Возможно, вы помните, как наука выдумала и верила в 17-18 веках в существование флогистона. Считалось, что это вещество, благодаря которому происходит горение. Впоследствии ученые выяснили, что горение имеет другую природу и никакого флогистона не существует. От флогистона отказались. Современная наука, возможно, также имеет аналог флогистона – это темная материя. Это загадочное вещество десятилетиями беспокоило ученых, но оно может оказаться неправдой. Группа физиков объяснила, почему темной энергии на самом деле может не существовать.
Какую роль темная энергия играет в современной физике?
В 2011 году Нобелевская премия по физике была присуждена Солу Перлмуттеру, Брайану Шмидту и Адаму Риссу за открытие ускорения расширения Вселенной. Они пришли к такому выводу, наблюдая за далекими взрывающимися звездами. Эти далекие сверхновые показали, что космос увеличивался быстрее, потому что чем дальше сверхновые, тем быстрее, казалось, он удалялся от нас.
Но возник вопрос: что заставляет Вселенную расширяться? Действие гравитации наоборот должно сжимать Вселенную или хотя бы тормозить ее расширение.
Этим вопросом ученые занимались еще задолго до Нобелевской премии. Еще в 1998 году наблюдения далеких сверхновых показали, что скорость расширения Вселенной увеличивается, хотя ранее считалось, что гравитация должна замедлять ее.
Самым простым объяснением оказалось выдумать темную энергию. Это то, что наука не может измерить, но темная энергия существенно влияет на будущее Вселенной. Если его действие останется постоянным или будет расти, расширение Вселенной будет длиться вечно, что может привести к так называемой тепловой смерти. В случае более активного нарастания темной энергии возможен сценарий Большого разрыва, когда все структуры во Вселенной разрушаются из-за чрезмерного расширения пространства.
Утверждение о том, что наша Вселенная не только расширяется, но и что это расширение ускоряется, не имеет простого объяснения. Не существует известного типа энергии или материи, которые могли бы это осуществить. Для этого требуется вещество с отрицательным давлением – свойство, которое мы никогда не наблюдали. Действительно, нам даже трудно интерпретировать, что бы это значило.
Несмотря на значительный прогресс в наблюдениях за космосом, природа темной энергии остается загадкой. Неясно, действительно ли это энергия вакуума или, возможно, указывает на необходимость пересмотра наших представлений о гравитации.
Почему предлагается отказаться от темной энергии?
В недавней статье, опубликованной в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, группа астрофизиков из Кентерберийского университета в Новой Зеландии поставила под сомнение открытие, удостоенное Нобелевской премии 2011 года.
Самый простой тип темной энергии – это та, которая постоянна как в пространстве, так и во времени. Эта «космологическая постоянная» в настоящее время является одним из ключевых параметров стандартной модели космологии — лямбда-модели холодной темной материи – наряду с другими параметрами, такими как количество темной материи, типа невидимой материи, которая предположительно накапливается вокруг галактик.
Считается, что космологическая постоянная, если она существует, составляет более двух третей материально-энергетического баланса Вселенной. Мы уже можем видеть последствия: дополнительное расширение затрудняет слипание галактик и уменьшает количество образующихся новых звезд.
Космологическая постоянная также определила бы окончательную судьбу Вселенной, обрекая ее на все более быстрое ускорение, которое охладит вселенную и все в ней до абсолютного нуля — вечной тьмы и холода, при котором невозможно даже движение молекул.
Но эти ужасы, которые предсказывает Стандартная модель с космологической устойчивостью-это просто неправильная модель для Вселенной. При использовании другой физической модели Вселенной нам вообще не нужна темная энергия, даже в форме космологической постоянной.
Чтобы доказать свою версию ошибки существования темной энергии, авторы статьи используют ту же математическую основу, что и астрофизики, а именно общую теорию относительности Эйнштейна.
Согласно этой теории, все типы энергии, включая материю, излучение и давление, искривляют пространство, а кривизна, в свою очередь, влияет на то, как движутся типы энергии. Авторы новой статьи во главе с Антонией Зайферт не подвергают это сомнению. Вместо этого они задаются вопросом, как мы используем математику Эйнштейна.
Поскольку во Вселенной много материи, на практике мы не можем производить расчеты с точным распределением звезд и галактик, которые мы наблюдаем. Их просто слишком много. Поэтому мы значительно упрощаем. Мы говорим, что если усреднить по достаточно большим расстояниям, то звезды и галактики везде распределены одинаково.
Неважно, в какой части Вселенной вы находитесь, она всегда выглядит практически одинаково. Эта идея называется «космологическим принципом», и если мы воспользуемся ею, то перейдем от всеобъемлющей теории общей теории относительности к конкретной модели.
И именно эта модель, лямбда-модель холодной темной материи, требует темной энергии для ускорения расширения Вселенной.
Но, строго говоря, мы уже знаем, что эта модель, конечно, неправильная. Галактики и скопления галактик распределены неравномерно. Они образуют губчатую структуру, если вы можете себе представить губку шириной в несколько десятков миллиардов световых лет, состоящую из галактик и расширяющуюся. На нем есть участки со многими галактиками, в одной из таких мы находимся, но между ними есть большие пустоты.
Это то, на что смотрели авторы новой статьи, – Вселенная, представляющая собой кластеры из заполненных материей областей и пустот. И все эти области взаимодействуют, толкая и притягивая друг друга.
Теперь у нас есть не только губка шириной в несколько десятков миллиардов световых лет, но и губка, которая не везде расширяется с одинаковой скоростью.
Идея сама по себе не нова — она существует столько же, сколько и сама общая теория относительности. Проблема в том, что с ней математически сложно справиться. Это связано с тем , что в общей теории относительности участки различной плотности и пустоты должны быть соответствующим образом подобраны друг к другу, чтобы само пространство оставалось гладким. И среди физиков нет единого мнения о том, как это сделать правильно.
Тем не менее, около 15 лет назад Дэвид Уилтшир — один из соавторов обсуждаемой статьи – выдвинул математическую модель, которая делает именно это. Он назвал это”временной шкалой». Это потому, что, согласно теории Эйнштейна, время течет с разной скоростью в зависимости от количества вещества, содержащегося в той или иной области.
В этой модели временного пространства то, что мы наблюдаем вблизи, на нашем собственном участке космоса, управляется другими законами, чем то, что происходит в среднем на больших расстояниях.
Это очень похоже на то, что события в вашем родном городе могут очень плохо описывать события по всей планете. Нам может казаться, что в нашем районе Вселенной, время течет в обычном ритме, но в нескольких скоплениях галактик на расстоянии от нас время может течь медленнее.
Уилтшир и его соавторы говорят, что идея о том, что Вселенная в целом подвержена ускоренному расширению, является неправильной интерпретацией того, что мы наблюдаем поблизости.
В стандартной космологической модели события на любом расстоянии происходят с одинаковой скоростью во времени, потому что именно так работает эта математическая модель.
В модели Уилтшира это уже не так. Таким образом, мы можем согласовать наблюдения, свидетельствующие об ускорении, с тем фактом, что на большом расстоянии ускорение отсутствует. И все это без необходимости в темной энергии.
Чтобы прийти к такому выводу, группа исследователей сравнила, насколько хорошо лямбда-модель холодной темной материи и модель временного диапазона соответствуют каталогу наблюдений сверхновых звезд.
В модели временного пространства космологическая постоянная не нужна, но вводится новая величина: частица заполненных материей участков Вселенной до пустот. Авторы используют байесовский анализ, который количественно оценивает вероятность того, что модель окажется правильной, и обнаруживают, что временная модель на самом деле лучше соответствует экспериментальным данным.
Это согласуется с предыдущими данными, накопленными за некоторое время, которые ставят под сомнение космологический принцип, лежащий в основе лямбда—модели холодной темной материи, а вместе с ней и темной энергии.
Вот уже несколько десятилетий астрофизики обнаруживают во Вселенной структуры, которые слишком велики, чтобы соответствовать космологическому принципу, такие как: “Великая стена”, совокупность галактик на расстоянии около 1 миллиарда световых лет от нас, длиной более 1,5 миллиардов световых лет; «огромная группа квазаров», протяженностью 4 миллиарда световых лет, и недавно обнаружено большое кольцо, протяженностью 1 миллиард световых лет.
Согласно теории, объясняющей Вселенную наличием темной материи и темной энергии, эти большие структуры не должны существовать. И все же они существуют.
Хотя идея Вселенной с переменным временем интересна и у нее большой потенциал, еще слишком рано объявлять о конце темной энергии.
Анализы, подобные приведенным в обсуждаемой статье, во многом зависят от предположений и используемых данных. Существует вероятность того, что какая-то другая группа ученых сделает другую подборку данных и заявит, что темная материя и темная энергия лучше соответствуют экспериментальным данным. Для решения подобных вопросов нужно время.
Как говорится, все модели неверны, но некоторые имеют практическую пользу. Какой бы ни была реальность темной энергии, она, безусловно, на данном этапе развития науки оказалась полезной для объяснения многих наблюдений, таких как особенности космического микроволнового фона и рост галактических структур.
Потребуется гораздо больше, чем одна статья, чтобы убедить астрофизиков в том, что темная энергия на самом деле полная выдумка, как и в свое время оказался флогистон.
По материалам: Наутилус
