Рубрики
Прошло сто лет с тех пор, как Альберт Эйнштейн опубликовал свои первые работы с изложением венца своей интеллектуальной деятельности, общей теории относительности. Эта теория показала, что космос податлив и может изгибаться под действием материи. Поскольку а) форма космоса меняется под действием распределения материи и энергии, б) вещество движется, а значит, форма космоса динамична — скручивается, изгибается и меняется со временем. Эта идея была поистине революционна.
Поначалу, впрочем, последствия этой теории не были полностью очевидными, не хватало нужных данных. Это привело к ряду изменений в теории; со временем было выработано более глубокое понимание. Один из таких случаев особенно интересен.
Отталкивающая космологическая постоянная
Несмотря на то, что первые работы Эйнштейна, описывающие теорию относительности в ноябре 1915 года, были, по сути, базовой теорией гравитации, вскоре он и другие применили ее ко Вселенной в целом. Одним из первых последствий стало то, что поскольку вся материя притягивает другую материю, статичная вселенная недолго будет оставаться статичной. Гравитационное притяжение приведет к коллапсу всей материи в одной точке. И даже если начинать не со статичной вселенной, распределение массы будет увеличиваться.
В те времена считалось, что Вселенная постоянна и вечна, неизменна — по крайней мере на крупнейших уровнях. Это привело к тому, что Эйнштейн добавил к своим первоначальным уравнениям новую переменную в 1917 году. В то время как изначальная формулировка общей относительности включала только притягивающую форму гравитации, новый термин — космологическая постоянная — был отталкивающим. Притягивающую и отталкивающую формы гравитации можно было настроить, чтобы они уравновешивали друг друга, являя, таким образом, стационарный и незыблемый космос.
Эта ситуация изменилась, когда был построен мощный телескоп — телескоп Хукера на горе Уилсон — вскоре после записи эйнштейновских гравитационных уравнений. Несмотря на то, что обнаружение факта удаления галактик от Млечного Пути приписывают Эдвину Хабблу, на деле история была куда сложнее. Астрономы обсуждали эту ситуацию уже в начале 1920-х.
Тем не менее в 1929 году Хаббл опубликовал работу, в которой не только установил, что галактики движутся прочь от Млечного Пути, но и что более далекие галактики удаляются быстрее. То есть вселенная не статична. Она расширяется. Это наблюдение (и работы, предшествующие хаббловской) привели к тому, что бельгийский священник Жорж Леметр в 1931 году предложил, что Вселенная началась из небольшого и компактного состояния (он назвал это «космическим яйцом»), известного нынче как Большой Взрыв.
Осознав, что его ранние домыслы на тему неизменного космоса были ошибочными, Эйнштейн удалил космологическую постоянную из своих уравнений. Физик Георгий Гамов говорил, что Эйнштейн считал ее своей «величайшей ошибкой». Впрочем, до сих пор непонятно, кто является автором этой фразы, Эйнштейн или Гамов, тоже большой шутник.
Несмотря на то, произносил ли Эйнштейн эту крылатую фразу, он точно пожалел о добавлении этого термина и считал, что его устранение будет правильным. Без статичной вселенной просто нет необходимости добавлять его в изначальные уравнения. Почти 70 лет ученые как один считали это истиной: Вселенной расширяется.
Вселенная на мушке
В середине 20 века астрономы активно обсуждали судьбу Вселенной. Если Вселенная началась с плотного состояния, предложенного теорией Большого Взрыва, и расширялась, тогда гравитация замедляет это расширение. Оставался вопрос, преодолеет ли гравитация это расширение (что приведет к Большому Сжатию) или расширение продлится вечно — но тот факт, что расширение должно медленно замедлиться, казался бесспорным.
Хотя догадывались и раньше, в 1998 году два эксперимента, изучавших этот вопрос, нашли ответ, который стал своего рода сюрпризом. Расширение Вселенной не замедлялось. Оно ускорялось! За это наблюдения Брайан Шмидт из Обсерватории Стромоло Австралийского национального университета, Адам Рисс из Калифорнийского университета в Беркли и Сол Перлмуттер из Национальной лаборатории Лоренса Беркли получили Нобелевскую премию по физике 2011 год. Ускорение расширения было подтверждено и в настоящее время считается хорошо установленным фактом.
Однако это наблюдение привело к очевидному вопросу. Если, согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация является силой притяжения, что может объяснить ускоряющееся расширение? Что выталкивает материю во Вселенной? Возможно, пришло время возродить космологическую постоянную Эйнштейна?
Ответ: да, нет, наверное.
Чтобы объяснить наблюдения, ученые сейчас говорят, что космологическая постоянная необходима. Но она может быть той, а может и не той, что предлагал Эйнштейн.
Вводим квинтэссенцию
Астрономы используют термин «темная энергия», чтобы описать энергетическое поле Вселенной, которое фактически является формой отталкивающей гравитации. Наблюдения телескопов показывают, что это энергетическое поле в настоящее время превосходит более известную нам форму притягивающей гравитации по всей Вселенной, что приводит к ускорению расширения.
Что же известно ученым об этой темной энергии? Один вопрос заключается в том, постоянна она или меняется. Космологическая постоянная Эйнштейна была полем постоянной энергетической плотности. Это немного нелогично, поскольку постоянная плотность и расширение объема энергии означает увеличение энергиии, но разрешено в рамках общей теории относительности. С другой стороны, нет никакой причины предполагать, что темная энергия будет постоянна. Тогда была предложена другая форма темной энергии — «квинтэссенция». Квинтэссенция — это тип темной энергии, который может меняться со временем.
Хотя ученые убеждены, что темная энергия существует, вопросы о ее природе остаются без ответа. Постоянная она или нет, меняется со временем или нет — константа или квинтэссенция? И, конечно, учитывая размах вопроса, ученые пришли к мощным экспериментальным программам для поиска ответов.
Dark Energy Survey — это амбициозная попытка понять природу темной энергии. Измеряя скорость далеких галактик и сверхновых, эти ученые, будем надеяться, смогут найти ответ на эту важную загадку. И ответ будет иметь поистине космические последствия.
В зависимости от того, окажется ли темная энергия константой или квинтэссенцией, у вселенной будет разный конец.
Темная энергия почти наверняка существует и была предсказана Эйнштейном почти за сто лет до своего обнаружения. История о том, как он добавил ее в теорию, а после удалил, довольно известна, как и то, что Эйнштейн пожалел о своем временном включении. Спустя 80 лет после того, как Эйнштейн посчитал космологическую постоянную ошибкой, стало почти очевидно, что она существует — и величайшей ошибкой Эйнштейна, возможно, было удаление космологической постоянной, внесенной в уравнения его же руками.