Невидимый дирижёр Вселенной. О тёмной энергии рассказывает академик Валерий Рубаков

Природа темной энергии — возможно главная загадка физики XXI века. Именно темная энергия будет определять дальнейшую судьбу Вселенной. Один из ведущих мировых специалистов в области физики элементарных частиц и космологии, академик РАН Валерий РУБАКОВ рассказал о Вселенной на ранних стадиях, трех сценариях ее будущего и о том, что известно о темной энергии сегодня. 

Справка. Валерий Анатольевич Рубаков — академик РАН, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН, заведующий кафедрой физики частиц и космологии физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова.

– Валерий Анатольевич, для начала напомните, пожалуйста, что такое темная энергия – дайте определение? 

– Давать какие-то определения здесь сложно. Мы знаем на самом деле очень мало про эту субстанцию, которую принято называть темной энергией. Реально мы знаем только то, что растяжение, расширение Вселенной в настоящее время (на протяжении последних нескольких миллиардов лет) происходит с ускорением. Это факт необыкновенный, потому что в рамках общей теории относительности, если Вселенную заполняет обычное вещество, то она должна расширяться с замедлением. А экспериментальный факт, наблюдательный факт, за открытие которого, кстати, в свое время была присуждена Нобелевская премия, говорит об обратном – наша Вселенная расширяется с ускорением, что, казалось бы, противоречит общей теории относительности. И как раз для того, чтобы как-то объяснить это ускоренное расширение, ввели понятие темной энергии: некой необыкновенной субстанции, которая отвечает за это расширение. Вот что мы сегодня понимаем под термином «темная энергия». А что это такое – вопрос отдельный, который пока совершенно непонятен. 

– Есть разные предположения о том, что такое темная энергия. Две популярные гипотезы: темная энергия – это энергия вакуума и темная энергия – это новое фундаментальное поле наравне с электромагнитным или гравитационным полем. А вам какая версия ближе?  

– Такое понятие как энергия вакуума, по существу, в свое время ввел еще Эйнштейн: этот параметр он назвал космологической постоянной. Это число. С точки зрения Эйнштейна, оно характеризует теорию гравитации, но на него же можно смотреть и как на энергию вакуума. Это разные стороны одного и того же явления. Одно-единственное, очень странное число – некая фундаментальная мировая константа, еще одна в дополнение к небольшому числу фундаментальных констант, существующих в мире.

Связь темной энергии с вакуумом вполне возможна, и все экспериментальные данные, которые на сегодня существуют, не противоречат такому представлению. С другой стороны, вполне возможно и то, что это некое новое дополнительное поле, очень слабо взаимодействующее с известными нам частицами. А откуда оно взялось, какова его природа – пока непонятно. Значит, приходится это поле как бы “руками” вводить в теорию. Но такое тоже не исключено.  

Я не могу сказать, что придерживаюсь какой-то конкретной точки зрения. Стараюсь держать глаза открытыми для всего нового. На мой взгляд, вопрос должен решаться на основании новых, более точных экспериментов, более точных наблюдений, связанных с расширением нашей Вселенной в прошлом.  

– Если говорить о прошлом, то мы знаем, что раньше темная энергия в процентном соотношении сильно отставала от нормальной материи. Сейчас Вселенная примерно на 70% состоит из темной энергии, а, скажем, 8 миллиардов лет назад, это было всего 13%. Получается, нормальная материя со временем убывает, а темная энергия начинает превалировать. К чему это может привести в будущем? 

– Для того, чтобы объяснить ускоренное расширение Вселенной, приходится считать, что плотность темной энергии или совсем не зависит от времени, или меняется очень медленно. А наше вещество, обычное вещество, которое заполняет Вселенную, уменьшает свою плотность по мере расширения Вселенной – из-за того, что объем пространства увеличивается. Для обычного вещества плотность массы и плотность энергии – это одно и то же. Такие же свойства имеет темная материя – еще одна компонента, существующая во Вселенной и состоящая из массивных частиц, про которые мы пока мало что можем сказать определенного. 

Из-за этого в сегодняшней ситуации темная энергия доминирует. Да, в прошлом плотность обычного вещества и темной материи была гораздо большей, чем сегодня, а плотность темной энергии была примерно такой же, как сегодня. Поэтому в прошлом, действительно, основной вклад в плотность энергии давали темная материя и обычное вещество. А если пойти на более ранние стадии эволюции Вселенной, то там вклад давало релятивистское вещество: фотоны и нейтрино. Фотоны сейчас – малоэнергичные: их температура составляет всего 2,7 градуса Кельвина. Но когда-то они были более энергичными и давали больший вклад в плотность энергии, чем вещество. 

Вот такая картина была, что сначала доминировали фотоны (и  другие релятивистские частицы), затем стали доминировать наши, нерелятивистские частицы (ядра и частицы темной материи), а потом обнаружилась та самая темная энергия, и в будущем она будет еще сильнее доминировать над обычным веществом и темной материей.  

ТРИ СЦЕНАРИЯ БУДУЩЕГО ВСЕЛЕННОЙ

Будущее Вселенной, в значительной степени, зависит от того, как темная энергия ведет себя со временем. Если она не зависит от времени совсем, то наша Вселенная будет вечно расширяться с ускорением. Таким образом, далекие галактики будут еще сильнее отдаляться от нас, Вселенная будет становиться всё более разреженной, пустой. Немного грустная картина. 

Но есть и другой сценарий. Если плотность темной энергии всё же убывает со временем, то ситуация кардинально меняется. Так, если темная энергия будет убывать и в конце концов дойдет до нуля и станет чуть-чуть отрицательной, то Вселенная в своем расширении остановится и начнет сжиматься. В итоге она сожмется опять в очень горячее плотное состояние с огромной плотностью материи и огромной плотностью радиации: то, что было у нас во Вселенной в далеком-далеком прошлом.  

Есть и третий сценарий. Он экзотический, но тоже возможен. Если плотность темной энергии растет со временем, то тогда Вселенная будет расширяться все быстрее и быстрее, и если эта плотность энергии в конце концов станет огромной, бесконечной, тогда и темп расширения станет огромным, и Вселенную ожидает  совершенно неожиданная судьба под названием «большой разрыв». Планеты улетят от своих звезд, а при более быстром расширении – развалится вещество и на звездах, и на планетах, ведь гравитационных сил не будет хватать, чтобы его удержать. Потом и электроны улетят от ядер атомов – словом, всё развалится на мелкие кусочки.  

Пока мы не можем точно сказать, как именно темная энергия ведет себя во времени и какой сценарий будущего наиболее вероятен. Но есть надежда, что когда-нибудь, с помощью более совершенных методов наблюдения, мы это узнаем.

ПАРАДОКС МАЛЕНЬКОГО ЧИСЛА 

– Может ли быть так, что в каких-то отдаленных частях  Вселенной, за пределами нашей видимости, плотность темной энергии имеет совсем другое значение и другое процентное соотношение в сравнении с материей? 

– Да, такую возможность рассматривают, и вполне серьезно. Это связано с тем, что плотность темной энергии безумно маленькая. По всем меркам физики микромира она принимает невероятно маленькое, но не нулевое, значение. Если точнее, плотность темной энергии – количество энергии в единице объема – такая, какая была бы в «среде», где есть 4 атома водорода в кубометре. Всего 4 энергии покоя протона на кубометр! Настолько мизерная величина, что это вызывает чрезвычайное удивление.  

Если б мы, теоретики, этого не знали, а сидели бы “в башне из слоновой кости” и придумывали, чему равна плотность этой самой темной энергии, то мы бы всё рассчитали, как смогли, и получили число на много-много порядков больше, чем есть на самом деле. 

Это поразительное расхождение теории с экспериментом, которого по идее быть не должно.

Когда у вас есть такие чрезвычайно маленькие числа, причем фундаментальные, то это как-то очень странно – хотелось бы их объяснить, но не получается. 

И вот тут на помощь и приходит идея о том, что это число – значение плотности темной энергии – может быть разным в разных областях гигантской Вселенной. Возможно, темная энергия может принимать и отрицательное значение. И там, где плотность темной энергии большая (отрицательная большая, положительная большая), наше существование невозможно в принципе.  Ведь если есть темная энергия большая и положительная, процесс ускоренного расширения происходит очень быстро и не могут сформироваться ни галактики, ни звезды, ни другие структуры – вообще ничего. Если же плотность темной энергии большая и отрицательная, то вместо ускоренного расширения происходит ускоренное сжатие и опять не хватает времени на то, чтобы сформировать галактики, звезды, планеты. А жизнь, мы с вами, возможна только в той области Вселенной, где звезды и планеты образоваться смогли: в области с маленьким значением плотности темной энергии. Там мы и оказались. 

ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ И ВРЕМЯ 

–  А есть какие-то предположения о том, появилась ли темная энергия вместе с Большим взрывом или существовала ранее, еще на инфляционной стадии? 

– Знаете, это сложный вопрос. Зависит опять-таки от ее природы. Если это какое-то новое поле, то, может быть, оно образовалось, в каком-то смысле, на ранних стадиях эволюции Вселенной – на инфляционной стадии или позже – а затем пришло в то состояние, в котором сейчас находится, и породило темную энергию. Но это необязательно так, ведь если темная энергия – это космологическая постоянная, то она была всегда. То есть темная энергия – это, возможно, еще одна мировая константа. 

– А сами законы физики эволюционируют со временем или они, как и мировые константы, всегда остаются неизменными? 

–  Это тоже вопрос открытый. Пока нет указаний на то, что законы физики меняются со временем. Хотя физики, конечно, народ любопытный и пытаются искать изменения физических законов во времени. Их интересует,  например, возможно ли изменение мировых констант, таких как заряд электрона или гравитационная постоянная. Результат подобных поисков пока отрицательный. Более того, мы довольно уверенно можем говорить, что гравитационные взаимодействия сейчас и всего через одну секунду после Большого взрыва, то бишь почти 14 млрд лет назад, были устроены одинаково. И гравитационные, и ядерные силы, и электромагнитные взаимодействия были устроены так же, как сегодня. 

– Может, мало времени прошло? Всего-то 14 миллиардов лет... 

– Да, не исключено, что со временем физические законы могут как-то поплыть, но пока никаких указаний на то нет. Хотя время от времени появляются сообщения о том, что якобы обнаружено изменение, скажем, заряда электрона. Но до сих пор такие данные оказывались недостоверными. 

НАЗАД В РАННЮЮ ВСЕЛЕННУЮ

– В физике много загадок, какие из них в последнее время вас интересуют больше всего? Например, в одном из интервью вы говорили, что вам не дает покоя вот эта разница значений темной энергии в теории и в реальности. 

– Да, некоторое время назад я этот вопрос пытался решить, но не могу сказать, что я или кто-то другой уже приблизился к решению этой загадки. Новых идей на эту тему у меня, да и не только у меня, нет пока. 

Сейчас мне особенно интересен вопрос о Вселенной до горячей стадии. То, что космическая плазма была когда-то чрезвычайно плотной и горячей, а Вселенная расширялась очень быстро, мы знаем наверняка. Но сейчас ясно, что эта стадия не была первой. Наиболее популярная гипотеза – это стадия инфляции (очень быстрого расширения, раздувания с гигантской плотностью энергии и темпом расширения), которая предшествовала Большому взрыву. Вопрос в том, единственная ли это возможность или могли  реализовываться и другие сценарии? Именно это меня сегодня больше всего интересует, и над такими альтернативами инфляционной модели я сейчас работаю. Это, оказывается, очень непросто.  

Например, такой сценарий. Можно представить, что Вселенная изначально вообще была пустая, плоская и статическая. Расширения никакого не было, а плотность энергии была практически нулевой. Потом потихоньку плотность энергии начала нарастать, и вот, что-то вроде темной энергии, только с растущей плотностью, в этой Вселенной начинает возникать. Из-за того что там появляется плотность энергии, начинает происходить процесс расширения Вселенной. Это всё накапливается: нарастает плотность энергии, увеличивается темп расширения – и это происходит очень долго. Но в какой-то момент плотность энергии становится огромной, как и темп расширения. Тут-то и происходит переход на горячую стадию  – разогрев Вселенной. Это картина, противоположная гипотезе об инфляции. Такой сценарий, конечно, требует нетривиальных усилий, но эта возможность, как мне кажется, очень интересна. И нам с коллегами удалось убедиться, как мы думаем, что такая возможность непротиворечива с точки зрения теории.

ИНФЛЯЦИЯ СТИРАЕТ ПАМЯТЬ О ПРОШЛОМ ВСЕЛЕННОЙ 

–  Столь популярная гипотеза инфляции, предшествовавшей Большому взрыву, подразумевает некие флуктуации вакуума, которые потом раздулись до гигантских размеров, и последовал Большой взрыв? (прим.: флуктуации — колебания, случайные отклонения от среднего). 

– Не совсем. Предполагается, что была стадия очень быстрого экспоненциального расширения, раздувания, когда за очень короткое время микроскопический объем во Вселенной растянулся до размера, гораздо большего, чем видимая область Вселенной. Чтобы создать такую быструю стадию расширения, нужны специальные условия: материя, похожая на нынешнюю темную энергию, но с намного большей плотностью. И вот, энергия, которая заставляет Вселенную раздуваться с гигантским ускорением, должна в какой-то момент перейти в тепло. В результате на горячей стадии впоследствии образовались знакомые нам частицы.

Получается такая картина эволюции Вселенной: сначала очень быстрое раздувание, а потом переход на горячую стадию и сравнительно медленное остывание. 

–  Допустим, инфляционная модель верна, тогда дальше нам нужно опять думать, а что было еще раньше, до инфляции? И так до бесконечности... Или это некое постоянное состояние, до которого ничего быть и не могло? 

– Да, с одной стороны, нужно думать о том, что же было до инфляции. А с другой стороны, что бы вы ни придумали – сейчас проверить невозможно.  

Во время инфляционной стадии Вселенная растягивается так сильно, что всё, что было до того – до этой инфляционной стадии – что бы там ни было, всё забывается. Инфляция как бы замывает память о том, что было до нее. Но думать о предшествующих стадиях вообще стоит, да. 

Может быть, это сейчас нам кажется, что проверить невозможно; но придет время, и мы сможем разобраться и в этом вопросе. 

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ: 

• А.Н. Петров "Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор" Изд-во Век 2, 2013 г. (в особенности гл. 9) 

• Б.Е. Штерн "Прорыв за край мира", Изд-во Троицкий вариант, 2014. (в особенности гл. 13) (Настоящий материал (информация) произведен, распространен и (или) направлен иностранным агентом Автономной некоммерческой организацией для издания научно-популярной газеты «ТРОИЦКИЙ ВАРИАНТ-НАУКА», либо касается деятельности иностранного агента Автономной некоммерческой организации для издания научно-популярной газеты «ТРОИЦКИЙ ВАРИАНТ-НАУКА»)

• Д.С. Горбунов, В.А. Рубаков. Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего Большого  взрыва. Изд. 2-е – М.: ЛЕНАНД, 2016 г. 

• Д.С. Горбунов, В.А. Рубаков. Введение в теорию ранней Вселенной: Космологические возмущения. Инфляционная теория. –      М.: КРАСАНД, 2010 г. 

• Презентация В.А.Рубакова “Загадки Вселенной” 

Источник фото в шапке страницы: Николай Малахин / «Научная Россия»