Группы пришли к заключению, что первые 7 млрд лет после первичного взрыва расширение Вселенной замедлялось, примерно как тормозит автомобиль, когда приближается к контрольному посту ГАИ. Это и ожидалось. Но результаты измерений показали, что подобно водителю, который нажимает на педаль газа после прохождения контрольного поста, расширение Вселенной с тех пор ускоряется. Темп расширения пространства через 7 млрд лет после Взрыва был меньше, чем темп расширения через 8 млрд лет после Взрыва, который в свою очередь был меньше, чем темп расширения через 9 млрд лет после Взрыва, и т. д. — все они были меньше, чем темп расширения сегодня. Ожидаемое торможение расширения пространства переключилось на неожиданное ускорение.
Но как такое может быть? Ответ обеспечивает то самое второе независимое подтверждающее мнение относительно пропавших 70% материи/энергии, которые разыскивали физики.
Пропавшие 70%
Если вы мысленно перенесётесь в 1917 г., когда Эйнштейн ввёл космологическую постоянную, у вас будет достаточно информации, чтобы выдвинуть предположение о том, почему Вселенная ускоряется. Обычные материя и энергия вызывают обычную притягивающую гравитацию, которая замедляет расширение пространства. Но по мере того как Вселенная расширяется и разные объекты всё более отдаляются друг от друга, это космическое гравитационное притяжение, хотя и продолжает замедлять расширение, становится слабее. И это приводит нас к новому и неожиданному повороту. Если бы Вселенная имела космологическую постоянную — и если бы её значение имело точно нужную, маленькую величину, — то на протяжении примерно 7 млрд лет с Большого взрыва её гравитационное отталкивание перекрывалось бы гравитационным притяжением обычной материи, приводя к общему замедлению расширения, в соответствии с результатами наблюдений. Но затем, когда обычная материя рассеялась в пространстве и её гравитационное притяжение ослабло, отталкивающее воздействие космологической постоянной (величина которого не изменяется, по мере того как материя рассеивается) должно было постепенно взять верх, и эра замедленного расширения пространства должна была смениться эрой ускоренного расширения.
В конце 1990-х гг. такие рассуждения и углублённый анализ экспериментальных данных привели обе группы, Перлмуттера и Шмидта, к мысли, что Эйнштейн не ошибся восемьдесят лет назад, когда ввёл космологическую постоянную в уравнения гравитации. Вселенная, как предположили обе группы, на самом деле имеет космологическую постоянную.{211} Она имеет не ту величину, которую предлагал Эйнштейн, поскольку он искал возможность существования статической Вселенной, где гравитационное притяжение и отталкивание точно уравновешивались бы, но эти исследователи обнаружили, что уже миллиарды лет отталкивание доминирует. Но несмотря на эти детали и на то, что открытие групп Перлмуттера и Шмидта должно тщательно изучаться и должны быть доведены до конца необходимые исследования, нельзя не удивляться предвидению Эйнштейна, которое подтверждается спустя 80 лет.
Скорость убегания сверхновых зависит от разницы между гравитационным притяжением обычной материи и гравитационным отталкиванием «тёмной энергии», которую даёт космологическая постоянная. Допуская, что количество материи, как видимой, так и тёмной, составляет около 30% от критической плотности, исследователи сверхновых пришли к заключению, что ускоренное расширение, которое они наблюдали, требует отталкивающего эффекта космологической постоянной, тёмная энергия которой составляет около 70% от критической плотности.
Это поразительное число. Если оно верно, тогда не только обычная материя — протоны, нейтроны, электроны — составляют жалкие 5% от материи/энергии Вселенной, и не только некоторая, на сегодня неидентифицированная тёмная материя составляет по меньшей мере в пять раз большее количество, но также бо́льшую часть материи/энергии во Вселенной составляет совершенно отличающаяся и ещё более таинственная тёмная энергия, которая распределена по всему пространству. Если эти идеи верны, они самым невероятным образом углубляют революционный переворот в мировоззрении человечества, произведённый Коперником: мы не только не являемся центром Вселенной, но даже материя, из которой мы состоим, подобна обломкам, плавающим в космическом океане. Если бы протоны, нейтроны и электроны не были включены в замысел великого творения, полная материя/энергия Вселенной почти не уменьшилась бы.
Но имеется вторая, равно важная причина, почему 70% является удивительным числом. Космологическая постоянная, которая даёт 70% в критической плотности, будет вместе с 30%, приходящимися на обычную материю и тёмную материю, давать полную материю/энергию Вселенной, точно равную всем 100%, предсказываемым инфляционной космологией! Так что отталкивание, продемонстрированное результатами изучения сверхновых, может быть объяснено в точности тем количеством тёмной энергии, которое необходимо для объяснения невидимых 70% Вселенной, о которых чесали затылки инфляционные космологи. Измерения сверхновых и инфляционная космология изумительно дополняют друг друга. Они друг друга подтверждают. Каждое даёт подтверждающее второе независимое мнение для другого.{212}
Объединяя наблюдательные результаты по сверхновым с теоретическими представлениями инфляции, мы, таким образом, получаем набросок космической эволюции, который представлен на рис. 10.6. Сначала энергия Вселенной была заключена в поле инфлатона, которое находилось вне своего состояния минимальной энергии. Вследствие своего отрицательного давления поле инфлатона вызвало гигантский взрыв инфляционного расширения. Затем, примерно через 10−35 с, когда поле инфлатона соскользнуло на дно своей чаши потенциальной энергии, взрыв расширения подошёл к концу и инфлатон высвободил свою энергию, отдав её на производство обычной материи и излучения. Много миллиардов лет эти привычные составляющие Вселенной создавали обычное притягивающее гравитационное действие, которое замедляло расширение пространства. Но когда Вселенная выросла и стала более разреженной, гравитационное притяжение уменьшилось. Около 7 млрд лет назад обычное гравитационное притяжение стало настолько слабым, что гравитационное отталкивание космологической постоянной стало доминировать, и с тех пор темп расширения пространства постоянно растёт.
Рис. 10.6. Шкала времени космической эволюции: (а) Инфляционный взрыв. (б) Эволюция по стандартной модели Большого взрыва. (в) Эра ускоренного расширения
Примерно через 100 млрд лет от сегодняшнего дня все галактики, за исключением самых близких, будут раскиданы в разные стороны раздувающимся пространством со скоростями больше световой, так что мы не сможем их увидеть независимо от мощности используемых телескопов. Если эти идеи верны, то в далёком будущем Вселенная будет безбрежным, пустым и уединённым местом.
{211}
Интересно заметить, что намного раньше результатов по сверхновым провидческие работы Джима Пиблза из Принстона, а также Лоуренса Краусса из Кейс Вестерн (г. Кливленд), Майкла Тернера из университета Чикаго и Гари Стейгмана из Огайо указали, что Вселенная может иметь малую ненулевую космологическую константу. Тогда большинство физиков не приняли это предположение слишком серьёзно, но теперь, с данными по сверхновым, отношение к нему существенно изменилось. Также заметим, что ранее в этой главе мы говорили, что расталкивание от космологической постоянной может описываться полем Хиггса, которое, подобно лягушке на выпуклости, захвачено выше своей конфигурации с минимальной энергией. Так что в то время как космологическая постоянная хорошо описывает результаты наблюдений, более точное утверждение состоит в том, что исследователи сверхновых пришли к выводу, что пространство должно быть заполнено чем-то подобным космологической постоянной, что генерирует гравитационное расталкивание. (Имеются сценарии, в которых поле Хиггса могло бы генерировать расталкивание, действующее в течение длительного времени, в противоположность короткому взрыву в ранние моменты инфляционной космологии. Мы обсудим это в главе 14, когда рассмотрим вопрос, действительно ли наблюдательные данные непременно требуют наличия космологической постоянной или всем требованиям могут отвечать некоторые другие идеи, приводящие к сходным явлениям в гравитации). Исследователи часто используют термин «тёмная энергия» в широком смысле для обозначения ингредиента Вселенной, который невидим для глаза, но заставляет любую область пространства отталкиваться от любой другой, вместо того чтобы притягиваться.
{212}
Тёмная энергия является наиболее широко принятым объяснением наблюдаемого ускоренного расширения, но выдвигались и другие теории. Например, некоторые предположили, что результаты наблюдений могут быть объяснены, если сила гравитации отклоняется от обычной величины, предсказываемой ньютоновской или эйнштейновской физикой, когда расстояния становятся экстремально большими — космологических масштабов. Другие ещё не верят, что результаты наблюдений действительно показывают космологическое ускорение, и ожидают, что измерения будут проведены с помощью более точных инструментов. Важно держать в уме эти альтернативные идеи, особенно если будущие наблюдения дадут результаты, которые создадут проблемы для существующих объяснений. Но пока имеется широкий консенсус, что теоретические объяснения, описанные в основном тексте, — самые убедительные.