Всемирное антитяготение

Альберт Эйнштейн (1879—1955), снимок 1920 г. Тремя годами ранее он выдвинул идею всеобщего космического отталкивания. Эйнштейн показал, что наряду со всемирным тяготением – взаимным притяжением тел – в природе может, в принципе, существовать и всемирное антитяготение, которое стремится заставить все тела двигаться прочь друг от друга. Антитяготение было открыто в 1998—1999 гг.

В 1998—1999 гг. две международные группы наблюдателей, одной из которых руководили Брайан Шмидт и Адам Райсс, а другой – Сол Перлматтер, установили, что наблюдаемое космологическое расширение происходит с ускорением: скорости удаления галактик возрастают со временем. Открытие сделано с помощью изучения далеких вспышек сверхновых звезд определенного типа (Ia), которые замечательны тем, что они могут служить «стандартными свечами», т. е. источниками с известной собственной светимостью. Из-за исключительной яркости сверхновые можно наблюдать на очень больших, истинно космологических расстояниях, составляющих тысячи мегапарсек.

Вещество (считая и с темной материей) не способно ускорять галактики, а лишь тормозит их разлет: взаимное притяжение галактик стремится сблизить их друг с другом. Поэтому открытый астрономами факт ускоренного расширения указывает на то, что наряду с обычным веществом, создающим тяготение, во Вселенной присутствует особая космическая масса, или энергия, которая создает не тяготение, а антитяготение – всеобщее отталкивание тел. При этом в космологическом масштабе антитяготение сильнее тяготения. Новая энергия получила название темной энергии. Она дей­ствительно невидима: не излучает, не рассеивает и не поглощает света (и всех вообще электромагнитных волн); она проявляет себя только антитяготением.

Астрономы выяснили, что до расстояний примерно в 7 млрд световых лет космологическое ускорение положительно. Но на еще более далеких расстояниях ускорение, как оказалось, меняет знак: там оно отрицательно, а значит, на этих сверхбольших расстояниях космологическое расширение происходит с замедлением.

Примем теперь во внимание, что свет распространяется в пространстве с конечной скоростью. Это означает, что мы видим объекты такими, какими они были, когда испустили принимаемый нами сейчас свет. Солнце мы видим с задержкой в 8 мин, далекие галактики наблюдаем такими, какими они были миллиарды лет назад. Телескоп – это настоящая машина времени, позволяющая воочию видеть прошлое мира. Возраст мира составляет 13,7 млрд лет – таковы самые свежие космологические данные.

12.09.jpg

Сказанное только что о космологическом ускорении означает, что первую половину своей и­стории Вселенная расширялась с замедлением, а вторую – с ускорением. Первые 7 млрд лет расширяющаяся Вселенная практически не чувствовала присутствия в ней темной энергии: плотность вещества (темной материи и барионов) была значительно выше плотности темной энергии. Предполагается, что плотность темной энергии не зависит от времени, это величина постоянная. А плотность вещества убывает в ходе расширения, так что в прошлом она была выше, чем сейчас; по этой причине до определенного момента тяготение вещества было сильнее антитяготения темной энергии. Эти две силы как раз и сравнялись по величине примерно 7 млрд лет тому назад. С тех пор темная энергия доминирует, и эта эпоха антитяготения будет длиться неограниченно долго.

По совокупности различных наблюдений (включая и наблюдения реликтового излучения) к настоящему времени установлена доля каждого космического компонента в общем энергетическом балансе Вселенной. Эти компоненты сейчас называют видами космической энергии. На долю темной энергии приходится примерно 70 % всей энергии мира; на темную материю – 25 %; на обычное вещество (протоны, нейтроны, электроны) – около 5 %; на реликтовое излучение – менее 0,1 %. Таков рецепт «энергетической смеси», заполняющей современную Вселенную. В ней, как мы видим, много «темного» – до 95 %. Это стало самой большой неожиданностью для астрономов, космологов и физиков.

Удивительно и достойно восхищения научное предвидение Эйнштейна: еще в 1917 г. он говорил о всеобщем космическом отталкивании как о возможном физическом феномене космологического масштаба. У Эйнштейна антитяготение описывается всего одной константой, которую называют космологической постоянной. Весь комплекс имеющихся сейчас наблюдательных данных о темной энергии прекрасно согласуется с таким описанием.

В отношении расчета движения в пределах Солнечной системы общая теория относительности Эйнштейна давно стала почти инженерной наукой. Так, полеты автоматических космических аппаратов к планетам немыслимы без ОТО. На рисунке – американский зонд «Кассини», достигший в 2004 г. Сатурна. С сайта saturn.jpl.nasa.gov

Антитяготение создается не Галактиками или другими Компактными Объектами, а Непрерывной Космической Средой, в которую все Тела погружены, – Темной Энергией

Эйнштейн не оставил нам физической интерпретации космологической постоянной. Согласно предложению Э. Б. Глинера, высказанному еще в 1965 г., космологическую постоянную можно рассматривать как физическую характеристику особого рода сплошной среды, идеально равномерно заполняющей все пространство Вселенной. Плотность этой среды не только однородна, но и не зависит от времени, она одна и та же во всех системах отсчета. Из этого представления вытекают особые макроскопические свойства темной энергии. Так, оказывается, что у нее имеется давление, причем оно отрицательно, а по абсолютной величине равно плотности энергии (напомним, что плотность энергии и давление имеют одну и ту же размерность). Именно из-за своего отрицательного давления темная энергия создает антитяготение – это специфический эффект общей теории относительности.

Но каковы не макроскопические, а микроскопические свойства темной энергии? Из чего она состоит? В конце 1960-х гг., задолго до открытия темной энергии, Зельдович обсуждал возможную связь между космологической постоянной и квантовым вакуумом элементарных частиц и физических полей. Этот физический вакуум не есть абсолютная пустота, он имеет свою отличную от нуля энергию. Ее носителями служат так называемые нулевые колебания квантовых полей, всегда существующие в пространстве даже в отсутствие в нем каких-либо частиц. Если этот квантовый вакуум рассматривать макроскопически как некую среду, то ему следует приписать не только плотность энергии, но также и давление. При этом связь между давлением и плотностью должна быть в точности такой, как и у темной энергии, описываемой эйнштейновской космологической постоянной. Так не тождественна ли темная энергия физическому вакууму?

Космический телескоп «Хаббл» (КТХ) – самый крупный астрономический инструмент, выведенный на орбиту вокруг Земли. Диаметр зеркала КТХ составляет 2,4 м; оно почти такое же по размеру, как в свое время у Эдвина Хаббла. Но космическому телескопу не мешает земная атмосфера, а совершенная светоприемная аппаратура на нем такова, что в дело идет практически каждый квант света, упавший на зеркало. Самое замечательное открытие, сделанное с помощью КТХ, – обнаружение темной энергии во Вселенной. Фото Европейского космического агентства

Было бы замечательно, если бы удалось доказать, что это действительно так: объединение кажущихся разными сущностей – плодотворнейший путь развития науки. Это известно еще со времен Максвелла, объединившего электричество и магнетизм. Но до сих пор идею Зельдовича не удается ни доказать, ни опровергнуть. Физическая природа и микроскопическая структура темной энергии стала сейчас центральной проблемой космологии и всей фундаментальной физики. Похоже, она столь же сложна, как и вопрос о происхождении космологического расширения.

Итак, за 90 лет своего существования, считая от первых наблюдений Слайфера и теоретической работы Эйнштейна, космология превратилась из области абстрактных и почти фантастических, как казалось, занятий на далекой периферии тогдашней науки в одно из центральных направлений естествознания XXI в. Она обладает надежным наблюдательным фундаментом, который складывается из базовых фактов о Вселенной. На нем строится и развивается теория, прочно связанная со всей современной физикой, включая общую теорию относительности, ядерную физику и физику элементарных частиц. Космология ставит новые важные вопросы, выдвигает содержательные идеи и гипотезы, делает смелые предсказания. Она дает широкую, богатую и согласованную картину мира, которая становится сейчас неотъемлемой частью общей культуры человечества. А нерешенные проблемы в живой, сложной науке всегда есть и должны быть – это источник и резерв ее дальнейшего развития.

Литература

Вейнберг С. Первые три минуты. М.: Атомиздат, 1982.

Новиков И. Д., Шаров А. С. Человек, открывший взрыв Вселенной. М.: Наука, 1989.

Розенталь И. Л. Элементарные частицы и структура Вселенной. М.: Недра, 1984.

Тропп Э. А., Френкель В. Я., Чернин А. Д. Александр Александрович Фридман. Труды и жизнь. М.: Наука, 1988.

Черепащук А. М., Чернин А. Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. Фрязино: Век-2, 2003.

Черепащук А. М., Чернин А. Д. Горизонты Вселенной. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005.

Плохо, фотографии не встали

Д/З для А210-определение космологии и темной материи в тетрадь