проблема космологической постоянной

Космос расширяется, и это расширение ускоряется. Но что, если в первые мгновения после Большого взрыва гравитация — искривление пространства-времени массивными телами — работала иначе? Авторы новой работы добавили в уравнения Эйнштейна невидимое поле, которое перехватывает энергию у обычного вещества и излучения.

Космологическая стандартная модель — это фундаментальная теоретическая схема, описывающая эволюцию Вселенной, — похожа на рецепт пирога, где всё строго отмерено: тёмная материя — гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитных взаимодействиях, — как мука без комочков (давление ноль), а тёмная энергия — загадочная субстанция…

Холодная чёрная гладь — так миллиарды лет выглядело море тёмной энергии, невидимой субстанции, расталкивающей расширение Вселенной. Но спектрограф DESI зафиксировал едва уловимую зыбь. Застывшие звуковые волны — барионные акустические осцилляции — подсказали: с космическими расстояниями неладно.

10⁻¹²⁰. Это не просто малое число — это пропасть. Именно столько составляет отношение плотности тёмной энергии к планковской плотности, естественному масштабу квантовой гравитации. Колоссальная разница в сто двадцать порядков долго казалась неразрешимой загадкой. Но, возможно, разгадка кроется в спектакле, разыгранном на заре времён.

Квантовая хромодинамика — это теория, описывающая, как кварки и глюоны собираются в протоны и нейтроны. В её уравнениях есть один странный угол, параметр θ (тета).

Квантовый мир часто сравнивают с музыкальным инструментом. Каждая система — будь то атом или цепочка частиц — звучит на своих частотах, которые физики называют уровнями энергии. В хаотических системах, как в оркестре без дирижёра, эти частоты обычно заполняют весь доступный диапазон без пробелов. Но авторы новой работы нашли удивительное исключение.

Когда после Большого взрыва остывающий космос терял первозданную симметрию, в полях возникали напряжения — словно в застывающем стекле вырастают микротрещины. Глобальные монополи, предсказанные Герардом 'т Хоофтом и Поляковым, стали такими же «шрамами» на теле мироздания. Каждый монополь — крошечный, но невероятно массивный узел поля.

В обычном мире без тёмной энергии масса любого тела всегда положительна. Это кажется очевидным: положительная масса притягивает, создавая гравитацию. Но в реальной Вселенной есть тёмная энергия — загадочная сила, заставляющая космос расширяться всё быстрее.

Квантовый вакуум — не мёртвая пустота, а кипящий котёл вероятностей. В некоторых теориях наша Вселенная застыла в метастабильном состоянии: как перегретая вода, она готова взорваться паром от одного толчка. Спонтанное рождение пузыря истинного вакуума — такой толчок: лавина, перекраивающая все физические законы.

Вселенная — это оркестр, играющий симфонию Большого взрыва. Дирижёром долгое время считалась тёмная энергия — незыблемый метроном, задающий темп расширению.

Взрыв далёкой сверхновой рассказал нам то, во что трудно поверить: мир расширяется всё быстрее. Двигателем этого ускорения служит тёмная энергия — почти 70% всего сущего.

Сразу после Большого взрыва Вселенная, возможно, застряла в ложном вакууме — временном состоянии, подобном мыльной плёнке, готовой лопнуть от малейшего возмущения. Затем мог возникнуть редкий пузырь истинного вакуума, растянувший пространство в мгновение ока.

Вселенная расширяется с ускорением — словно тесто, которое поднимается всё быстрее, хотя дрожжи давно кончились. Двадцать лет астрономы ищут причину и называют её тёмной энергией. Но что это такое, остаётся загадкой. Новая работа предлагает неожиданный источник: вакуум внутри атомного ядра.

Вселенную можно представить как мыльный пузырь, раздувающийся в многомерной пене. Модель тёмного пузыря объясняет ускоряющееся расширение космоса: пузырь пространства-времени растёт, и его плёнка приобретает крошечную толщину — порядка микрона, сравнимую с размером бактерии. На таких масштабах гравитация «расплывается» в этой толщине и ослабевает.

Пустой стакан на столе кажется надёжным. Но если в донышке есть микротрещина, однажды он лопнет — не с грохотом, а тихо, разойдясь паутиной линий. Так и вакуум: он может быть не истинным, а ложным — временно устойчивым, но готовым перейти в более глубокое, настоящее состояние.

Обычная чёрная дыра — как печка, которая греет тем сильнее, чем меньше её масса. Крошечная дыра должна раскаляться до немыслимых температур и мгновенно испаряться. Но этот сценарий не учитывает квантовых поправок — того, что происходит, когда сама ткань пространства-времени начинает дрожать.

Космический вакуум — не пустота, а живой океан: его энергия вздымается и опадает, вторя расширению. Словно лунный прилив, плотность вакуума чутко откликается на темп Хаббла — дирижёрскую палочку Вселенной. Этот «бегущий вакуум» не застыл: в нём пульсируют квантовые флуктуации всех полей — от электронных до гипотетических вихрей Великого объединения.

Сжатая пружина лежит годами без движения. Кажется, она застыла навсегда, но внутри металла атомы медленно перестраиваются — и однажды пружина щелкает, переходя в новое, более свободное положение.

Вселенная, словно игроки за карточным столом, подчиняется строгим правилам. Одно из фундаментальных условий: гравитация — всегда притяжение, а энергия не может принимать отрицательных значений.

Надувной шар сначала раздувается медленно, а потом вдруг — всё быстрее и быстрее, словно кто-то подкачивает его изнутри. Примерно так ведёт себя наша Вселенная: галактики разбегаются с ускорением. Виновницу этого разгона называют тёмной энергией. В простейшем варианте она похожа на ровный гул — космологическую постоянную, которая не меняется со временем.

Мироздание — не сплошной монолит, а полотно из бесчисленных квантовых нитей. Пространство-время не течёт как вода, а вибрирует как гобелен на ветру. Долгое время физики видели только общий рисунок, пренебрегая дрожью отдельных нитей. Но если прислушаться, эта дрожь сливается в подобие звука — не слышимого ухом, но похожего на волну в натянутой струне.

Сразу после Большого взрыва пространство раздувалось с немыслимой скоростью — этот процесс называют инфляцией. Сегодня расширение Вселенной замедлилось, но галактики разбегаются всё быстрее.

Долгое время тёмная энергия — загадочная субстанция, ответственная за ускоренное расширение Вселенной — рассматривалась как фундаментальная константа, неизменная во времени и пространстве. Эту ситуацию можно сравнить с дрожжами, которые никогда не теряют своей активности.

Физика часто напоминает строительство гигантского корабля — Вселенной. Инженеры-физики ещё не пришли к единому мнению о базовых чертежах.

Воздушный шарик надувают. Сначала он раздувается быстро, потом медленнее, а потом вдруг — снова быстрее, словно кто-то подкачал насос. Именно это, похоже, происходит с нашей Вселенной. Астрономы из коллаборации Dark Energy Survey (DES) заглянули в прошлое космоса с помощью двух «линеек»: звуковых волн ранней Вселенной и взрывов сверхновых.

Пространство-время иногда напоминает лист бумаги, в котором можно проделать дырку и соединить края короткой трубкой — получится кротовая нора. В самых простых математических моделях таких нор появляются безмассовые скалярные поля — нечто вроде невидимого тумана, заполняющего всё вокруг.

Загадка тёмной энергии — это пропасть. Квантовая теория поля предсказывает плотность в 10¹²⁰ раз больше наблюдаемой. В струнном ландшафте эта бездна обретает очертания — мириады вакуумов с разной энергией, и мы угнездились в одном из них.

Представьте Вселенную как надувающийся воздушный шар: его поверхность расширяется, и галактики, словно точки на резине, удаляются друг от друга. Но квантовая механика накладывает жёсткое ограничение — невозможно одновременно с высокой точностью измерить, насколько этот «шар» велик и как быстро он раздувается.

На резиновый бублик натянута невидимая плёнка — квантовое поле. Пока бублик маленький, плёнка натянута ровно и нигде не провисает: вакуум остаётся пустым. Но стоит растянуть бублик до определённого размера, как в плёнке сама собой возникает вмятина — поле начинает ощущаться в каждой точке. Эта вмятина не случайна.

Если бросить горсть блёсток в реку, одни поплывут прямо, другие закружатся в маленьких водоворотах. С галактиками во Вселенной происходит похожее: они не только разбегаются из-за расширения, но и кружатся в гигантских потоках, словно щепки в невидимых водоворотах.

Два скопления галактик столкнулись, как два роя пчёл, пролетевших друг сквозь друга. Одно из них — знаменитая «Пуля». После столкновения горячий газ, составляющий большую часть обычного вещества, затормозил и остался в центре, а галактики, как маленькие плотные камешки, пролетели дальше. Свет далёких объектов, проходя мимо, искривляется: это видно по искажённым изображениям.

Космологи измерили, с какой скоростью разбегаются далёкие галактики в разных уголках неба. Для этого они взяли два вида «космических линеек»: скопления галактик и взрывы сверхновых определённого типа. Оба способа показали одно и то же: в одном направлении Вселенная расширяется чуть быстрее, чем в противоположном.

Два астронома смотрят на одну и ту же Вселенную, но видят её по-разному. Один измеряет скорость расширения по древнему свету, который летел к нам почти 14 миллиардов лет. Другой — по недавним взрывам звёзд в соседних галактиках. Первый получает 67 километров в секунду на каждый мегапарсек расстояния, второй — 73.

Попытка подавить фоновый шум комнаты добавлением противозвука оборачивается воем динамиков, если в схеме ошибка. Похожий сбой произошёл с теорией, которая бралась убрать главный гул космоса — необъяснимо слабую тёмную энергию.

Вселенная расширяется, но с какой скоростью — вопрос, который не даёт покоя астрономам уже десятилетия. Два способа измерения дают разные ответы, и этот разрыв называют напряжением Хаббла. Одни смотрят на раннюю Вселенную через реликтовое излучение, другие — на близкие сверхновые и цефеиды.

Галактики разбегаются, но скорость расширения, измеренная по свечению после Большого взрыва и по взрывам сверхновых, не совпадает — эту проблему назвали хаббловским напряжением. Словно два танцора, которые сбиваются с ритма, потому что не чувствуют друг друга.

В конце 1990-х годов Сол Перлмуттер, Адам Рисс и Брайан Шмидт, анализируя яркость далёких сверхновых типа Ia, обнаружили неожиданный факт: Вселенная расширяется с ускорением.

Вселенная расширяется всё быстрее, подобно дрожжевому тесту, поднимающемуся на тёплой кухне. Движущая сила этого расширения — тёмная энергия, которую в нашей аналогии можно представить как космический сахар, питающий процесс.

Свет далёких галактик, проходя сквозь массивные скопления вещества, испытывает искажения — подобно тому, как дно бассейна кажется раздробленным из-за ряби на поверхности воды.

В 1930-е годы Вольфганг Паули осознал: без крохотных частиц-призраков энергетический баланс звёзд не сходится. Так в физику вошли нейтрино — почти не взаимодействующие с веществом странники, пронизывающие всё вокруг. Чтобы объяснить их способность превращаться друг в друга (осцилляции), нейтрино должны обладать ненулевой массой.