Российские ученые
показали, что расширением Вселенной управляет физический вакуум,
обнаруженный в 1998 г. по астрономическим наблюдениям. Это
неожиданное открытие открывает новые пути для развития
естествознания и понимания самых глубоких закономерностей
окружающего нас Мира.
Решает ли фундаментальная наука
стоящие перед человечеством проблемы или же приводит только к новым
опасностям? - ответ на этот вопрос зависит от того, насколько далеко
вперед способен заглянуть человек. Все блага цивилизации мы
принимаем как данность, но все они, как и успехи медицины, явились
итогом многих десятилетий и веков работы ученых, занимавшихся
пустячными на взгляд обывателя занятиями, вроде наблюдений за
звездами или за жизнью каких-то козявок. Применение результатов
науки, неконтролируемое учеными, принесло и много тяжелых проблем,
но теперь лишь дальнейшее развитие науки способно нас от них
избавить, равно как и дать новые источники энергии, спасти от
вызовов будущего, - таких, как новые эпидемии или природные
катаклизмы.
Развитие естествознания, рано или поздно
приносящее плоды, необходимые для дальнейшего существования нашей
цивилизации, возможно только если равномерно развиваются все его
отрасли, сколь далекими они не казались бы от теперешних
человеческих нужд. Исследования ядер атомов казались до 1939 г.
никчемной тратой денег; немногочисленные исследователи занимались
этой проблемой только потому, что хотели знать, как устроен мир. Эта
любознательность остается движущей силой науки; проблемы, которые
встают перед ней, определяются внутренней логикой ее развития.
Астрономия, казалось бы, относится к самым отвлеченным от
жизни занятиям, особенно теперь, когда уже ни летчики, ни моряки не
нуждаются в ее услугах. Однако напомним слова Эйнштейна:
"Интеллектуальные орудия, без которых было бы невозможно развитие
современной техники, пришли в основном от наблюдения звезд". В
последние годы развитие теоретической физики (которая в ХХ веке
одарила нас не только бомбой, но и лазерами и всевозможной
электроникой...) стало еще более тесно связано с успехами
астрономии. А в этой науке в самом конце ХХ века началась настоящая
революция, о которой еще мало знает широкая публика. (О ней
расказывается в двух вышедших недавно книгах сотрудников ГАИШ МГУ:
Ю.Н.Ефремов, "Вглубь Вселенной", М., УРСС, 2003; А.М.Черепащук,
А.Д.Чернин, "Вселенная, жизнь, черные дыры", М., Век-II, 2003).
Когда-нибудь - может быть через несколько лет, а может быть
лишь через многие десятилетия - и эта революция принесет
человечеству плоды, об истоках которых к тому времени позабудут, как
забыты почти всеми истоки нашего нынешнего городского комфорта.
Впрочем, у человека существуют ведь и духовные потребности. Давно
сказано, что он отличается от некоторых животных и тем, что способен
иногда поднимать голову к небу и обращать взор на звезды...
* * *
В этой статье мы расскажем о вкладе российских
ученых в развитие космологии последних лет, которое привело к
радикальному изменению наших представлений о Вселенной. Космология,
наука о Вселенной в целом, стоящая на стыке физики
и
астрономии, родилась одновременно с общей теорией относительности.
Из ее уравнений, написанных Альбертом Эйнштейном в 1916 г.
первоначально следовало, что Вселенная не может быть статичной, она
должна расширяться или сжиматься.
Однако испокон веков
философы были уверены в том, что Космос, Вселенная в целом, вечен и
неизменен. Не было и никаких наблюдательных данных, которые
позволяли бы в 1916 г. говорить о расширении Вселенной - да
собственно говоря и Вселенная еще не была открыта. Эйнштейн считал,
что она населена звездами, и наша система Млечного пути охватывает
всю Вселенную. Больших скоростей движения звезд не наблюдалось, и
это давало ему и эмпирические основания добавить в свои уравнения
еще один член - космологическую постоянную, которая должна сделать
Вселенную статичной.
Однако уже в 1925 г. стало окончательно
ясно, что наша звездная система является лишь одной из бесчисленных
таких систем - галактик, населяющих огромную Вселенную (Рис. 1).
Высокие скорости движения по лучу зрения у галактик уже были
известны - линии в спектрах далеких галактик были неизменно сдвинуты
в красную сторону. Это было следствием эффекта Допплера, который
вызывает смещение спектральных линий в длинноволновую (красную)
сторону при удалении от нас наблюдаемых объектов, и в синюю сторону
- при их приближении.
К 1929 г. благодаря работам Эдвина
Хаббла и Милтона Хьюмасона на величайшем тогда в мире 2,5-м
телескопе на горе Вилсон в Калифорнии стало окончательно ясно, что
существует пропорциональность между скоростями удаления галактик и
их расстояниями от нас (на самом деле увеличиваются, конечно, все
расстояния между всеми галактиками) - Вселенная расширяется (Рис.
2). Необходимость в космологической постоянной, какзалось бы, отпала
- Вселенная действительно оказалась нестатичной. Расстояния галактик
R представляются формулой R = Ht, где t - время и H - константа,
названная позднее постоянной Хаббла.
После этого открытия
Эйнштейн назвал введение космологической постоянной своей самой
грубой ошибкой. И вплоть до конца ХХ века крупнейшие физики были
убеждены в том, что в этой постоянной нет необходимости - она равна
нулю. Только теперь мы начинаем понимать, что ошибочным у Эйнштейна
было лишь придание космологической постоянной значения, необходимого
именно для статичности Вселенной. Существование некоей силы, наряду
с обычным тяготением управляющей динамикой Вселенной, было недавно
доказано. После открытия расширения Вселенной (в 1929 г.) и
реликтового излучения, оставшегося от первых тысячелетий расширения
Вселенной (в 1965 г.), это крупнейшее достижение в наблюдательной
астрономии и космологии. Сравнить с ним можно только доказательство
наличия сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик.
* *
*
Выбор между космологическими моделями, описывающими
Вселенную в целом можно сделать при сравнении с наблюдениями
теоретических зависимостей между красным смещением и расстояниями
далеких объектов с известной светимостью: при больших красных
смещениях должны появиться особенности, которые должны сказать -
ускоренно, равномерно или замедленно идет расширение Вселенной. И
это в принципе может дать величину космологической постоянной.
Основная трудность в применении этого способа связана с
необходимостью иметь надежные данные о максимально далеких объектах
с известной светимостью - и в определении этой светимости и тем
самым расстояний. Долгое время единственными объектами, вроде бы
удовлетворяющими этим требованиям оставались ярчайшие галактики в
богатых скоплениях, светимость которых можно считать примерно
одинаковой. Однако оставались серьезные проблемы, связанные в
частности с тем, что наиболее далекие галактики мы видим на
миллиарды лет более молодыми, чем галактики наших окрестностей (Рис.
3).
Конечно, еще более серьезной оставалась проблема начала
расширения - экстраполяция его назад приводит к выводу, что
миллиарды лет назад все вещество Вселенной было сосредоточено в
точечном объеме. Сам Хаббл испугался этого непреложного вывода из
своего открытия и считал возможным старение фотонов - уменьшение их
энергии (и стало быть увеличение длины волны) на их пути из глубин
Вселенной. Однако это предположение влечет ряд следствий, которые не
согласуются ни с теорией, ни с наблюдениями.
На фоне этой
сверхпроблемы долгое время оставалась незамеченной другая. Согласно
существовавшей теории, космологическое расширение в однородном и
изотропном мире происходит по линейному закону, если мы мы уходим на
расстояния, на которых скорость этого расширения пространства
превышает скорости галактик, обусловленные их движением при
гравитационном взаимодействием с соседними галактиками. Хаббл
располагал данными лишь до расстояний (в современной шкале) около 20
Мегапарсек (~60 тысяч световых лет), самые далекие его галактики
были членами скопления галактик в созвездии Девы. Тем не менее Хаббл
нашел, что скорости удаления галактик линейно зависят от расстояния,
хотя мы знаем теперь, что однородность распределения галактик в
пространстве и изотропность их скоростей наступают лишь на масштабах
100 - 300 Мегапарсек. И вот оказывается, что и на этих расстояниях
постоянная Хаббла имеет ту же величину, что и на расстояниях в 2 -
20 Мегапарсек.
Лишь в 1972 г. парадоксальность этого
обстоятельства отметил крупнейший американский астроном Аллан
Сендидж, ученик Хаббла. Он подчеркнул также необходимость объяснения
другой странности - наличие скоплений галактик, внутри которых они
быстро двигаются, не вызывает большого разброса в положении галактик
вокруг средней линии зависимости красного смещения от расстояния. В
статье, опубликованной в 1999 г., Сендидж нашел, что локальное и
глобальное значения постоянной Хаббла совпадают с точностью не хуже
10%.
Аналогичные результаты по еще более точным данным были
получены недавно И.Д.Караченцевым и его группой с помощью наблюдений
на 6-м телескопе Специальной астрофизической обсерватории РАН и на
Космическом телескопе им. Хаббла (Рис. 4). Измеренная Караченцевым и
соавторами постоянная Хаббла по данным о галактиках на расстояниях
до 8 Мегапарсек оказалась такой же, как и по данным для самых
далеких галактик. Объяснить этот парадокс Сендидж не мог и заключил,
что "мы так и остаемся с этой тайной". Правда, уже в 1972 г. он
подозревал, что постоянство расширения Вселенной на всех масштабах
обусловлены глубокими космологическими причинами. И это было
правильной догадкой.
* * *
В 90-ые годы стало
выясняться, что гораздо лучшими, чем ярчайшие галактик в скоплениях,
"стандартными свечами" могут служить Сверхновые типа Ia. Это звезды,
вспыхивающие на несколько дней или недель столь ярко, что становятся
сравнимыми по блеску с целой галактикой. Явление сверхновых типа Ia
происходит в тесных системах, состоящих из двух плотных звезд -
белых карликов при обмене веществом между компонентами системы (Рис.
5).
Попытки использовать сверхновые этого типа для целей
космологии начались довольно давно, но наблюдательных данных
нехватало. Проблема состояла в трудности получения наблюдательного
времени на больших телескопах. Комитеты, распределяющие время этих
телескопов, раньше терпеть не могли заявки на работы типа поисков,
слежения, обзоров; большие телескопы ведь предназначены для изучения
уникальных объектов...
Успех пришел к 1997 г. одновременно к
двум командам. Одна из них была сформирована в 1988 г. в
Национальной лаборатории им. Лоуренса в США и состояла в основном из
физиков, ее возглавил С.Перлмуттер; другую команду, из астрономов,
возглавил в 1994 г. Б.Шмидт, работавший на Обсерваториях Маунт
Стромло и Сайдинг Спринг в Австралии. Эти команды получили доступ к
4-м телескопам на этой обсерватории и на Серро Тололо, а позднее и к
Хаббловскому Космическому телескопу и 10-м телескопу Кека на
Гавайских островах; на последнем получались спектральные данные
(которые, между прочим, показали, что у далеких сверхновых
аналогичные спектральные изменения свершаются медленнее, чем у более
близких, - еще одно доказательство допплеровской природы красного
смещения).
Результаты казались - и некоторым кажутся и
сейчас - невероятными. Далекие сверхновые оказались систематически
более слабыми, чем требовал линейный закон Хаббла и это означало,
что Вселенная расширяется с ускорением и космологическая постоянная
не равна нулю, а имеет положительный знак (Рис. 6). С.Перлмуттер
рассказывает, что после одного из его первых выступлений с
сообщением об открытии, один знаменитый физик - теоретик заметил,
что эти наблюдательные результаты должны быть ошибочными, поскольку
космологическая постоянная должна быть очень близкой к нулю.
Однако о надежности результатов говорила близость
независимых выводов двух команд, тщательно рассмотревших все
возможные источники ошибок. Небольшие различия в максимальной
светимости сверхновых оказалось возможным учесть на основе работ,
выполненных еще в 1970-ых годах Ю.П.Псковским (ГАИШ МГУ) - эти
различия зависят от скорости падения блеска звезды.
В
октябре 2003 года большая международная команда астрономов
подтвердила вывод об ускоренном расширении Вселенной. Они получили
данные о 23 сверхновых, среди которых 7 очень далеких, и это
позволяет уверенно говорить о том, что ускорение расширения
Вселенной не является кажущимся, и что характеристики сверхновых Ia
не зависят от их расстояний и возрастов.
* *
*
Ускоренное расширение Вселенной заставляет некоторых
физиков вводить новую сущность, "квинтэссенцию", новое физическое
поле, для которого эффективная гравитационная плотность отрицательна
и которое, следовательно, способно создать антигравитацию, ведущую к
ускорению расширения Вселенной. Однако классики науки учат нас не
вводить новые сущности без крайней необходимости. Таким же свойством
отрицательного давления обладает космический вакуум, который
присутствует повсюду. Он фигурирует и в физике микромира,
представляя собой наинизшее энергетическое состояние квантовых
полей. Именно в нем происходят взаимодействия элементарных частиц;
реальность физического вакуума бесспорно установлена в нескольких
экспериментах.
Теперь есть все основания считать, что
космологический член в уравнениях Эйнштейна описывает именно
плотность энергии вакуума. Эта плотность постояна во времени и в
пространстве, причем в любой системе отсчета, и она имеет
положительное значение.
Давление вакуума равно плотности со
знаком минус, умноженной на квадрат скорости света, и следовательно,
оно отрицательно, - что и вызывает ускоренное расширение Вселенной,
обнаруженное теперь по данным о далеких сверхновых.
Свойства
вакуума и позволяют объяснить парадокс Сендиджа. Он и его соавторы
(Astrophys. J., V. 590, P. 256, 2003) отмечают, что первыми этом
сделали в 2001 г. Российские и Финские астрономы. Согласно
А.Д.Чернину (ГАИШ МГУ), П.Теерикорпи (Обсерватория Турку) и
Ю.В.Барышеву (АИ СПбГУ) - см. обзорную статью Чернина, (Успехи физ.
наук, т. 171, #11, с. 1153, 2001) - парадоксальные результаты
Сендиджа и Караченцева объясняется тем, что именно вакуум определяет
динамику Вселенной. Крупномасштабная кинематика галактик -
расширение Вселенной - является однородной, регулярной, хотя их
пространственное распределение весьма иррегулярно в тех же объемах.
Это означает, что крупномасштабная динамика галактик управляется
вакуумом, плотность которого начинает превышать плотность вещества
уже с расстояний порядка 1,5 - 2 кпк от нас. Плотность его одинакова
везде и именно она и задает темп расширения - постоянную Хаббла.
Динамический эффект вакуума не зависит ни от движений, ни от
распределения галактик в пространстве. Таким образом, исходя из
объяснения ускоренного расширения Вселенной наличием космического
вакуума, А.Чернин и его коллеги нашли и естественное объяснение
парадокса Сендиджа. Концепция же квинтэссенции остается пока
придуманной ad hoc - она предложена лишь потому, что даваемое
астрономическими наблюдениями значение плотности энергии вакуума
несовместимо с убеждениями многих физиков.
* *
*
Итак, все сходится к тому, что астрономы сумели измерить
величину, о знании которой давно мечтали физики - плотность энергии
вакуума. Результат оказался неожиданным. Ожидалось, что такая
фундаментальная величина должна иметь какое-то выделенное значение,
либо нулевое, либо же определяемое планковской плотностью -
комбинацией из постоянной тяготения, скорости света и постоянной
Планка, имеющей размерность плотности и составляющей 5 х 1093 г/см3.
Однако наблюденное астрономами значение плотности вакуума меньше
планковского на 122 порядка - и все же оно отнюдь не нулевое!
Плотность энергии вакуума составляет около 70% плотности всего
вещества Вселенной. Этот результат следует и из спутниковых
измерений флуктуаций фона реликтового излучения. Он означает, что
Вселенная будет расширяться вечно...
Все это ставит трудные
проблемы перед фундаментальной физикой. В обзорной статье в УФН
А.Д.Чернин приводит аргументы в пользу предположения, что природа
вакуума должна быть как-то связана с физикой электрослабых процессов
при возрасте мира около 10-12 секунды. В эпоху, когда температура
расширяющегося космоса упала до соответствующего этим процессам
значения, возможно и произошел последний по времени скачок (фазовый
переход) в состоянии первичного вакуума, который и обусловил
современное значение плотности космического физического вакуума.
Первичный вакуум - это теоретическое понятие того же уровня
фундаментальности, что и понятия времени и пространства.
Предполагается, что его плотность должна быть близка к планковской
плотности. Никаких наблюдательных данных, подтверждающих его
существование, пока нет, но именно флуктуации первичного вакуума, по
мнению многих теоретиков, дают начало множеству вселенных с самыми
разными значениями физических констант в них. Та из этих вселенных,
параметры которой (на современном этапе!) совместимы с жизнью,
является Нашей Вселенной...
* * *
Итак, Вселенная
состоит на 70% из вакуума, - и лишь 4% приходится на барионы, из
которых состоят звезды и газ. Это также результат последних лет.
Остальные 26% плотности энергии Вселенной дает "холодное темное
вещество", обнаружимое (пока?) лишь по его гравитационному полю.
Носителями этой скрытой массы являются скорее всего еще неизвестные
физике слабо взаимодействующие элементарные частицы. Их усиленно
разыскивают с приборами, расположенными глубоко под землей. Но об
этом уже нет места рассказывать.
Могут сказать, что
астрономы в итоге XX века оказались у разбитого корыта? Но нет, мы
взобрались на очередную вершину знания - и увидели с нее новые пики.
Состав Вселенной мы сумели определить, наблюдая звезды, масса
которых составляет лишь около 1% ее полной массы (рис. 7). Это
очередной триумф науки - и доказательство того, что конца науки не
будет, если человечество будет ее поддерживать. И тогда нам не будут
страшны никакие вызовы будущего!
Обнаружен организм с крупнейшим геномом Новокаледонский вид вилочного папоротника Tmesipteris oblanceolata, произрастающий в Новой Каледонии, имеет геном размером 160,45 гигапары, что более чем в 50 раз превышает размер генома человека.