Книга Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики - Кэти Мак

Это обнадеживает. Если вы являетесь скоплением материи во Вселенной и хотите сформировать хорошую стабильную гравитационно-связанную галактику, вы можете быть уверены, что, как только вы накопите достаточно вещества для построения чего-либо, темная энергия не сможет разрушить результат вашего труда.

Но только при условии, что темная энергия не является чем-то более мощным.

Как мы говорили в предыдущей главе, космологическая постоянная – лишь одна из возможных форм темной энергии. Все, что нам известно о темной энергии, – это то, что она заставляет Вселенную расширяться с ускорением. Или, если точнее, она оказывает отрицательное давление. На первый взгляд понятие отрицательного давления может показаться чем-то странным, поскольку о давлении, как правило, думают как о некой выталкивающей силе. Однако в эйнштейновской общерелятивистской картине мира давление представляет собой просто еще один вид энергии, вроде массы или радиации, которая оказывает гравитационное воздействие. А согласно общей теории относительности, гравитация является лишь следствием искривления пространства.

Помните аналогию с шаром для боулинга, создающим вмятину на поверхности батута, с помощью которой мы продемонстрировали, как вещество искривляет пространство? Если принять во внимание общую теорию относительности, вмятина будет глубже не только в том случае, если мяч будет более массивным, но и если он будет горячим или будет иметь высокое внутреннее давление. Таким образом, давление, как и другие виды энергии, действует во многом подобно массе. С гравитационной точки зрения давление притягивает. Например, при расчете гравитационного воздействия скопления газа вы должны учитывать не только его массу, но и давление, поскольку и то, и другое вносит вклад в гравитационное воздействие, которое газ оказывает на находящееся вокруг него вещество. Фактически давление вносит в кривизну пространства-времени больший вклад, чем масса.

Что это означает для отрицательного давления? Если давление какого-то странного вещества может быть отрицательным, это означает, что оно способно компенсировать влияние массы на кривизну пространства-времени. Если записать давление и плотность темной энергии в форме космологической постоянной, используя соответствующие единицы измерения, то давление будет равно плотности по модулю, но противоположно по знаку.

Как правило, мы выражаем взаимосвязь между плотностью вещества и его давлением с помощью так называемого параметра уравнения состояния, который обозначается буквой w и представляет собой отношение давления к плотности энергии. При этом используются единицы измерения, позволяющие провести подобное сравнение. В данном случае нас интересует уравнение состояния темной энергии, которое при наличии достаточного количества времени станет уравнением состояния Вселенной, поскольку темная энергия будет играть все более важную роль в расширяющемся пространстве по мере рассеивания остального содержимого. Если измеренная величина w равна -1, то значение давления точно противоположно значению плотности, а темная энергия является космологической постоянной. Поскольку плотность энергии в космологической постоянной всегда положительна, можно подумать, что она должна действовать подобно материи и усиливать гравитацию, замедляющую процесс расширения Вселенной. Однако поскольку отрицательному давлению в уравнениях придается больший вес, получается так, что космологическая постоянная способствует ускорению космического расширения.

Но этот эффект, по крайней мере, предсказуем. Космологическая постоянная с параметром w = -1 имеет общую плотность энергии, которая остается постоянной на протяжении всего процесса расширения Вселенной, не увеличиваясь и не уменьшаясь. При любом другом значении w все меняется. Поэтому так важно выяснить, с чем мы имеем дело.

Спустя несколько лет после обнаружения темной энергии стало ясно, что нечто заставляет Вселенную расширяться с ускорением, а значит, должно существовать что-то, имеющее отрицательное давление. Оказывается, все, что имеет значение w < -1/3, обусловливает как отрицательное давление, так и ускоренное расширение. Однако выяснение значения параметра w может сказать нам, является ли темная энергия истинной космологической постоянной (w всегда равно -1) или некой динамической формой темной энергии, чье влияние на Вселенную может со временем измениться. Поэтому астрономы приступили к поиску способа точного измерения значения w. Если бы выяснилось, что темная энергия не является космологической постоянной, это означало бы, что мы обнаружили новый вид физики, которую не предвидел даже Эйнштейн[47].

На протяжении нескольких лет главной задачей было измерение параметра w и выяснение, что происходит с темной энергией. Были проведены измерения, написаны работы, построены графики, на которых показаны согласующиеся с данными значения параметра w. Версия космологической постоянной казалась самой правдоподобной.

Однако в конце 1990-х – начале 2000-х годов небольшая группа космологов указала на важную необсуждаемую предпосылку, лежащую в основе расчетов их коллег. Использование этой предпосылки было вполне разумным решением, поскольку ее игнорирование нарушило бы некоторые из фундаментальных принципов теоретической физики. Тем не менее имеющиеся данные не требовали учета этих принципов, а мы как ученые должны опираться прежде всего на данные. Даже если это означает, что нам придется пересмотреть судьбу Вселенной.

За пределами карты

Физик Роберт Колдуэлл и его коллеги задали простой вопрос: а что если значение параметра w меньше -1? Скажем, – 1,5? Или -2? До этого момента такая возможность не рассматривалась, поскольку считалась невероятной. Построенные на основе данных графики, показывающие область «допустимых» значений параметра w, как правило, резко обрывались на значении -1. Ось могла включать значения от -1 до 0 или от -1 до 0,5, но значение -1 было непреодолимой стеной. Такой же непреодолимой, как значение 0 для того, кто пытается угадать рост человека.

Когда Колдуэлл занялся этой проблемой, он заметил, что все наблюдения указывают на то, что значение w равно или почти равно -1. То есть значения меньше -1 не противоречат данным.

Эта гипотетическая темная энергия с параметром w < -1 была названа Колдуэллом «фантомной темной энергией» и противоречила вышеупомянутым важным теоретическим принципам, в частности, «доминирующему энергетическому условию», согласно которому энергия не может перемещаться быстрее света[48]. Это условие кажется вполне разумным, но оно несколько отличается от обычного утверждения о том, что свет (или любой вид материи) имеет предельную скорость распространения, и в настоящее время оно является не столько доказанным физическим принципом, сколько очень хорошей идеей. Что, если ему свойственна некоторая гибкость?