Расширение не замедляется
После открытия Хабблом соотношения между расстоянием и скоростью астрономы придерживались двух постулатов: во-первых, Вселенная расширяется, во-вторых, Вселенная заполнена материей, которая привлекает другую материю благодаря гравитации. Следовательно, плотность материи должна влиять на скорость расширения. Так как замедляется расширение? Ответ именно на этот вопрос искали две группы, Сола Пелмуттера и Брайана Шмидта. И они добились успеха – нашли ответ. Расширение не замедляется. Исследованная ими Вселенная не была Вселенной, которая делает то, что должна делать Вселенная, полная материи, под влиянием взаимного притяжения объектов. Происходит противоположное! Расширение ускоряется.
Джеймс Гланц, астрофизик и журналист-исследователь, работающий с серьезными изданиями, уже намекал на положительное значение лямбды, в статьях, опубликованных в журнале Science в октябре 1997 и январе 1998 года. Научному сообществу было трудно принять такой результат, и его материалы были восприняты с определенной долей скептицизма. Но одинаковый результат и одинаковые выводы двух групп ученых, о работе которых и о конкуренции между ними знал весь научный мир, должен был изменить ситуацию.
Статья Гланца с представлением результатов была опубликована в номере Science от 27 февраля 1998 года. Автор процитировал в своем материале членов группы Брайана Шмидта.
Боб Киршнер сказал, что результат приводит его в невероятное возбуждение. Адам Рисс признался в поражении. Больше всего Гланц цитировал Брайана Шмидта, реакция которого, по его собственному признанию, была чем-то средним между удивлением и ужасом. Он был поражен, потому что никак не ожидал такого результата, а испытывал ужас от того, что большинство астрономов им не поверят, потому что они, как и он сам, с большим скептицизмом относятся к неожиданному.
Такая же реакция была у членов группы Сола Перлмуттера. Они поражались, потому что открыли судьбу Вселенной, а ужасались оттого, что теперь все хотят говорить про ускорение, и открытие ставилось в заслугу конкурентам. Герсон Голдхабер заявил в интервью «Нью-Йорк Таймс», что группа Брайана Шмидта просто подтвердила их результаты, но победила в умении рекламировать свои достижения. На это Боб Киршнер ответил, что самая мощная сила во Вселенной – это не сила тяжести, а зависть. Кстати, сила тяжести не является самой «сильной».
High-z сдали подробную статью в «Астрономический журнал» в начале марта (они выбрали его, а не «Астрофизический журнал», поскольку хотели подчеркнуть, что занимаются астрономией). Статья называлась «Доказательства, полученные из наблюдений сверхновых, для подтверждения ускорения Вселенной и космологической постоянной». В первую неделю мая в «Фермилаб» была созвана конференция для обсуждения результатов, полученных двумя группами, занимавшимися сверхновыми. Я уже упоминал эту Национальную Ускорительную Лабораторию имени Энрико Ферми, подчиняющаяся Министерству энергетики США, в начале книги. Она расположена в штате Иллинойс, недалеко от Чикаго. На конференции присутствовало около 60 человек и 40 из них были готовы принять доказательства.
Если бы такой результат получила только одна команда, научное сообщество отнеслось бы к нему со скептицизмом. Но к одинаковому результату пришли две группы независимо друг от друга, а поэтому он заслуживал серьезного внимания. Более того, команды по большей части использовали различные материалы (совпали лишь очень немногие сверхновые), они использовали разные методы анализа данных (включая корректировку из-за межгалактической пыли) и пришли к выводу, который оказался полной противоположностью ожидаемому.
Положительная лямбда сделала Вселенную снова понятной. Все вставало на свои места! Решалась проблема, над которой в свое время бился Алан Сандадж, у которого получалось, что Вселенная моложе самых старых звезд. Еще недавно сверхскопления галактик казались слишком старыми построениями для молодой Вселенной. Но Вселенная получалась «слишком» молодой, только если предположить, что скорость расширения уменьшалась на протяжении всей истории Вселенной или, по крайней мере, оставалась неизменной.
Если вы едете в автомобиле на скорости 50 миль в час, а потом ускоряетесь до 65 миль, вам потребуется больше времени для преодоления одного и того же участка дороги, чем тому, кто изначально ехал на скорости 65 миль в час или снижал скорость с 70 до 65 миль в час. Если бы расширение замедлялось, так сказать, давило на тормоза, то оно шло бы быстрее в недавнем прошлом, и поэтому Вселенной потребовалось бы меньше времени, чтобы оказаться в нынешнем состоянии, чем если бы скорость расширения была постоянной. Но расширение, которое ускоряется сегодня, продолжая аналогию, давит на газ, идет быстрее и быстрее, а в недавнем прошлом оно шло менее быстро, и Вселенной потребовалось больше времени, чтобы оказаться в нынешнем состоянии. Благодаря ускорению получилось, что возраст Вселенной, грубо говоря, составляет где-то 15 млрд лет, то есть она старше, чем ее «первенец», и достаточно стара, чтобы иметь такие структуры, как сверхскопления галактик.
Более того, теперь лямбда объясняла все противоречия. Боб Дикке и Джим Пиблс в конце 1970-х хотели получить теоретическое объяснение единообразия и изотропии. В 1980-е годы появились сторонники инфляционной теории, которые хотели получить наблюдения, доказывающие, что Вселенная – плоская. Но для этого требовалось, чтобы омега равнялась 1. А многочисленные наблюдения показывали, что количество массы во Вселенной меньше критической плотности, а это означало, что омега меньше 1, причем существенно.
Теперь получалось, что количества массы во Вселенной недостаточно, чтобы остановить расширение, но достаточно количества массы и энергии. По Эйнштейну, масса и энергия эквивалентны, так что, несмотря на то что масса, будь она в форме обычной или темной материи, оказывается в недостаточном количестве для достижения критической плотности, ее может дополнить энергия, вызывающая ускорение. Плотность массы составляет около 40 %, плотность энергии – около 60 %. Вот вам 100 % или омега = 1. Во Вселенной действительно низкая плотность материи. Вселенная и правда плоская.
Дополнительные наблюдения
Космология сделала гигантский шаг вперед за 70 с небольшим лет. Еще в 1920 году шли споры о том, есть ли другие «островные вселенные» за пределами Млечного Пути. Сейчас тогдашние споры кажутся смехотворными. Но что получается теперь? Расширяющаяся Вселенная полна материи, влекущей другую материю силой притяжения. Расширение ускоряется, поэтому влияние силы тяжести подавляет что-то еще, и это не обычная материя, и не темная.
Астрономы воспринимали лямбду-член просто как один из символов в уравнении. Она может равняться нулю, а может и не равняться. Если вы верите в полезность сверхновых типа Ia для космологии и если уверены, что проверили все полученные результаты, то вы принимаете ее значение. Брайан Шмидт понимал последствия положительной лямбды для инфляционной теории, а Адам Рисс не понимал. Для ученых, занимающихся физикой частиц, положительная лямбда создавала новую проблему. Для них это не было какое-то число, это было свойство космоса. А космос с точки зрения физики частиц – это не пустота, это фантасмагория виртуальных частиц, которые постоянно появляются и исчезают. Частицы не только существуют, но и обладают энергией, как показали эксперименты. А энергия взаимодействует с гравитацией.
Хендрик Казимир, голландский физик (1909–2000)
И тут мы уже имеем дело с так называемым эффектом Казимира, названным в честь голландского физика, предсказавшего это явление в 1948 году, в дальнейшем оно было подтверждено экспериментально. Это эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Причиной эффекта Казимира являются энергетические колебания физического вакуума из-за постоянного рождения и исчезновения в нем виртуальных частиц.
Так что сама по себе положительная энергия не была ничем удивительным. Теоретики даже говорили о двух формах энергии вакуума. Одна форма постоянна в пространстве и времени и называется космологической постоянной. Другая будет варьироваться в пространстве и времени, и ее назвали квинтэссенцией. Физики стали говорить астрономам, что лямбда и космологическая постоянная не идентичны, а астрономы использовали их как взаимозаменяемые понятия. Физики стали предлагать новые термины. На конференции в «Фермилаб» в мае 1998 года было предложено «забавная энергия» (funny energy), причем слово funny имеет в английском языке еще одно значение – «подозрительный, нечистый». Это название не прижилось, а следующее, «темная энергия» (dark energy), преднамеренно намекающее на связь и схожесть с темной материей, закрепилось.
Проблема заключалась в том, что плотность энергии во Вселенной после изучения сверхновых получалась очень разной. Квантовая механика предсказывала значение гораздо больше (во многие разы!), чем измеряли астрономы. Причем разница была слишком большой даже для космологии, как шутили ученые. Под влиянием такой невероятно большой плотности энергии космос растягивался уж слишком сильно – вы не смогли бы увидеть кончик своего носа. Да и Вселенной при таких значениях, похоже, не было бы – ни для вас, ни для кончика вашего носа. Всех устраивало значение лямбды 0,6 или 0,7 от критической плотности, вычисленное астрономами. Поэтому специалисты по физике частиц решили, что в будущем найдется математик, который эту проблему каким-то образом решит, и кто-то догадается, как частицы аннигилируют друг друга в нужной пропорции, чтобы получился результат: лямбда = 0.
Еще недавно движения галактик не имели смысла, пока не был сделан вывод о существовании темной материи. Светимость сверхновых не находила объяснений, пока не пришли к существованию темной энергии. Однако просто потому, что положительная лямбда решает много проблем, не означает, что она существует. С другой стороны, то, что положительная лямбда создает проблему, не означает, что ее не существует! Требовались дополнительные наблюдения, о чем в частности заявил Алекс Филиппенко в ответ на обвинения одного физика-теоретика в том, что астрономы-наблюдатели только зря тратят ценное время, используя, например, дорогой телескоп «Хаббл» – ведь нет теории, которая была бы совместима с не-нулевой энергией вакуума, причем как с малым значением лямбды, то есть от 0,6 до 0,7, как и полученным специалистами по физике частиц, превышающим его во много-много раз. В ответ на это Алекс Филиппенко и сказал, что он знает только, в какой конец телескопа нужно смотреть, а после дополнительных исследований астрономы или подтвердят свою теорию, или найдут, где ошиблись. Только наука, только новые наблюдения смогут подтвердить положительное значение лямбды.