Происхождение Вселенной - читать онлайн книгу. Автор: Стивен Баттерсби cтр.№ 26

Коллективные квантовые волны

Клэр Барридж из Ноттингемского университета (Великобритания) пришла к выводу, что мы можем заняться поисками этого эффекта в лаборатории. Она и ее соавторы намереваются использовать облако холодных атомов, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна, в котором все атомы колеблются согласованно, формируя одну коллективную квантовую волну. Некоторые формы темной энергии должны слегка понижать частоту этого колебания. Ученые планируют разделить конденсат на две части и поместить плотный объект возле одной из них. Если этот объект будет экранировать темную энергию, то колебания в двух частях конденсата потеряют синхронность, и когда две половинки конденсата вновь соединятся, возникнет явление интерференции. Группа ученых под руководством Пола Гамильтона провела похожий эксперимент в Калифорнийском университете в Беркли, но пока не обнаружила свидетельств экранирования темной энергии.

В Вашингтонском университете в Сиэтле группа Йот-Вош (Eöt-Wash) провела эксперимент с торсионным маятником для изучения других форм космического отталкивания. Согласно одной из теорий дополнительные измерения пространства размером менее одного миллиметра могут содержать в себе темную материю, что увеличивает силы гравитации на этих масштабах. Некий тип экранируемой квинтэссенции, названный симметроном, будет порождать дополнительную силу на таких же малых масштабах. Этот крошечный эффект может быть выявлен по едва заметным качаниям маятника Йот-Вош.

Между тем в 2016 году Майкл Ромалис из Принстонского университета и Роберт Колдуэлл из Дартмутского колледжа в Ганновере (штат Нью-Гэмпшир, США) предположили, что если обычные фотоны или электроны могут ощущать, хотя бы и очень слабо, темную энергию, тогда магнитное поле на Земле должно генерировать крошечный электростатический заряд. В принципе этот эффект нетрудно обнаружить при условии, что любой прибор, предназначенный для этой цели, будет обладать высокой точностью.

Мало кто считает, что охота за темной энергией близится к концу. После двух десятилетий упорных попыток выхода из тупика у нас до сих пор нет ключа к решению этой загадки. Но будем оптимистами – по крайней мере у нас есть ключи от тех мест, где этот ключ может лежать.

Стандартная космологическая модель наводит порядок везде – от картины послесвечения Большого взрыва до эволюции галактик. Но ей не обойтись без помощи темной материи – дополнительной невидимой субстанции, составляющей до четверти всего сущего, и темной энергии – таинственной экспансионистской силы, которая, возможно, и является владыкой Вселенной. Однако некоторые утверждают, что темная энергия – всего лишь иллюзия.

В сердце этого конфликта лежит космологический принцип, который утверждает, что Вселенная является более или менее одинаковой, независимо от того, где вы находитесь или куда вы смотрите. Попытки создать работающие модели Вселенной на основе известных своей неуступчивостью уравнений общей теории относительности принесли благотворный результат. С одной стороны, эти уравнения облекают в математическую плоть те параметры, которые искривляют пространство и время: материю, энергию и давление. С другой стороны, у нас есть описание их эффектов: как быстро расширяется пространство-время и насколько оно искривлено. (Пространство-время может быть свернуто само в себя, представляя собой как бы поверхность четырехмерной сферы, что называется положительной кривизной; или оно может быть вывернуто наружу с негативной кривизной; или же оно в целом плоское с нулевой кривизной.)

Построение космологической модели предполагает уравновешивание всех этих параметров для всей Вселенной, т. е. нужно подобрать правильное количество вещества для того, чтобы обеспечить нужное расширение и кривизну. Чтобы легче справиться с этой проблемой, космологи обычно представляют Вселенную однородной, в которой материя и энергия распределены равномерно, а средняя кривизна в общем и целом не меняется в пространстве и времени. Это приводит к решениям уравнений, которые описывают гладкий расширяющийся космос, а это есть стандартная модель Вселенной, возникшей в результате Большого взрыва.

Пару раз модель пришлось корректировать. Открытие факта, что галактики и скопления галактик вращаются слишком быстро для того количества видимого вещества, из которого они состоят, потребовало добавления темной материи в этот «астрономический коктейль». Кроме того, в 1998 году было обнаружено, что расширение происходит с ускорением. Добавьте постоянный или почти постоянный член в модель со стороны материи и энергии, и вы сможете сбалансировать уравнения, воспроизведя плоскую Вселенную с ускоряющимся расширением. Но никто не знает, что собой должна представлять эта константа, хотя модель и требует, чтобы она отвечала почти за 70 % полной энергии во Вселенной.

Именно под эти теоретические устои и подкапываются возмутители астрономического спокойствия. «Отбросьте предположение, что Вселенная однородна и неизменно плоская, – говорят они, – и вам не понадобится ни темная энергия, ни темная материя».

Зерна галактик

Уже в космическом микроволновом фоне мы видим зерна галактик и скоплений галактик, которые со временем полностью сформировались под действием гравитационного притяжения. По мере эволюции Вселенной постепенно образовалась паутина сверхплотных областей, а между ними открылись огромные пустоты с пониженной плотностью.

Каким образом это изменение в распределении материи сказалось на окружающем пространстве-времени? Скрытая масса галактик и скоплений галактик должна увеличивать кривизну близлежащего пространства-времени, делая ее более положительной (рис. 7.2). Между тем пустоты будут влиять на окружающее их пространство-время противоположным образом, сообщая ему отрицательную кривизну.

Французский ученый Томас Бюшер из Лионского университета-1 им. Клода Бернара (Франция) полагает, что результирующая кривизна производит впечатление наличия дополнительной материи. Поэтому и рождается иллюзия существования темной материи. Но с точки зрения Бюшера, это маловероятно. Другие свидетельства приводят к заключению, что темная материя должна существовать; некоторые данные (такие как следы звуковых волн, запечатленные на космическом микроволновом фоне в ранние годы жизни Вселенной) не могут быть объяснены иным способом.

Рис. 7.2. Искривление пространства

Поняв, что от темной материи трудно полностью отказаться, возмутители спокойствия положили глаз на более крупную цель – темную энергию. Финский ученый Сикси Расанен (Syksy Räsänen) из Хельсинкского университета предполагает, что локальные эффекты «обратного влияния», действующие между материей и пространством-временем, могут также менять геометрию Вселенной в целом. По мере того, как материя собирается во все более плотные и компактные структуры, доля пустот во Вселенной увеличивается, смещая среднюю кривизну в область отрицательных значений. Во Вселенной, кривизна которой со временем становится отрицательной, лучи света будут подвергаться искривлению, и все тела будут выглядеть более удаленными, чем в плоском пространстве-времени. Так можно построить модели, в которых не будет ни ускоренного расширения, ни темной энергии.