Возможна ли темная энергия вообще?
Как сочетаются гравитация и квантовая теория? Ответ на этот вопрос могла бы дать так называемая теория струн. Прозвучавшее летом предположение вызвало немалое возбуждение научной общественности: исключительно на основании этой теории делается вывод, что темная энергия, которую называют причиной ускоренного расширения вселенной, вообще невозможна. Противоречие налицо.
Темная энергия обеспечивает ускорение расширения вселенной. Но допускает ли теория струн такую энергию вообще? © NASA, ESA, H. Teplitz und M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) und Z. Levay (STScI)
На теорию струн возлагаются большие надежды. Именно она должна объяснить, как сочетаются гравитация с квантовой физикой, и как следует понимать законы природы, которыми можно описать весь физический мир - от мельчайших частиц до крупнейших структур космоса. Нередко теорию струн упрекают в том, что она выдает лишь абстрактный математический результат и подтверждает лишь редкие предположения, которые и являются предметом исследования.
Теперь же поддерживающее теорию струн сообщество во всем мире активно обсуждает жгучий вопрос, тесно связанный с космическими экспериментами. При этом речь идет ни много ни мало о расширении вселенной. В 2011 году Нобелевская премия по физике была присуждена за открытие, что вселенная не просто постоянно увеличивается, а расширяется с постоянным ускорением. Этот феномен поддается объяснению лишь при предположении, что участие в нем принимает дополнительная и до сих пор неизвестная темная энергия.
Идея эта изначально принадлежит Альберту Эйнштейну, который добавил такую энергию в уравнения своей общей теории относительности как «космологическую константу». Этим Эйнштейн хотел смоделировать не расширяющуюся вселенную. Но когда Хаббл (не телескоп, а астроном) в 1929 году открыл, что вселенная становится все больше, Эйнштейн назвал такую модификацию своих уравнений «наибольшей глупостью» своей жизни. Но наука - девица капризная. И с открытием того, что вселенная расширяется с постоянным ускорением, космологическая константа снова была возвращена в современную стандартную модель космологии, но уже под термином «темная энергия».
«Долго считалось, что такая темная энергия хорошо вписывается в концепцию Теории струн», - говорит Тимм Вразе из Института теоретической физики Венского университета. Теория струн исходит из того, что существуют дополнительные и неизвестные до сих пор виды частиц, которые можно описать в форме полей. Эти поля имеют состояния минимальной энергии - подобно яблоку, лежащему в миске. И яблоко это будет всегда лежать в самом низу, в самой глубокой точке миски. В любой другой точке его энергия была бы большей, так как оно должно было бы затратить энергию, чтобы покинуть такую самую глубокую точку.
Но это ни в коем случае не значит, что в самой глубокой точке яблоко вообще не имеет никакой энергии. Можно поставить миску с яблоком на пол или выше, на поверхность стола. Но хотя там оно будет иметь больше энергии, оно все равно будет не в состоянии пошевелиться, так как в своей миске яблоко локально находится в состоянии минимальной энергии. «Примерно так можно описать в теории струн и поля, которыми возможно теоретически объяснить темную энергию - они находятся в локальном энергетическом минимуме, но при этом энергия все же имеет значение, которое больше нуля» - говорит Вразе. - «Таким образом, эти поля могут поставлять темную энергию, существованием которой и можно объяснить ускоряющееся расширения вселенной».
Но Камран Вафа из Гарвардского университета, один из наиболее известных в мире теоретиков теории струн, опубликовал 25 июня статью, которая буквально взорвала научный мир. В этой статье он выдвинут предположение, что такие «мископодобные» поля с позитивной энергией в теории струн просто невозможны. Вразе же моментально понял масштабы такого утверждения. «Если это соответствует действительности, то ускоряемое расширение, как мы его себе представляли до сих пор, просто не может существовать», - заявил он. - «Но тогда должно иметь место поле с совершено иными свойствами, сравнимое со слегка покатой поверхностью, по которой вниз катится шар, теряя при этом потенциальную энергию».
В этом случае вклад темной энергии изменялся бы с течением времени, а ускоренное расширение вселенной в какой-то момент, возможно, вообще бы остановилось. И тогда гравитация принялась бы снова стягивать всю материю и собирать ее в одной точке, в которой произошел Большой взрыв. Но Вразе, который занимался этими вопросами в своей докторской диссертации, заявил, что такое возражение не может стать истиной в последней инстанции. «Предположение Камрана Вафы, которое отрицает определенные виды полей, одновременно и автоматически отрицает и другие вещи, о которых мы точно знаем, что они существуют,» - возмущается он.
Вразе удалось показать, что и механизм Хиггса (поле Хиггса) имеет свойства, которые, если принять предположения Вафы, существовать не могут. А ведь при этом механизм Хиггса считается экспериментально подтвержденным фактом, за что в 2013 году и была присуждена Нобелевская премия по физике. Вразе выложил все результаты своих рассуждений и расчетов на онлайн-платформе, и с тех пор в сообществе сторонников Теории струн ведутся жаркие дискуссии, в которых ученые мужи слов для аргументации особо не выбирают.
Наконец, работа была проверена независимыми экспертами и опубликована в известном журнале Journal Physical Review. «Это расхождение во мнениях является очень хорошим делом для теории струн»,- уверен Вразе. - «Совершенно неожиданно у очень многих появились новые идеи в отношении вопросов и проблем, о которых раньше просто никто не задумывался».
Теперь Вразе изучает со своей командой, какие поля допускает теория струн, и в каких точках они противоречат предположению Вафы. «Возможно, что это приведет нас к захватывающим новым открытиям о природе темной энергии, и это стало бы огромным успехом», - надеется Вразе. Гипотезы, возникающие при этом, будут, как минимум отчасти, уже очень скоро проверены экспериментально. И ускоренное расширение вселенной в последующие годы будет исследоваться более масштабно и точно, чем это делалось до сих пор.