Новое объяснение темной энергии: виновата материя

Когда 20 лет назад выяснилось, что расширение Вселенной ускоряется, ученые представили этому полное, простое и проверяемое объяснение. Но по мере того, как поступало все больше и больше данных из экспериментов и наблюдений, причина существования темной энергии – предположительно, причины этого ускорения – оставалась неуловимой. Хотя технически она эквивалентна «космологической постоянной» (или энергии, присущей самому пространству), нет никакого способа вывести ее величину. Но если вспомнить, что помещение определенных форм материи в пустое пространство меняют силы, действующие на эту материю, возможно, и темная энергия возникает по очень простому принципу: оттого, что в нашей Вселенной вообще существует материя как таковая.

Карта кластеризации галактик в нашей Вселенной. Наличие этих структур может объяснить присутствие и силу темной энергии целиком и полностью

Большинство сил и явлений имеют истоки, которые легко обнаружить. Два массивных объекта испытывают силу гравитации из-за того, что пространство-время искривляется из-за наличия материи и энергии. Вселенная расширилась, поскольку у нее есть своя история изменений плотности энергии во Вселенной и первоначальные условия расширения. И все частицы во Вселенной взаимодействуют определенным образом из-за вполне известных правил квантовой теории поля и обмена векторных бозонов. От самых маленьких субатомных частиц до самых больших масштабов действуют одни и те же силы, которые движут бозонами и галактиками.

Сильное взаимодействие, которое появляется из-за наличия «смены цвета» и обмена глюонов, удерживает ядра атомов вместе

Даже самые загадочные явления в своей основе хранят объяснения, которые хорошо понятны. Мы не знаем, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии, но знаем, что условия, которые нам для этого нужны, ­– нарушение барионного числа, С и СР-нарушение – имеют место. Мы не знаем, какова природа темной материи, но ее общие свойства, где она находится и как кластеризуется, все это хорошо понятно. Мы также не знаем, сохраняют черные дыры информацию или нет, но понимаем конечное и начальное состояние этих объектов, а также и то, как они рождаются и что происходит с их горизонтами событий со временем.

Иллюстрация черной дыры и ее окружения, ускоряющегося и надувающегося диска аккреции. Начальное и конечное состояние черных дыр может быть хорошо предсказано, даже если потеря или сохранение информации – нет

Но есть одна штука, которую мы вообще не понимаем: темная энергия. Конечно, мы можем измерить ускорение Вселенной и точно понять ее величину. Но почему у нас вообще имеется Вселенная с ненулевой величиной темной энергии? Почему пустое пространство, в котором ничего нет – ни материи, ни кривизны, ни излучения, ничего, – обладает положительное ненулевой энергией? И почему это количество энергии, которое было непостижимо крошечным и совершенно незаметным на протяжении первых миллиардов лет истории Вселенной, начало захватывать Вселенную только к моменту появления в ней Земли?

Иллюстрация протопланетарного диска, в котором формируются планеты и планетезимали, образовывая бреши в диске. Четыре-пять миллиардов лет назад, когда формировалась наша Солнечная система, темная энергия одновременно с тем начинала захватывать расширение Вселенной и плотность энергии

Есть много интересных вещей, которые мы можем связывать с темной энергией и Вселенной в целом. Существует много пустого пространства, которое пронизывают квантовые поля. Не существует областей во Вселенной, куда бы ни проникло гравитационное, электромагнитное или ядерное взаимодействие; они повсюду. Если мы попробуем рассчитать так называемое вакуумное ожидаемое значение (конденсат) различных квантовых полей, мы столкнемся с бесконечным числом членов и сможем записать его лишь приблизительно. Мы всегда будем иметь дело с приблизительными значениями. И насколько нам известно, они не уравновешиваются, а Вселенная не замедляется – она действительно ускоряется. Каким-то образом у самого пространства находится небольшая ненулевая энергия. И эта энергия заставляет далекие галактики во Вселенной удаляться от нас с постоянно растущей скоростью, хоть и медленно, зато постоянно.

Вопрос «почему?» не перестает мучить теоретиков. Почему Вселенная расширяется все быстрее? Мы ничем не можем объяснить наличие этой темной энергии. Возможно, мы плохо понимаем саму Вселенную. Впрочем, есть и другой вариант, о котором редко задумываются: возможно, это свойство пустого пространства определяется присутствием других вещей – вроде материи – во Вселенной.

И есть повод считать, что это возможно, который называется эффектом Казимира. Он хорошо нам известен.

Иллюстрация эффекта Казимира и того, как силы снаружи пластинок отличаются от сил между ними

Какова электромагнитная сила пустого пространства? Нулевая, конечно. В отсутствие зарядов, токов и материи для взаимодействия, она будет нулевой, без шуток. Но если поместить две металлические пластины на определенное расстояние между собой, а затем переспросить, какова будет электромагнитная сила, она перестанет быть нулевой. Из-за того, что некоторые моды квантовых флуктуаций запрещены из-за границ пластинки, мы не только прогнозируем, но и измеряем ненулевую силу между этими пластинками, возникающую буквально из пустого пространства. И что самое интересное, все силы, включая гравитационную, проявляют эффект Казимира.

Карта более миллиона галактик во Вселенной; в каждой точке отдельная галактика. Разные цвета означают дистанции; красные – дальше

Что же происходит, когда мы пытаемся применить этот эффект к целой Вселенной и рассчитать эффект? Ответ прост: мы получаем нечто, что в некоторой форме соответствует темной энергии, только – опять же – другого порядка. И это может быть от того, что мы не знаем в полной мере, какими являются пограничные условия Вселенной или как правильно рассчитать квантово-гравитационный эффект.

Составление карты Вселенной может быть самой легкой частью. Вряд ли мы дождемся наблюдаемого или экспериментального прорыва, который приведет нас к пониманию темной энергии, самой неуловимой силы во Вселенной. Возможно, нам потребуется теоретический прорыв. И, возможно, он будет связан со следовой аномалией, изменением динамической величины или даже следом дополнительных размерностей. Мы только недавно нашли ее самый сложный для объяснения секрет. Возможно, решение будет лежать в уже известной нам физике.