 |
Астронет: А. Д. Чернин/ГАИШ Темная энергия вблизи нас http://variable-stars.ru/db/msg/1210535/node5.html |
4. Темная энергия
Однако уже в следующем, 2000-м году парадокс Хаббла-Сэндиджа был рязъяснен. Разгадку подсказало новейшее замечательное событие в космологии - открытие темной энергии. Многое в космологии стало благодаря этому открытию на свои места.
В 1998-99 гг. две международные группы астрономов-наблюдателей, одной из которых руководили Брайан Шмидт и Адам Райес, а другой - Сол Перлмуттер, сообщили, что космологическое расширение происходит с ускорением. Прежде считалось, что разбегание галактик может только замедляться под действием их собственного тяготения. Но ускорение означает, что в природе имеется не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение, которое преобладает над тяготением в наблюдаемой Вселенной. Антитяготение создается не галактиками (с их обычным светящимся барионным веществом и темной материей), а некоей особой космической энергией, в которую погружены все галактики мира. Это темная энергия, как ее сейчас чаще всего называют, и создает антитяготение.
Темная энергия темна по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, она невидима - не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны.
И тем не менее с темной энергией, как мы увидим, вполне можно
работать, изучать ее роль в реальном мире. Для этого, правда,
нужно принять те или иные исходные предположения, хотя бы
минимальные, о ее свойствах. Простейший (и как кажется, самый
правдоподобный) из обсуждающихся сейчас вариантов связывает
темную энергию с космологической постоянной 
(лямбда).
Эта универсальная константа была введена в космологию Эйнштейном в
1917 г., когда он применил только что созданную им общую теорию
относительности к изучению мира, рассматриваемого как некое
единое целое. Эйнштейн решил эту задачу и представил результат в
виде физико-математической модели Вселенной. Модель описывала
Вселенную как статическую, вечную и неизменную как целое
физическую систему. Во Вселенной Эйнштейна притяжение всех тел
природы друг к другу... отсутствовало. Ньютоновское всемирное
тяготение при этом, однако, не отменялось; но помимо него в
эйнштейновской модели действовал еще один силовой фактор -
всемирное антитяготение, которое полностью компенсировало
взаимное тяготение космических тел в масштабе всей Вселенной.
Ничего подобного прежняя, до-эйнштейновская физика не знала. Но антитяготение не вытекало в действительности и из общей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Тем не менее она органично и в исключительно экономной форме была введена в структуру общей теории относительности, в ее математические уравнения. Антитяготение было представлено в этих уравнениях всего одной и притом постоянной физической величиной, которая и получила позднее название космологической константы. Она обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения - без нее теория не допускала бы статичности мира.
В 1922 г. Фридман доказал, что уравнения общей теории относительности - даже при наличии в них космологической константы - допускают не только статические модели, но и модели с эволюцией, в которых Вселенная как целое могла расширяться или сжиматься. Фридман явно предпочитал модель расширяющейся Вселенной. Если эйнштейновская константа положительна по величине, то теория Фридмана (в ней эта константа с самого начала предусмотрительно учитывалась) может описывать не только космологическое расширение с замедлением, но и космологическое расширение с ускорением. Основанная на таком подходе глобальная космологическая модель очень хорошо согласуется с наблюдаемым сейчас феноменом ускоряющегося космологического расширения.
Спустя четыре десятилетия, в 1965 г., Э.Б. Глинер, работавший тогда в ленинградском Физтехе, заметил, что по своей роли и месту в общей теории относительности космологическая постоянная соответствует некоторой сплошной среде, которая строго равномерно заполняет все пространство Вселенной и имеет всюду и всегда постоянную плотность. Связь плотности этой среды с эйнштейновской космологической постоянной такова:
Здесь 
и 
- скорость света и гравитационная постоянная. Мы
записали здесь "массовую" плотность, то есть массу, приходящуюся
на единицу объема. Как известно, масса и энергия связаны между
собой знаменитой формулой 
; чтобы пересчитать плотность
массы на плотность энергии, нужно умножить первую на 
.
Эта среда весьма необычна: ее плотность 
положительна, а
давление 
отрицательно, причем по абсолютной величине
давление равно плотности (эти две физические величины имеют
одинаковую размерность):
Связь между давлением и плотностью среды называют ее уравнением состояния. Как первым указал Глинер, записанное выше уравнение состояния характерно для физического вакуума. Такое и только такое уравнение состояния удовлетворяет определению вакуума как среды, относительно которой движение и покой неразличимы. Это и только это соотношение между плотностью и давлением совместимо с понятием вакуума как формы энергии с всюду и всегда постоянной плотностью, - и притом в любой системе отсчета.
Мы будем называть эту особую космическую среду вакуумом
Эйнштейна-Глинера и считать, что открытая астрономами темная
энергия - это энергия вакуума. (Буква 
, которой мы снабдили
выше плотность и давление, и означает вакуум.) Кроме ясности и
простоты, такая интерпретация привлекательна еще и в том - самом
важном, в действительности, - отношении, что наблюдения, в
которых темная энергия была открыта, полностью с нею согласуются.
По данным на сегодняшний день, отношение давления темной энергии
к ее плотности энергии составляет 
. Похоже, что
иные, более сложные и, в общем, произвольные варианты
интерпретации темной энергии постепенно вытесняются наблюдениями.
Стоит заметить, что отрицательное давление, с которым мы встречаемся в уравнении состояния вакуума, - не вполне обычное явление в физике. При "нормальных условиях" давление в "нормальной" жидкости или газе как правило положительно. Но и в жидкости (например, в потоках воды у винта парохода) и в твердых телах (например, во всесторонне растянутой стальной болванке) отрицательное давление тоже может возникать. Это требует особых, специальных условий, но само по себе не является чем-то исключительным. Однако в случае вакуума ситуация совсем особая. Давление вакуума не только отрицательно, но к тому же равно - по абсолютной величине - его плотности энергии. Ничего подобного нет ни в одной другой среде. Это абсолютно и исключительно свойство одного вакуума и только его.
О вакууме в физике говорят давно, с 1920-х годов, когда возникла квантовая механика. Из этой науки вытекало, в частности, что у всех полей и частиц природы имеется состояние минимальной энергии, которое и называется вакуумом. Вакуум - не пустота, и минимальная энергия полей и частиц, вообще говоря, не равна нулю. Физический вакуум обладает определенной энергией, и эта энергия действительно может характеризоваться (на макроскопическом уровне описания) значениями плотности и давления. Однако пока не установлено, действительно ли вакуум Эйнштейна-Глинера тождествен вакууму физических полей. Подробнее о космологической постоянной, о вакууме и его темной энергии можно прочитать, например, в книге А.М. Черепащука и А.Д. Чернина "Вселенная, жизнь, черные дыры", Век-2, 2003). Поэтому не будем здесь входить во все аспекты этой большой темы, а обсудим только то, что требуется для понимания парадокса Хаббла-Сэндиджа и для построения локальной космологии.
<< 3. Парадокс Хаббла-Сэндиджа | Оглавление | 5. Плотность темной энергии >>