства совершенно ничтожна по сравнению с массой обычной (или темной) материи. Но межгалактические пустоты настолько велики, что эта небольшая, зато рассеянная по всему космосу плотность вносит основной вклад в общую массу Вселенной.

На сегодня считается, что темная энергия составляет около 70% массы Вселенной. Никто не знает, почему несколько различных, гораздо более крупных вкладов от разных источников — и положительных, и отрицательных — вместе приводят именно к такому результату. Это большая космическая загадка.

Космологическая «Стандартная модель»

Понимая, что темная материя и темная энергия в настоящее время составляют (гипотетически) большую часть массы Вселенной, мы можем ожидать, что и в ранней ее истории они играли значительную роль. Но чтобы «прокрутить фильм в обратном направлении» и проверить это предположение, нужно познакомиться с ними ближе.

Вернувшись к Большому взрыву, мы получим шанс узнать о свойствах темной стороны Вселенной. И если здесь мы сделаем какие-то ошибочные предположения, наша модель Большого взрыва не сможет привести к созданию наблюдаемой Вселенной.