Тёмная энергия во Вселенной. Лекция – диалог.

Гордон – 024

Алексей Старобинский, член-корреспондент РАН, института теоретической физики им. Л.Д. Ландау.

Современной космологии есть чем похвастаться. За последние годы сделано много наблюдательных открытий. И, хотя они с теоретической точки зрения были ожидаемы, но скептики всегда могли сказать, что это игры ума. А сейчас есть конкретные данные. Почему возникла путаница. Потому что наблюдения дают новости сразу в двух вопросах:

• Как устроена Вселенная сейчас. Мы узнали очень много поразительных фактов;
• Что было в ее начале, до «большого взрыва» 14 миллиардов лет тому назад.

Г. Давайте начнем со второго пункта. Что же, все-таки, было до большого взрыва.

А.С.: Это тоже не абсолютное начало, а некая предшествующая стадия. У нас лет 20 существует очень красивая теория, которая называется инфляционная. Эта теория о том, что было со Вселенной, когда она была очень искривленной. В космологии большую роль играет гравитация. Что это такое?

Согласно современным представлениям, идущим от Эйнштейна, гравитация описывается, как искривленное во времени пространство. То есть, тела движутся так, как если бы они двигались по прямым линиям, но в кривом пространстве. Словосочетание «искривленное пространство» я буду употреблять часто. Вселенная была очень сильно искривленная, а сейчас она почти плоская. Вселенная была в максимально симметричном состоянии. Не углубляясь в науку, мы чувствуем, что если не прилагать специальных усилий, то беспорядок со временем растет. Существует 2-й закон термодинамики, есть проблема с его формулировкой.

Я заранее скажу, что больцмановская тепловая смерть Вселенной не угрожает. В данный момент Вселенная однородна, изотропна, и на фоне ее есть только малые или локальные возмущения. Основной язык (понятие) космологии – это то, что у нас есть однородная, изотропная Вселенная, а на ней есть малые возмущения с разными масштабами. Это галактики, скопления галактик, звезды. Мы с этой точки зрения тоже являемся возмущением с характерным размером 1,5-2 м. и весом от 50 до 100 кг. С точки зрения малых возмущений, она еще очень упорядочена. Это говорит о том, что раньше она была еще более упорядочена. Отсюда можно прийти к идее максимального упорядочения в прошлом.

Где-то там (в будущем) существует максимальный беспорядок, а мы пока находимся на той стадии, где есть хоть какой-то порядок. В частности, если говорить о геометрии пространства. Какие вы знаете геометрические поверхности максимально симметричные? Наше пространство и время четырехмерное. Четырехмерное сложно представить, давайте говорить о 2-х мерных. Самая простая поверхность – это плоскость, но столь же симметрична и сфера. Но, оказывается, кроме сферы есть другие, гораздо более интересные – гиперболоиды. Особенно однополосный гиперболоид. Из кусков однополосного гиперболоида составлена Шуховская башня. Что имеет большое значение для нашего телевидения и радиовещания.

Г.: Большинству интересно, что происходит сейчас со Вселенной. В чем эти открытия. Давайте грубо считать, что первоначально материя была максимально упорядочена и симметрична, и что же случилось потом с ней?

А.С.: Потом эта стадия закончилась и материя перешла в другое состояние. Произошел разогрев Вселенной. Вначале это было состояние квазивакуумное. В нем даже частиц отдельных не было. Все привыкли считать, что материя состоит из частиц. Та материя как раз была в таком состоянии, что там не было никаких частиц. Все было максимально симметрично. После разогрева возникло то, что называют горячая Вселенная Фридмана или Большой Взрыв. Температура была очень высокая, потом это все охлаждалось. И сейчас, на последней стадии произошла рекомбинация, то есть протоны и электроны соединились в нейтральный водород. При этом оказалось, что там присутствует некоторое количество гелия, дейтерия и некоторых других элементов. И это уже началась стадия, когда основную долю в плотности энергии, материи во Вселенной вносило почти что обычное вещество. Это происходило последние 12-14 млрд лет.

А сейчас есть другое замечательное открытие о том, что доминирующей стала совсем другая форма материи. То, что называется сейчас либо темной энергией (это более широкое понятие), а более узкое, это то, что теоретически давно обсуждалось и было еще предложено Эйнштейном – космологическая постоянная. Что это такое? Такая форма материи, которая качественным образом оказывается похожа на ту вакуумную форму материи, которая была на ранней стадии Вселенной. Она бесструктурная, она не скучивается гравитационно, где обычная материя скучивается.

Она не состоит из частиц. Если взять обычный газ и начать его расширять, то плотность энергии будет падать. При этой форме материи Вселенная расширяется, а плотность остается почти постоянной. Если взять буквально космологическую постоянную – она является строго постоянной. Из последних наблюдений я бы сказал, что есть нечто на нее похожее. Так как существует доля ошибки, то сказать, что она строго постоянная, мы не можем, но она к этому приближается.

Г.: А какой процент этой темной энергии?
А.С.: Основной. А именно, около 70% от всей плотности энергии содержится в этом новом, неизвестном, не открытом в лаборатории виде материи.

Г.: Но всегда существовавшем во Вселенной?
А.С.: Она всегда существовала, но раньше она не была доминирующей по плотности энергии. Ведь я сказал, ее плотность с расширением остается примерно постоянной. Физика – наука конкретная. Я вам скажу в числах. Обычное вещество, состоящее из частиц, это частично те самые протоны, нейтроны, электроны из которых мы состоим, как нас учат в школе, но не только. В прошлом, когда все размеры во Вселенной были в 2 раза меньше…

Г.: То есть все звезды и галактики были друг к другу ближе в 2 раза?
А.С.: Да. Это утверждение относится к несвязанным объектам. Внутри галактики, если она уже связанная, она не изменяется. Закон Хаббла появляется на расстояниях несколько больших, чем расстояние между отдельными галактиками. И звезды, они не уходят друг от друга внутри одной галактики. Когда размеры Вселенной были в 2 раза меньше, ее плотность была в 8 раз больше. А плотность вот этого вида материи, если бы это была строго космологическая постоянная, она должна была бы остаться константой. Из этого следует, что когда это было в прошлом, примерно половина возраста Вселенной 7 млрд лет назад, уже доминировало обычное вещество. Вклад этой темной энергии был довольно мал.

Г.: А значит ли это, учитывая то, что Вселенная продолжает расширяться, что значимость, а следовательно и процентное содержание этой материи будет расти?
А.С.: Будет в будущем расти.

Как вы относитесь к тезису, что было время, когда времени не было?
А.С.: Этот тезис не очень строгий и поэтому не очень понятный. Его произносят в популярных статьях. В научных статьях он не встречается. Имеется в виду, что есть время координатное, а есть время физическое, которое можно мерить какими-то реальными объектами. Такое время, оно действительно в некотором смысле существует в области, где гравитация является классической. Раньше, когда были сверхвысокие кривизны, там разумного понятия времени, измеряемого часами или какими-то частицами не было из-за того, что были сильные квантовые флуктуации. Но мы об этом можем не беспокоиться по следующей причине. Оказывается та стадия, о которой я вам рассказывал, была при кривизнах существенно меньших, чем квантовые кривизны, при которых теряется понятие времени. Для того чтобы эта теория объясняла нам данные, нам приходится предположить, что кривизна была уже существенно меньше той критической при которой понятие времени терялось. Поэтому и вопрос о том, что происходит внутри черных дыр был и остался. Но он нам не может помешать сделать вот этот существенный прогресс в космологии.

Г.: Я так понял, что даже возникновение нас с вами, как совокупности некой материи и энергии, которую эта материя вырабатывает, стала возможной только на определенной стадии развития?
А.С.: Да. И тут действительно оказывается, что мы являемся этими самыми малыми возмущениями и неоднородными флуктуациями. А главное в наблюдении, что дает эта теория ранней Вселенной, инфляционной грани Вселенной – это предсказание возмущений. Возмущения возникли из квантовой флуктуации на той ранней стадии. Мы предсказываем правильную форму флуктуаций в зависимости от масштабов. Зависимость очень простая. Условно говоря, во всех масштабах, больших и маленьких, амплитуда флуктуаций относительная примерно одна и та же. Возникает число порядка 10-5 . Есть мера малости этих флуктуаций. Именно это подтверждает эксперименты. Кроме материи, вещества есть еще электромагнитное излучение. Оно изотропное. Его температура примерно 2,73 градуса по Кельвину. Но не совсем изотропно. Если смотреть под разными углами, его температура немного различается – на уровне 10-5. Мы уже видим какой точности должен быть эксперимент. Нужно реально измерить разность 10-5 от этих 3 градусов по Кельвину. То есть нужно мерить величину на уровне 30 микрокельвинов. Космические эксперты научились измерять такие ничтожно малые разности температур с помощью радиотелескопа. И как я сказал, их спектральная зависимость – зависимость амплитуды анизотропии. Температура угла и в больших масштабах, и в малых оказалась именно такой, какая и была предсказана. Вот что именно было проверено экспериментально.
Теперь к другой теме. Даже не все физики почувствовали, что значит, что мы состоим из вещества, которое не самое типичное во Вселенной. Наше обычное вещество (протоны, нейтроны, электроны) по плотности энергии – всего не более 5 %. Остальные 95% – это вещество, еще не открытое в лаборатории, как мы говорим – «темное». От светлого мы видим свет – фотоны. Поэтому, если вещество не участвует в электромагнитных взаимодействиях, не испускает фотоны, то оно будет темным. Оказывается, что эта темная материя двух сортов. Мало того, что в космологии ввели материю еще не открытую в лабораторных экспериментах, так она еще оказалась и двух сортов. 70% это совсем недавнее открытие. Что-то типа, похожее на космологическую постоянную, а что же такое оставшиеся 25%? Об этом мы уже говорим 20 лет. Это тоже открытие, к нему все привыкли, хотя это тоже вещь удивительная. Эта материя в экспериментальных условиях тоже пока не открыта. Эта материя такого же характера, как и обычная материя, она тоже не релятивистская и ведет себя при расширении с точки зрения гравитации так же, как, как то вещество, из которого мы составлены. Поэтому мы различаем темное вещество – 25 %

Г.: То, что реагирует на гравитационное возмущение?
А.С.: И она гравитационно скучивается. И это вещество мы видим, глядя как звезды движутся в нашей галактике, или как галактики движутся в скоплении галактик. А также, используя (что тоже Эйнштейн первым предложил), так называемое гравитационное линзирование. Луч света под действием скопления массы отклоняется от прямой линии. Изучая это, мы можем ту часть материи, которая гравитационно скучивается в галактике, в скоплении галактик, мы можем определить сколько ее. Оказывается, что в сумме с нашим веществом обычным не более 30%. А остальные 70% – что это такое, мы этого в действительности не знаем. Мы это можем характеризовать через свойства: 1. Оно гравитационно не скучивается, оно остается однородным. Это следует из того факта, что мы его не видим, исследуя динамику звезд в галактике.

Г.: Поправьте меня, если я ошибаюсь, но это значит, что оно не должно обладать массой?
А.С.: Нет. Это не так. Это будет следовать из второго свойства. 2. Ускорение определяется не только массой и не только плотностью энергии, но и ее давлением. Оказывается, если давление отрицательно (например, как натяжение резины), но здесь речь идет об отрицательном давлении во всем объеме. Так вот, если давление отрицательное, порядка модуля плотности энергии, то оказывается, что во всю гравитационную силу входит давление плюс плотность энергии. То, что она не скучивается значит не то что плотность энергии равняется нулю, а то, что давление приближенно равно минус плотности энергии.

Г.:  То есть, это антигравитация.
А.С.: Это не удачное слово, и я вам сейчас объясню почему. Оно немножко сбивает с толку. Антигравитацией следовало бы называть силу, которая себя ведет также, как гравитация, но с отрицательным знаком. Эта же сила ведет себя по-другому в зависимости от расстояния. Здесь слово сила применяется не совсем буквально. В нерелятивистской интерпретации это бы соответствовало силе, линейно-растущей с расстоянием. Здесь уже сам закон другой. У нее свойства другие. Обычная гравитация – две положительных массы притягиваются, а отрицательные – отталкиваются. А тут, в некотором смысле оказывается, что в местах где есть избыток плотности – энергии отталкиваются, и в местах, где есть недостаток плотности – с равной степенью отталкиваются. И в местах, где в одном месте избыток и недостаток – тоже отталкиваются. Все отталкивается друг от друга, в независимости от того, есть ли там избыток вещества или его нет. Назвать это антигравитацией – не очень точный термин. Это отталкивание – еще один способ сказать про то, что было открыто. И он даже более непосредственно следует из наблюдательных данных. Это говорит о том, что Вселенная сейчас расширяется с ускорением, а не замедленно, как она расширялась на всех предшествующих стадиях.

Вопрос слушателя:
Профессор, скажите пожалуйста, как может расширяться Вселенная, если она бесконечна?
Г.:  На этот вопрос мы не будем отвечать. На моей памяти его задают уже 4 раз. Бесконечна ли? Вот еще в чем вопрос.
А.С.: Это очень просто. В некоторой степени она расширяется сама в себя. Но более конкретно это означает, что расстояние между всеми галактиками растут.

Г.: Мы остановились на том, что она не просто расширяется, а она расширяется с ускорением. Что это означает?
А.С.:  Это значит, что есть закон Хаббла от том, что скорость удаления от далеких галактик пропорциональна расстоянию между ними. И константа – это постоянная Хаббла. Или параметр Хаббла, потому что он от времени зависит. Постоянная Хаббла – это первая производная по времени от масштабного фактора. Вторая производная масштабного фактора Вселенной – ускорение в обычном смысле слова. Мы знаем, что ускорение в обычной механике это вторая производная от координаты. Вот эта вторая производная положительна, а не отрицательна. Это значит, что гравитационные силы действуют не к нам, а от нас.

Г.: Нам известны два свойства этой темной материи. А на основании того, что мы сейчас знаем можно строить прогнозы развития Вселенной? Учитывая уже открытое, какие открытия нас ждут в ближайшее время?
А.С.: У нас теорий много, как все устроено, но между ними сложно сделать выбор. В истории космологической постоянной много кандидатов и как между ними выбрать – непонятно. Нам нужны наблюдения. Что мы ждем от наблюдений в ближайшее время? Это решение вопроса, а действительно ли она строго постоянна или все-таки медленно меняется.
Повторю, что нам сейчас известно. Если мы возьмем момент в прошлом, когда Вселенная была в 2 раза меньше, если бы была строгая космологическая постоянная, то темная энергия должна бы была иметь строго такую же плотность энергии. Что мы сейчас знаем из наблюдательных данных? Что ее плотность энергии если менялась, то слабо. Энергия нерелятивистского вещества была в 8 раз больше, про энергию этого вида материи можно сказать, что если она и была больше, то не более чем на 60%. То есть всего в 1,6 раза. Однако, нам нужна еще большая точность, чтобы что-то сказать. Действительно нужно выяснить, есть ли хотя бы небольшой эффект изменения или нет. Вот действительно что мы ожидаем в ближайший год от новых более точных изменений, идущих и от наблюдений вспышек сверхновых на очень далеких расстояниях, и из наблюдения строения галактик, и из более новых измерений анизотропии температуры этого электроизлучения, о котором я сказал. Это ответ на ваш вопрос. Эта плотность энергии, которая почти постоянна, меняется все-таки или не меняется? А из этого будут следовать предсказания о будущем Вселенной. И тут я хочу подчеркнуть, что не следует верить тому, что Вселенная будет расширяться вечно. Не может быть точного предсказания на бесконечный интервал времени. Как и предсказания погоды не могут быть верными на 1000 лет вперед. Так как Вселенная упорядочена, то очень большая глубина предсказаний надежна. Можно четко гарантировать, что на 20 миллиардов лет вперед со Вселенной ничего страшного не случится. Наши потомки раньше столкнутся с локальными проблемами из-за солнца. А чтобы понять, что будет дальше, нам нужно понять свойства темной энергии. Самый главный вопрос, устойчива она или нет. Это мы ожидаем узнать из будущих более точных наблюдений.