65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Начнем с темной энергии. В главе «Сколько лет нашей Вселенной и как мы это узнали?» (стр. 327) мы выяснили, что Вселенная постоянно расширяется. Это экспериментальный факт. Более того, детальный анализ многолетних астрономических наблюдений, проведенных в конце 1990‐х годов, показал, что примерно 6–7 миллиардов лет назад это расширение начало ускоряться. Так что в настоящий момент пространство Вселенной не просто расширяется, а расширяется с постоянно возрастающей скоростью. Это плохо согласуется как с нашим повседневным опытом (ведь после взрыва осколки будут разлетаться с постепенным замедлением), так и с принципами общей теории относительности (ведь под действием гравитации пространство должно «сворачиваться», а не «разворачиваться»). Пространство Вселенной ведет себя так, будто в нем действуют силы антигравитации, стремящиеся это пространство «растолкать» в разные стороны. Причем эти силы направлены не в какую-то одну сторону, а действуют во всех направлениях одинаково.

Физики долгое время не могли понять, в чем причина, что вызывает эту антигравитацию. Пока не вспомнили про тот самый лямбда-член, предложенный Эйнштейном для спасения идеи стационарной Вселенной[142]. Оказалось, что именно это дополнительное слагаемое (лямбда-член) отлично подходит на роль антигравитации, вызывающей ускоренное расширение Вселенной. По сути, лямбда-член описывает энергию вакуума или пустого пространства. Так что чем больше этого пустого пространства образуется при расширении Вселенной, тем больше будет энергия вакуума, тем сильнее она будет «расталкивать» пространство. Получается такой самоусиливающийся процесс.

Несмотря на то, что физики смогли математически довольно точно описать эту энергию вакуума, введя в свои уравнения недостающий лямбда-член, остался открытым вопрос о природе этой энергии. Что является ее источником, откуда она появляется и каким законам подчиняется? Ответов на эти и многие другие вопросы у физиков пока нет. Так что эту загадочную энергию пустого пространства назвали темной энергией. И просто так отмахнуться от ее существования невозможно, ведь по современным оценкам темная энергия составляет примерно 70 % от всей материи и энергии, содержащейся в нашей Вселенной. Причем эта доля не постоянна и в дальнейшем будет только увеличиваться. Как это происходит? Пока Вселенная была достаточно молода, в ней обычная материя и излучение доминировали над темной энергией и расширение пространства происходило с небольшим замедлением (гравитация обычной материи была сильнее антигравитации темной материи). Однако примерно 6–7 миллиардов лет назад Вселенная расширилась настолько (пространства стало настолько много), что материя и излучение уже не смогли конкурировать с темной энергией, антигравитация победила, и пространство Вселенной начало расширяться с постоянно увеличивающейся скоростью.

Существуют различные гипотезы относительно дальнейшей судьбы нашей Вселенной. Если дело так дальше и пойдет, то через некоторое время (исчисляемое многими миллиардами лет) даже ближайшие к нам галактики начнут удаляться от нас настолько быстро, что мы (а точнее – наши потомки) уже не сможем их видеть – потому что расстояние между нами будет увеличиваться быстрее скорости света. В дальнейшем отдельные звезды уже в нашей галактике начнут удаляться друг от друга, а затем разлетятся и планетные системы. И этот процесс может продолжаться до тех пор, пока темная энергия не разорвет отдельные атомы, ядра и даже протоны. Такой сценарий называется Большой разрыв.

Существует, однако, и другой сценарий, при котором темная энергия со временем может ослабеть. Тогда во Вселенной начнет преобладать гравитация, которая вынудит пространство начать сжиматься обратно в исходное сингулярное состояние. Такой сценарий называется Большое сжатие.

Какой из сценариев будет реализован, могут сказать только более точные космические измерения, а также новые теории, которые еще предстоит разработать.

Но давайте вернемся к теме нашей главы. Ведь во Вселенной есть еще одна темная субстанция, поведение которой не менее загадочно и непонятно – это темная материя. Изначально ее присутствие было обнаружено при наблюдении за вращением галактик. Оказалось, что все они вращаются совсем не как планетные системы. Согласно закону всемирного тяготения, чем дальше планета находится от звезды, тем меньше скорость ее обращения. Но поведение галактик больше похоже на вращение диска – при удалении от центра угловая скорость звезд очень слабо меняется. Как будто галактики заполнены каким-то невидимым веществом, которое своим гравитационным полем влияет на их вращение.