Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
Шрифт:
Когда звезды исчерпывают свое ядерное горючее, направленное наружу давление от ядерной реакции в ядре звезды уменьшается и звезда начинает схлопываться под своим собственнам весом. Ядро звезды рушится в себя, его температура быстро возрастает, что временами приводит к гигантскому взрыву, который сдувает внешние слои звезды в сверкающей демонстрации небесного фейерверка. Такой взрыв известен как сверхновая; на период в неделю отдельная взорвавшаяся звезда может сиять так же ярко, как миллиард солнц. Это в полном смысле слова поражает воображение: отдельная звезда сияет так же ярко, как вся галактика! Различные типы звезд – различных размеров, с разным относительным содержанием различных атомов и так далее – дают начало различным видам взрывов сверхновых, но много лет назад астрономы осознали, что определенные взрывы сверхновых всегда, оказывается, сияют с одинаковой внутренней яркостью. Это взрывы сверхновых типа 1а.
В типе сверхновых 1а белая карликовая звезда – звезда, которая исчерпала свои ресурсы ядерного топлива, но имеет недостаточную массу, чтобы зажечь взрыв сверхновой из себя самой, – всасывает поверхностный материал из находящейся
22. На самом деле имеются некоторые разногласия в отношении того, в этом ли механизм, стоящий за всеми типами сверхновых (я благодарю Д. Спергеля, обратившего мое внимание на это), но однородность этих событий – которая и нужна нам для обсуждения – находится на прочном наблюдательном основании.
В 1990е две группы астрономов, одна под руководством Саула Перлмуттера в Лоуренсовской Национальной Лаборатории в Беркли, а другая под руководством Брайана Шмидта в Австралийском Национальном Университете провели определение торможения, – а отсюда и полной массы/энергии – вселенной путем измерения скоростей удаления сверхновых типа 1а. Идентификация того, что сверхновая принадлежит к типу 1а, является явной и непосредственной, поскольку свет, генерируемый ее взрывом, следует характерной картине пирамидального роста, а затем пологого падения интенсивности. Но на самом деле поймать тип 1а сверхновой на месте преступления является не малым подвигом, поскольку они происходят только раз в несколько сотен лет в типичной галактике. Тем не менее благодаря инновационной технологии одновременного наблюдения тысяч галактик через широкополосные телескопы, команды смогди найти около четырех дюжин сверхновых типа 1а на раздичных расстояниях от Земли. После старательного определения расстояния и скоростей удаления каждой обе группы пришли к совершенно неожиданому заключению: всегда с момента, когда вселенной было около 7 миллиардов лет, темп ее расширения не тормозился. Вместо этого темп расширения возрастал.
Группы пришли к заключению, что расширение вселенной замедлялось первые 7 миллиардов лет после первичного раздувания вовне, почти как автомобиль тормозится, когда он приближается к пункту оплаты на автостраде. Это было, как и ожидалось. Но данные обнаружили, что подобно водителю, который нажимает на педаль газа после преодоления контрольного прохода в пункте оплаты, расширение вселенной с тех пор ускоряется. Темп расширения пространства через 7 миллиардов лет после Взрыва был меньше, чем темп расширения через 8 миллиардов лет после Взрыва, который был меньше, чем темп расширения через 9 миллиардов лет после Взрыва, и так далее, все из которых меньше, чем темп расширения сегодня. Ожидаемое торможение пространственного расширения переключилось на неожиданное ускорение.
Но как так может быть? Ну, ответ обеспечивает подтвержденное второе мнение относительно пропавших 70 процентов массы/энергии, которых физики разыскивали.
Пропавшие 70 процентов
Если вы обратитесь мысленно к 1917 и введению Эйнштейном космологической постоянной, вы получите достаточно информации, чтобы выдвинуть предположение, как это может быть, что вселенная ускоряется. Обычная материя и энергия дает начало обычной притягивающей гравитации, которая замедляет пространственное расширение. Но, поскольку вселенная расширяется и вещи все более отделены друг от друга, это космическое гравитационное притяжение, хотя и продолжает замедлять расширение, становится слабее. А это приводит нас к новому и неожиданному повороту. Если вселенная имела бы космологическую константу, – и если ее значение составляло бы точно нужную, небольшую величину, – то примерно до 7 миллиардов лет после Большого взрыва ее гравитационное отталкивание перекрывалось бы обычным гравитационным притяжением ординарной материи, давая общее замедление расширения в соответствии с данными опыта. Но затем, когда обычная материя рассеялась и ее гравитационное притяжение ослабло, отталкивательное воздействие космологической констансты (чья величина не изменяется, когда материя рассеивается) должно было постепенно взять верх, и эра замедляющегося пространственного расширения должна была смениться эрой ускоренного расширения.
В конце 1990х такие рассуждения и углубленный анализ данных был проведен обеими группами Перлмуттера и Шмидта, чтобы навести на мысль, что Эйнштейн не был неправ восемьдесят лет назад, когда он вводил космологическую постоянную в гравитационные уравнения. Вселенная, предположили обе группы, имеет космологическую постоянную. [23] Ее величина не та, которую предлагал Эйнштейн, поскольку он гнался за статической вселенной, в которой гравитационное притяжение и отталкивание точно уравнивались бы, а эти исследователи нашли, что миллиарды лет отталкивание доминирует. Но несмотря на такие детали, что открытие групп Перлмуттера и Шмидта должно изучаться до достижения полной проверки правильности и завершающиеся исследования сейчас на полном ходу, Эйнштейн еще раз увидел сквозь фундаментальные свойства вселенной такое, которое опередило свое время более чем на восемьдесят лет, когда это свойство было
23. Интересно заметить, что годами ранее результатов по сверхновым провидческие работы Джима Пиблза из Принстона, а также Лоуренса Краусса из Университета Case Western, Кливленд, Майкла Тернера из Университета Чикаго и Гэри Стейгмана из Огайо предположили, что вселенная может иметь малую ненулевую космологическую константу. В то время большинство физиков не приняли это предположение слишком серьезно, но теперь с данными по сверхновым отношение существенно поменялось. Также заметим, что ранее в главе мы говорили, что расталкивание от космологической константы может быть выражено Хиггсовым полем, которое подобно лягушке на плато, возвышается над своей конфигурацией с минимальной энергией. Так что, поскольку космологическая константа хорошо подходит к данным, более точно исследователи сверхновых заключили, что пространство должно быть заполнено чем-то подобным космологической константе, которое генерирует направленное вовне расталкивание. (Имеются пути, в которых Хиггсово поле могло бы сгенерировать долгодействующее расталкивание, в противоположность короткому взрыву в ранние моменты инфляционной космологии. Мы обсудим это в Главе 14, когда будем рассматривать вопрос о том, на самом ли деле данные требуют космологической константы, или всем требованиям могут отвечать некоторые другие сущности со сходными гравитационными последствиями). Исследователи часто используют термин "темная энергия" как обобщающую фразу для ингредиента вселенной, который невидим для глаз, но заставляет любой регион пространства отталкиваться от любого другого, вместо того, чтобы притягиваться.
Скорость убегания сверхновых зависит от разницы между гравитационным притяжением обычной материи и гравитационным отталкиванием "темной энергии", заменяющей космологическую постоянную. Принимая количество материи, как видимой, так и темной, около 30 процентов от критической плотности, исследователи сверхновых пришли к заключению, что ускоренное расширение, которое они наблюдали, требует направленного вовне отталкивания космологической постоянной, чья темная энергия дает вклад в критическую плотность около 70 процентов.
Это поразительное число. Если это верно, тогда не только ординарная материя – протоны, нейтроны, электроны – составляют жалкие 5 процентов от массы/энергии вселенной, и не только некоторая, на сегодня неидентифицированная форма темной материи составляет, по меньшей мере, в пять раз больше этого количества, но также львиную долю массы/энергии во вселенной составляет полностью отличающаяся и еще более таинственная форма темной энергии, которая распределена по всему пространству. Если эти идеи верны, они драматически продолжают революцию Коперника: мы не только не являемся центром вселенной, но даже материя, из которой мы сделаны, подобна обломкам, плавающим в космическом океане. Если протоны, нейтроны и электроны были бы удалены из великого творения, полная масса/энергия вселенной почти не уменьшилась бы.
Но имеется вторая, равно важная причина, почему 70 процентов является замечательным числом. Космологическая константа, которая дает вклад 70 процентов в критическую плотность, будет вместе с 30 процентами, приходящимися на ординарную материю и темную материю, давать полную массу/энергию вселенной точно равную полным 100 процентам, предсказываемым инфляционной космологией! Так что направленное наружу оттталкивание, продемонстрированное данными по сверхновым, может быть объяснено именно тем правильным количеством темной энергии для оценки невидимых 70 процентов вселенной, что вызывало недоумение в инфляционной космологии. Измерения сверхновых и инфляционная космология изумительно дополняют друг друга. Они подтверждают друг друга. Каждое направление обеспечивает подтвержденное второе мнение для другого. [24]
24. Темная энергия является наиболее широко принятым объяснением наблюдаемого ускоренного расширения, но выдвигались и другие теории. Например, некоторые предположили, что данные могут быть объяснены, если сила гравитации отличается от обычной силы, предсказанной ньютоновской и эйнштейновской физиками, когда рассматриваемый масштаб расстояний становится экстремально большим – космологического размера. Другие еще не убедились, что данные показывают космическое ускорение, и ожидают проведения более точных измерений. Важно держать в уме эти альтернативные идеи, особенно когда будущие наблюдения должны дать результат, который профильтрует текущие объяснения. Но в настоящее время имеется широкий консенсус, что теоретические объяснения, описанные в главном тексте, самые убедительные.
Объединяя наблюдаемые результаты по сверхновым с теоретическими предсказаниями инфляции, мы, таким образом, достигаем следующего эскиза космической эволюции, обобщенного на Рис.10.6. Сначала энергия вселенной переносилась полем инфлатона, которое было возвышено от своего состояния минимальной энергии. Вследствие своего отрицательного давления поле инфлатона вызвало гигантский взрыв инфляционного расширения. Затем, примерно на 10–35 секунды позднее, когда поле инфлатона сползло вниз в своей чаше потенциальной энергии, взрыв расширения подошел к концу и инфлатон избавился от своей сдерживаемой энергии, отдав ее на производство ординарной материи и излучения. Много миллиардов лет эти привычные составляющие вселенной оказывали ординарное притягивательное гравитационное воздействие, которое замедляло пространственное расширение. Но когда вселенная выросла и истончилась, гравитационное поле уменьшилось. Около 7 миллиардов лет назад ординарное гравитационное притяжение стало достаточно слабым, чтобы гравитационное отталкивание космологической константы вселенной стало доминировать, и с тех пор темп пространственного расширения постоянно возрастает.