голографическая тёмная энергия

Медная пластинка размером с монету испаряется под ударом лазера за миллиардные доли секунды. Горячее облако меди врезается в холодный гелий, как струя пара в морозный воздух. На снимках виден чёткий пузырь с тонкими нитями по краям — плазма не расширяется ровно, а распадается на волокна толщиной с человеческий волос.

Вселенная похожа на тесто, которое поднимается в духовке. Галактики разбегаются, и скорость этого разбегания растёт. Чтобы объяснить ускоряющееся расширение, космологи придумали тёмную энергию — загадочную силу, которая расталкивает пространство изнутри. Стандартный рецепт, называемый лямбда-CDM, работает неплохо, но у него есть свои нестыковки.

Гравитация — удивительно слабая сила. Маленький магнит удерживает скрепку вопреки притяжению целой планеты. Физики долго искали причину этой слабости, и одна из догадок уводит нас в скрытые измерения. Возможно, гравитация «растекается» по ним, теряя силу в нашем трёхмерном мире.

Чёрная дыра, остывшая почти до абсолютного нуля, напоминает музыкальный инструмент с единственно возможными нотами. Ударьте по ней — и она отзовётся не любым звуком, а лишь строго определённым набором частот.

Вода превращается в лёд при нуле градусов — резко, без промежуточных состояний. Нечто похожее происходит со сложностью, когда мы берём случайное квантовое состояние целой системы и смотрим только на её часть. Пока эта часть занимает меньше половины системы, её сложность растёт плавно. Но как только доля переваливает за 50%, происходит скачок.

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.

Представьте паровую машину, где вместо стального поршня — горизонт событий, а цилиндром служит само искривлённое пространство. Эта метафора обрела математическую плоть: физики впервые построили полный набор обратимых тепловых циклов с чёрной дырой Шварцшильда, запертой в сферическую полость.

Космологический принцип — утверждение, что Вселенная в больших масштабах однородна и изотропна, — стоит на страже нашего понимания мира со времён Эдвина Хаббла и Жоржа Леметра, чьи идеи легли в основу модели Большого взрыва.

У классической чёрной дыры есть температура и другие термодинамические свойства. Когда физики стали учитывать изменение космологической постоянной — энергии пустого пространства, — в уравнениях возникла странная склейка.

Космологическая постоянная Эйнштейна — досадная ошибка или прозрение, вернувшееся бумерангом? Ускорение Вселенной застало физиков врасплох: ΛCDM работает, но почему энергия вакуума столь нелепо мала? Вообразите океан, штормящий квантовыми флуктуациями, но на поверхности — лишь микроскопическая рябь.

Костёр прогорает не сразу. Если бросить взгляд на пламя в случайный миг, видно лишь мешанину огненных языков — и никогда не понять, что именно сгорело: мокрая ветка, старый журнал или охапка сухой травы. Но стоит наблюдать за костром час за часом, в его пляске проступают ритмы: всплеск жара, затишье, смена цвета. Эти ритмы рассказывают о том, что было брошено в огонь.

В младенческой Вселенной царили квантовые флуктуации — микроскопические помехи, подобные шипению ненастроенного радиоприемника.

Огромный слоёный пирог, где слои теста — это пространство, а начинка — особая область, похожая на невидимую стену. Эта стена не из кирпичей, а из энергии, и она может быть толщиной с целую Вселенную. Если такая стена существует, она должна по-разному растягивать слои теста: те, что лежат вдоль неё, раздвигаются быстрее, а те, что поперёк, — медленнее. Именно такую картину проверили авторы работы.

Маятник сам выбирает, как ему качаться. Если толкнуть его слишком сильно, он быстро вернётся к плавному ритму. Если задержать в крайнем положении — будет стоять, но стоит отпустить, и он снова придёт в привычное движение.

Крошечная чёрная дыра пролетает сквозь облако газа. Она не поглощает его, а наоборот — греет, как утюг, оставленный на мокрой ткани. От неё исходит излучение, и вокруг возникает горячее пятно — область, где температура в сотни раз выше, чем в окружающем космосе.

Брошенный в пруд камень оставляет на воде расходящиеся круги. В квантовой физике роль таких кругов играют уравнения, связывающие свойства частиц. Недавно математики предложили набор таких уравнений для мира без гравитации, но с большим числом «степеней свободы» — примерно как у сложной ряби на воде. Вопрос был в том, откуда они берутся.

Чёрные дыры — не безликие поглотители. Порой они ведут себя подобно воде: способны испытывать фазовые переходы, меняя своё внутреннее состояние, словно лёд, жидкость и пар. Учёные описали это, представив электромагнитное излучение вблизи чёрной дыры как газ.

Магнитное поле способно удерживать звезду от полного сжатия — так работает идея новой чёрной дыры. Вместо привычной точки бесконечной плотности внутри оказывается поле, которое не даёт пространству схлопнуться до нуля. Это похоже на пружину: чем сильнее сжимаешь, тем больше она сопротивляется.

Чёрная дыра похожа на водоворот в реке: всё, что попало внутрь, уже не вырвется. Но есть у неё и внешняя зона — эргосфера, — где само пространство движется быстрее света и увлекает за собой любой предмет. Обычно размер этой зоны жёстко связан с массой и скоростью вращения дыры.

Воздушный шар надувают. Сначала он раздувается медленно, потом кто-то резко доливает воздух — и шар расширяется быстрее. Но вот поток воздуха слабеет, и шар снова начинает раздуваться медленнее. Примерно так, согласно новой работе, вела себя Вселенная: после Большого взрыва она расширялась, потом вдруг ускорилась, а теперь ускорение сходит на нет.

Вселенная расширяется с ускорением, и причиной этого астрофизики считают тёмную энергию — загадочную субстанцию, создающую отталкивающий эффект в масштабах космоса.

Когда две чёрные дыры сталкиваются, они испускают гравитационные волны — рябь пространства-времени — и звенят, словно массивный колокол. Затухающий звук этого звона, или рингдаун (от англ. ringdown — затухающие колебания), несёт отпечаток свойств финальной чёрной дыры.

Учёные предложили модель, в которой загадочная сила — тёмная энергия, ответственная за ускоренное расширение, — обладает чем-то вроде инерции: ей требуется время, чтобы отреагировать на изменения, подобно тому как тяжёлый маятник не сразу меняет своё движение.

Вселенная расширяется, и скорость этого расширения — предмет активных дискуссий в космологии. Ещё почти сто лет назад Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики разбегаются, но современные измерения постоянной Хаббла, характеризующей темп расширения, дают противоречивые значения.

Вселенная расширяется, и делает это всё быстрее. За это ускорение отвечает загадочная тёмная энергия. Долгое время её считали неизменной, как константу в учебнике. Но новые данные с прибора DESI, который снимает спектры миллионов галактик, намекают: тёмная энергия могла быть сильнее или слабее в разные эпохи.

Метод «двойной копии» в теоретической физике напоминает кулинарный приём: представьте, что повар берёт рецепт холодного супа и, продублировав ингредиенты особым образом, получает рецепт горячего жаркого.