Гравитация против темной энергии: что обеспечивает существование Вселенной
Темная энергия — один из феноменов Вселенной, о существовании которого стало известно двадцать лет назад. Однако ученые и по сей день знают о ее природе не так много.
Когда Эйнштейн в начале прошлого века выводил уравнение гравитации, то предположил, что должна существовать сила, противодействующая притяжению объектов друг к другу. В то время ученые исходили из того, что Вселенная статична. Но ведь гравитация действует таким образом, что все объекты, обладающие массой, притягиваются друг к другу. Следовательно, чтобы Вселенная не схлопывалась, гравитации должна противодействовать некая сила. И Эйнштейн ввел в уравнение космологическую постоянную, которая должна была сбалансировать гравитацию. Но из полученного равенства следовало, что Вселенная не статична, а расширяется, а это противоречило теории. Ученый называл константу своей великой ошибкой, но она оказалась великим пророчеством.
В конце 1990-х годов исследователи обнаружили, что яркость сверхновых звезд в удаленных галактиках меньше, чем считалось раньше. То есть расстояние до этих галактик оказалось больше вычисленного по старым формулам: D=2R/2sin(α/2), где D — расстояние до звезды, R — радиус земной орбиты, α — угол, под которым был бы виден средний радиус земной орбиты из центра масс звезды.
Ученые сделали вывод, что Вселенная расширяется не просто, а с ускорением. Затем эти наблюдения экспериментально подтвердились измерениями неравномерности реликтового излучения (остаток энергии Большого Взрыва) и наблюдениями за образованием скоплений галактик.
Физики сформулировали гипотезу, из которой следовало, что Вселенной не дает схлопнуться некая энергия, она же решает проблему невидимой массы. Ведь согласно теоретическим выкладкам на основе анализа Большого Взрыва, масса Вселенной не соответствует той, которая должна получиться в результате подсчета вклада всей материи. Может показаться странным, что энергия служит эквивалентом массы, но это утвержденная физическая концепция теории относительности: E=mc².
Помимо влияния на расширение Вселенной, о темной энергии известно совсем немного. Она формирует наш мир на 68%, у нее низкая плотность, она однородна и не взаимодействует (по крайней мере, так, чтобы это было заметно) с обычной материей, за исключением гравитации.
Сущность темной энергии определить довольно трудно, так как она слишком сильно отличается от привычных явлений. Дело в том, что в физике при описании процессов важна не величина энергии, а ее изменение. Например, при разнице потенциалов возникает напряжение (электроны двигаются от одной точки к другой), а при изменении температуры мы можем точно определить, на сколько градусов тело нагрелось или охладилось.
Гравитация здесь исключение из правил — на нее действует постоянная энергия, а не разница в значениях. Феноменальное поле, влияющее на темп расширения Вселенной, называют энергией вакуума, или темной энергией. Поле разлито по всему пространству и имеет везде одинаковую плотность. Погрешности в космологических наблюдениях оставляют возможность предполагать наличие слабой динамики у энергии вакуума.
"Дело в том, что наш опыт исследования Вселенной ничтожно мал по сравнению со временем ее жизни и масштабами. Допустим, мы фотографируем большой старый дуб каждый день в течение нескольких месяцев и не замечаем никаких изменений. На основе эксперимента делаем вывод, что растение со временем совершенно не меняется. Но, вероятно, наш фотоаппарат просто не может засечь незначительные изменения, к тому же время проведения эксперимента слишком мало. Резонно предположить, что постоянство темной энергии лишь кажущееся, а на самом деле мы наблюдаем динамическое поле, только эволюционирует оно очень-очень медленно. Поэтому окончательные выводы о свойствах и сущности темной энергии делать пока рано", — комментирует Дмитрий Горбунов, доцент кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии московского Физико-технического института.
Но если Вселенная расширяется, почему наши органы восприятия этого не чувствуют? Дело в том, что крупные скопления материи (например, галактики) представляют собой гравитационные системы. И в них есть некий баланс между действием темной энергии и гравитации, благодаря чему такие системы остаются стабильными. А разбег Вселенной происходит за счет расширения межзвездного пространства.
