Доброго времени суток, уважаемое хабрасообщество! Как я и обещал после прошлой статьи по теории струн, сегодня мы попробуем приоткрыть завесу тайн и пробежаться по костылям новым веяниям в космологии — попробуем взглянуть на тернистый путь, который прошли ученые, и разобраться, к чему же они в конце концов пришли в попытке описать происхождение, жизнь и будущее нашей Вселенной. В процессе написания статья немало разрослась, поэтому я все-таки решил разделить её на две части.

Космологическая постоянная

В 1916 году Альберт Эйнштейн при создании общей теории относительности (ОТО) полагал, что наша Вселенная должна быть стационарной, то есть по большей части недвижной. Или, другими словами, расстояние между двумя разными звёздами и даже галактиками с течением времени должно оставаться одним и тем же. Однако из уравнений его же собственной теории выходило, что Вселенная по ним никак не может быть стационарной. Тогда Эйнштейн дополнил уравнения так называемым «лямбда-членом», который был призван гарантировать то, что Вселенная таки стационарна. Лямбда-член в дальнейшем назвали «космологической постоянной».

Практический смысл космологической постоянной заключался в том, что пустое пространство на самом деле не пустое — в нём имеется некое поле, которое оказывает воздействие на находящееся в нём вещество, извлекая нужную для этого энергию из ниоткуда. Подобные выводы вызывали у современников недоумение, и коллеги не преминули обрушиться на Эйнштейна с критикой.

В 1922 году Александр Фридман представил собственную модель Вселенной, которая не использовала космологическую постоянную. Но по его модели получалось, что Вселенная должна либо постоянно расширяться, либо постоянно сжиматься. Изначально Эйнштейн к данной модели отнесся отрицательно.

Но в 1929 году Эдвин Хаббл поставил точку в данном вопросе, экспериментально подтвердив, что Вселенная расширяется — то есть, расстояние между двумя любыми галактиками с течением времени постоянно увеличивается, а не остаётся неизменным. Эйнштейн признал свою неправоту, сказав, что введение космологической постоянной было его величайшей ошибкой.

Открытие расширяющейся Вселенной стало новым толчком для науки — привело к созданию теории Большого взрыва. Да и современная Лямбда-CDM модель Вселенной базируется именно на модели Фридмана, включая в себя помимо нее и космологическую постоянную, и тёмную материю, и тёмную энергию.

Тёмная материя

До 1998 года учёные усердно работали над теорией Большого взрыва, которая постепенно все больше и больше развивалась. Но общая суть оставалась неизменной: изначально вся материя была сосредоточена в одной-единственной точке, и много лет назад произошел Большой взрыв, дав начало нашей Вселенной.

Математически теория базировалась на ОТО, но она не была в состоянии описать все наблюдаемые явления. Например, было установлено, что края всех галактик вращаются гораздо быстрее, чем это следует из законов Ньютона, которые являются предельным случаем ОТО.

Объяснений этому явлению могло быть два: либо массы галактик больше, чем кажутся, либо гравитация убывает с расстоянием не так быстро, как предсказывает ОТО, а как-то очень хитро — не нарушая уже проверенные кейсы, но и объясняя кривые вращений галактик. В данном случае ученые остановились на первом варианте, и добавили к космологической модели недостающую массу, которую назвали «тёмной материей».

На тот момент у тёмной материи не было экспериментальных подтверждений, и для объяснения этого факта было предложено два варианта:

1. Тёмную материю просто не видно. Черные дыры, коричневые карлики, нейтронные звезды, кварковые звезды, преонные звезды, многочисленные планеты в телескоп не узреть на таких расстояниях, а они вполне себе обычные объекты во Вселенной. Хотя согласно различным космологическим теориям и наблюдениям за древними космическими объектами — так много подобных объектов быть не должно.
2. Тёмная материя состоит из невидимых частиц. Хотя сама возможность существования подобных частиц в науке сейчас под большим вопросом. Тем не менее тёмная материя должна состоять не только из слабо взаимодействующих, но и довольно массивных частиц. Подпадающие под такие характеристики частицы усиленно ищутся, но пока безуспешно.

На данный момент учёные предполагают, что если тёмная материя представляет собой некий новый тип частиц, то они могут, помимо гравитации, взаимодействовать ещё каким-либо образом (например, посредством слабого взаимодействия — того самого, из-за которого распадаются радиоактивные элементы). На практике это означает, что эти частицы могут рассеиваться на ядрах атомов; поэтому, если взять большое количество активного вещества, то со временем какая-нибудь частица тёмной материи с ним провзаимодействует, что можно будет зафиксировать чувствительной аппаратурой.

На данный момент исследователи по всему миру проводят эксперименты с огромными объёмами вещества в расчёте на то, что удастся что-нибудь зарегистрировать, и хотя, временами, поступают новости о положительных результатах, все они довольно спорны.

При этом тёмная материя доступна для косвенных наблюдений через явление гравитационного линзирования. На основании данных наблюдений даже была составлена карта распределения тёмной материи во Вселенной. _{(на илл. справа — три оси параллелепипеда соответствуют положению неба (в прямом восхождении и склонении) и расстоянию от Земли, увеличивающемуся слева направо)}

Благодаря тёмной материи ученые смогли объяснить и образование галактик, так как уровень схлопывания межзвездного газа явно был недостаточен для образования галактики, а другой материи пригодной для описания галактикообразования на тот момент не было известно.

Помимо этого, у тёмной материи было и любопытное следствие, так как по расчетам её масса выходила аж очень большой — до 26 % всей массы нашей Вселенной — то она должна создавать сильные гравитационные поля, которые способствуют притяжению материи друг к другу и, как следствие, замедляют расширение Вселенной.

Исходя из этого встал вопрос о том, насколько быстро замедляется расширение Вселенной. Если тёмной материи относительно мало, то Вселенная может расширяться вечно, постепенно замедляя скорость расширения, но никогда не доводя её до нуля. Некоторые учёные считали, что тёмной материи даже больше, чем мы думаем, и она рано или поздно приведёт к тому, что Вселенная, не выдержав собственную массивность, перестанет расширяться и начнёт сжиматься обратно, пока не сколлапсирует в ту самую одну-единственную точку или сингулярность — так называемая теория Большого схлопывания. Чтобы выяснить, что именно нас ждёт, учёные продолжали свои исследования.

Тёмная энергия

И в 1998 году, наблюдая за сверхновыми звёздами, ученые сделали знаменательное открытие — оказывается, 5 млрд. лет назад Вселенная начала расширяться с ускорением. То есть с каждым годом Вселенная расширяется всё быстрее и быстрее, как будто материю подталкивает на разгон некая неучтенная энергия.

Итогом этого стало возникновение понятия тёмной энергии, которую ввели именно для объяснения ускоренного расширения Вселенной. Это было чисто абстрактное понятие, так как сведения относительно её природы практически отсутствовали даже в виде гипотез, в отличие от той же тёмной материи.

Позднее ученые предложили несколько вариантов сущности тёмной энергии — один из самых очевидных, что это просто плотность энергии вакуума (согласно квантовой механике, из-за принципа неопределённости Гейзенберга даже в совсем пустом пространстве постоянно происходят квантовые флуктуации — рождаются и исчезают частицы, и хотя в среднем частиц в вакууме нет, энергия в среднем в вакууме есть). То есть именно то, чем обуславливалось введение космологической постоянной в уравнения ОТО.

Однако, на текущий момент не существует достоверных методов для вычисления плотности энергии вакуума (получается очень много, гораздо больше, чем должно быть), что ставит под сомнение состоятельность гипотезы, и интерпретируется некоторыми учеными, как неспособность дать адекватное описание.

Несмотря на это, космологическая константа — это во многих отношениях самое простое решение проблемы ускоряющейся Вселенной, когда единственное числовое значение объясняет множество наблюдений. Поэтому нынешняя общепринятая лямбда-CDM модель включает в себя космологическую константу как существенный элемент.

Еще одно объяснение сущности тёмной энергии заключается в том, что это некое динамическое скалярное поле, заполняющее всю Вселенную (квинтэссенция). Отличие от первого варианта только в том, что это поле не «вшито» в само пространство, и поэтому может иметь разную плотность в разных точках — где-то больше, где-то меньше. Существование подобного поля предсказывается и стандартной моделью, и теорией струн.

Однако у обоих вариантов имеются проблемы с экспериментальным подтверждением. Если это действительно какое-то скалярное поле, оно может теоретически как-то с чем-то и взаимодействовать, так что можно зафиксировать какие-либо признаки этого взаимодействия. А вот если это постоянная энергия вакуума, то перспектив в этом направлении вообще практически нет.

Существует ещё третий вариант для скептиков: тёмная энергия, как и тёмная материя — нечто вроде эпициклов Птолемея, то есть абсолютно выдуманные конструкции, придуманные, чтобы теория, хромая на обе ноги, сходилась с реальностью. Сейчас предпринимаются попытки описать ускоренное расширение Вселенной без связи с тёмной энергией, а, например, через гравитацию. Но как сказал астрофизик Ethan Siegel:

Хотя такие альтернативы и получают широкое освещение в прессе, почти все профессиональные астрофизики уверены, что тёмная энергия существует, и что ни одна из конкурирующих теорий не может успешно объяснить наблюдения с таким же уровнем точности, как стандартная тёмная энергия.

В отдалённой перспективе, если тёмная энергия действительно есть, и она никуда не исчезнет со временем, то это может привести к любопытным последствиям. А именно, Вселенная станет расширяться всё быстрее и быстрее, из-за чего все близкие друг от друга объекты станут недоступными из-за ограничения в скорости обмена материей (300 000 км/с из СТО) — в конце концов удалятся на расстояние, за которое нельзя и никогда не будет можно заглянуть. Иными словами в конечном итоге каждая элементарная частица во Вселенной останется в гордом одиночестве, отгороженная от всего остального мира горизонтом событий. А кто-то говорит, что разорвет даже и их.

Тёмная жидкость

Все же остановимся подробнее на одной из теорий, которая является альтернативой как тёмной материи, так и тёмной энергии, и которая пытается объяснить оба явления в единой структуре. Данная теория получила название «тёмной жидкости».

Она предполагает, что тёмная материя и тёмная энергия не являются отдельными физическими явлениями, как считалось ранее, и не имеют отдельного происхождения, а тесно связаны друг с другом и могут рассматриваться как две грани одной жидкости.

В галактических масштабах тёмная жидкость ведет себя как тёмная материя, а в более крупных масштабах её поведение становится похожим на тёмную энергию. Было показано, что простая тёмная жидкость с отрицательной массой обладает свойствами, необходимыми для объяснения как тёмной материи, так и тёмной энергии. При этом теория так же предполагает, что тёмная жидкость представляет собой особый вид жидкости, притягивающее и отталкивающее поведение которой зависит от локальной плотности энергии.

Другими словами идея теории состоит в том, что, когда тёмная жидкость находится в присутствии вещества, она усиливает силу гравитации около неё. Эффект всегда присутствует, но становится заметным только в присутствии очень большой массы, такой как галактика. Это описание аналогично теории тёмной материи, и подтверждается на частных случаях уравнений тёмной жидкости.

С другой стороны, в местах, где относительно мало материи, как, например, в пустотах (войдах) между сверхскоплениями галактик, эта теория предсказывает, что тёмная жидкость ослабляется и приобретает отрицательное давление. Таким образом, тёмная жидкость становится силой отталкивания, с эффектом, подобным эффекту тёмной энергии.

При этом теория тёмной жидкости выходит за пределы тёмной материи и тёмной энергии, поскольку предсказывает непрерывный диапазон притягивающих и отталкивающих качеств при различных случаях плотности вещества.

Данная теория является довольно многообещающей, поскольку не только воспроизводит многие частные случаи других теорий, но и предлагает к ним важные поправки. Возможно, что с помощью её можно будет объяснить и недавно открытый эффект «дипольного отталкивателя».

О дипольном отталкивателе, как и о некоторых других не менее интересных явлениях, я расскажу в следующей части статьи.