Угасающая темная энергия может покинуть «болото» невозможных вселенных.

Самая большая в истории трехмерная карта космоса намекает на то, что темная энергия, подпитывающая расширение Вселенной, может ослабевать. Одно из сообществ теоретических физиков ожидало именно этого. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Утром 4 апреля физики собрались в конференц-зале на третьем этаже Джефферсонской лаборатории Гарвардского университета. Распространилась информация о предстоящем важном объявлении от коллаборации DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) — группы физиков, изучающих темную энергию, таинственную, отталкивающую форму энергии, пронизывающую Вселенную. Конференц-зал в Гарварде так заполнился желающими посмотреть прямую трансляцию, что некоторые сели на пол. В конце концов все решили перебраться в более просторный лекционный зал внизу.

Результаты исследования DESI полностью оправдали ожидания. Они показали, что тёмная энергия, которую большинство физиков долгое время считали неизменной, на самом деле может ослабевать.

С 1998 года нам известно, что расширение Вселенной ускоряется. Темная энергия — это название ускорителя. В стандартной теоретической модели космоса темная энергия имеет простую форму: она равномерно распределена в пространстве, сохраняя постоянную плотность во все времена. Темная энергия такого типа, известная как космологическая постоянная, не должна рассеиваться по мере расширения Вселенной. Напротив, по мере роста пространства количество темной энергии растет вместе с ним. И таким образом, эта накапливающаяся энергия расширяет Вселенную с постоянно возрастающей скоростью.

Однако постоянство темной энергии — всего лишь гипотеза, которую и попытался проверить эксперимент DESI. Участники коллаборации сообщили, что к настоящему моменту они нанесли на карту и проанализировали местоположение 6,4 миллионов галактик, чтобы определить, как быстро расширялась Вселенная во времени. (Более удаленные галактики показывают, что Вселенная моложе.) Если темная энергия является космологической постоянной, то ускорение должно оставаться постоянным. Набор данных DESI был недостаточно большим, чтобы проверить это самостоятельно, хотя команда сможет сделать это после того, как нанесет на карту в общей сложности 40 миллионов галактик в течение пятилетнего исследования. Но когда ученые объединили свои данные с другими астрономическими наблюдениями, объединенные наборы данных подтвердили эволюцию темной энергии.

Полученные результаты не достигают уровня статистической достоверности, необходимого для заявления об открытии. В настоящее время DESI называет это «намёком» на возможное ослабление тёмной энергии. Но, по словам Натали Паланке-Делабруй, космолога из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и одного из руководителей DESI, «этот намёк становится сильнее по мере того, как мы начинаем объединять различные наборы данных. И все эти наборы данных, похоже, указывают в одном направлении».

По мере накопления новых данных в течение следующих нескольких лет точность измерений будет расти.

Тем временем теоретики не собираются ждать. Намек DESI на природу темной энергии, которая составляет 70% массы и энергии Вселенной, слишком велик, чтобы оставаться без внимания. Сразу после презентации 4 апреля физики, собравшиеся в Гарварде, вернулись к своим доскам, чтобы обдумать последствия услышанного, как и другие исследователи по всему миру. Они нарисовали кривые, иллюстрирующие, где темная энергия может находиться сейчас и куда она движется в будущем. «Если данные будут подтверждаться, что это значит?» — спросил Алек Бедройя, физик, который в момент объявления посещал Гарвард из Принстонского университета. «Насколько данные DESI совместимы с нашими предположениями?»

Отчасти интрига вокруг новостей о DESI заключалась в том, что Бедройя и некоторые из его коллег уже смело выдвинули гипотезу о том, что темная энергия должна ослабеть.

Ошибка Эйнштейна

Недоумение по поводу темной энергии насчитывает более века. В 1917 году Альберт Эйнштейн ввел космологическую постоянную в уравнения своей общей теории относительности. Он считал, что она необходима для поддержания его модели Вселенной в статичном состоянии — ни сжимающейся, ни расширяющейся, — как он полагал. Однако Эйнштейн испытывал серьезные сомнения по поводу этой постоянной и исключил ее из своих уравнений, назвав это своей «величайшей ошибкой», вскоре после открытия Эдвином Хабблом в 1929 году того факта, что Вселенная действительно расширяется.

Однако Эйнштейн был прав, когда добавил свою космологическую постоянную; просто он сделал это по неправильным причинам. В 1984 году физик Джеймс Пиблз утверждал, что эта отталкивающая форма энергии необходима для противодействия гравитации и соответствия наблюдениям за крупномасштабной геометрией Вселенной.

Аргументы в пользу существования космологической постоянной или чего-то подобного стали неопровержимыми в 1998 году. В том году две независимые группы исследователей показали, что далёкие сверхновые находятся дальше, чем ожидалось, что указывает на ускорение расширения Вселенной. Никто не знал, является ли этим фактором космологическая постоянная Эйнштейна или что-то более сложное, поэтому ему дали расплывчатое название «тёмная энергия».

Что бы это ни было, его фактическая плотность ничтожно мала — настолько мала, что теоретикам трудно было это объяснить. Наиболее простое объяснение того, что представляет собой эта энергия, исходит из квантовой физики, которая давно предсказывает, что пространство должно быть наполнено значительным количеством энергии. Квантовые поля, пронизывающие пространство, колеблются по силе, никогда не оставаясь точно на нуле; частицы постоянно возникают и так же быстро исчезают. Эти квантовые флуктуации должны вносить вклад в энергию окружающего пространства. Но когда физики проводят расчеты, они обнаруживают, что эффект может быть в 10¹²⁰ раз больше, чем наблюдаемое количество темной энергии.

Это назвали «худшим теоретическим предсказанием в истории физики». Расхождение десятилетиями ставит физиков в тупик. Одно из возможных объяснений этой ничтожно малой величины, предложенное покойным лауреатом Нобелевской премии Стивеном Вайнбергом, остается одним из лучших предположений. Аргумент Вайнберга основан на идее, что наша Вселенная может быть частью более крупного ансамбля вселенных, известного теперь как мультивселенная. Он утверждал, что плотность темной энергии может сильно варьироваться в этом ансамбле, возможно, поскольку положительные и отрицательные количества энергии, возникающие в результате квантовых флуктуаций, взаимно компенсируют друг друга в различной степени. И он рассчитал, что наблюдаемое нами значение в этой вселенной, хотя и ничтожно малое, примерно такое же, каким оно могло быть для галактик, сформировавшихся до того, как космическое расширение растянуло всю материю. Сверхнизкая плотность темной энергии является необходимым условием существования людей, которые размышляют над подобными загадками.

квинтэссенция темной энергии

Идея о том, что тёмная энергия изменяется со временем, восходит к статье 1998 года физиков Роберта Колдуэлла, Рахула Дейва и Пола Штайнхардта. Они назвали тёмную энергию такого рода «квинтэссенцией».

Плотность темной энергии может как увеличиваться, так и уменьшаться. Если она уменьшается, возникает наглядная картина, — говорит Колдуэлл, физик из Дартмутского колледжа. Он описал эволюцию как «шар, катящийся с горы». Высота шара отражает плотность темной энергии в любой данный момент. (Если бы темная энергия была космологической постоянной, шар застрял бы на плоском плато.)

Согласно этой модели, тёмная энергия теоретически также могла бы увеличиваться, но такая ситуация кажется неестественной. В этом случае представьте себе шар, катящийся в гору, объяснил Штейнхардт, физик из Принстона. «Это то, чего обычно не увидишь», — сказал он. «Для этого — катления в гору — потребовался бы шар или холм с какими-то экзотическими свойствами и, возможно, странной физикой». Физики называют эту ситуацию «фантомным режимом».

Однако, как ни странно, в апрельской статье группы DESI было высказано предположение, что на протяжении большей части истории нашей Вселенной темная энергия находилась в фантомном состоянии. Лишь недавно, согласно их анализу, она перешла в область обычной квинтэссенции.

Некоторые космологи считают этот сценарий неправдоподобным.

Через неделю после публикации данных DESI Марина Кортес и Эндрю Лиддл из Лиссабонского университета подвергли сомнению интерпретацию фантомной темной энергии. Кортес охарактеризовала сбор и обработку данных DESI как «превосходные», но добавила: «Мы считаем, что гораздо более вероятно, что будущие данные подтвердят космологическую постоянную, чем какая-то странная модель фантомной темной энергии».

В конце апреля три физика предложили космологическую модель, которая соответствовала данным, не переходя при этом в фантомный режим. «Теоретически, это то, чего мы ожидали бы от эволюционирующей темной энергии», — сказал Ким Бергхаус, физик из Калифорнийского технологического института и один из авторов статьи.

Затем, в мае, Штейнхардт и аспирант Принстонского университета Дэвид Шливко пришли к аналогичному выводу. «Хотя группа DESI заявила, что их данные подтверждают наличие фантомной темной энергии, — сказал Штейнхардт, — мы показали, что можно иметь модель квинтэссенции без фантомной темной энергии, которая так же хорошо соответствует данным».

Представление о квинтэссенциальной темной энергии кажется Штейнхардту весьма правдоподобным — даже более естественным, чем космологическая постоянная, которую он считает «странной из-за ее постоянства. Вся суть энергии заключается в том, что ее можно трансформировать из одной формы в другую, и при этом возникают обратные реакции: если изменить одну вещь, это обязательно повлияет на другие». Космологическая постоянная в этом отношении была бы любопытным исключением, сказал Штейнхардт. Никакая другая известная нам форма энергии «не является строго такой — вечно постоянной и не зависящей ни от чего другого».

Темная энергия встречается с болотами

На самом деле, Штейнхардт и многие другие физики уже размышляли над этим вопросом, когда группа DESI сделала свое заявление. Штейнхардт проводил учебный год в Гарварде в рамках Инициативы по изучению болот (Swampland Initiative), исследовательской программы, посвященной выявлению общих принципов и ограничений, которым должна соответствовать любая квантовая теория гравитации. Инициатива, объединившая около 100 исследователей со всего мира, возглавлялась физиком из Гарварда Камруном Вафа, который выдвинул идею болот в 2005 году.

Начиная с 1980-х годов, Вафа внес значительный вклад в теорию струн, которая заменяет точечные объекты физики элементарных частиц крошечными струнами. Колебательные состояния этих струн соответствуют различным частицам и силам природы, включая силу гравитации. Теория постулирует, что струны вибрируют в 10 пространственно-временных измерениях — четырех больших и шести слишком малых, чтобы их можно было увидеть. Геометрическое расположение шести незаметно малых измерений влияет на количество темной энергии в четырехмерном макроскопическом мире, в котором мы обитаем. Хотя теория струн может описывать или не описывать наш мир на фундаментальном уровне, она предоставляет непротиворечивую теоретическую модель того, как квантовая механика и гравитация могут объединиться.

Один из недостатков теории струн, который можно рассматривать как недостаток, заключается в том, что она допускает огромное количество возможных расположений шести крошечных измерений. Каждое из этих уникальных расположений соответствует вселенной с отличительными свойствами. Цель программы «болот» (или «земельных болот»), по словам Вафы, состоит в изучении этих бесчисленных возможностей — наряду с мысленными экспериментами о черных дырах и квантовой гравитации — и попытке выявить общие принципы, которым подчиняются все непротиворечивые вселенные. Эти возможные вселенные составляют «ландшафт». Гипотетические вселенные со свойствами, противоречащими общим принципам, называются «болотами». Наша вселенная должна стоять на твердой почве, поэтому физики пытаются применить принципы, полученные в ходе своих исследований, для выдвижения новых гипотез о самой реальности.

Первое исследование темной энергии на основе теории болот появилось в 2018 году. В нем Вафа и три соавтора обнаружили, что ни одно из надежных решений теории струн, которые они смогли придумать для вселенных с положительными космологическими постоянными, не является стабильным. Это означает, что плотность темной энергии «всегда стремится к снижению», — сказал Вафа. Это соответствует естественной тенденции физических систем к переходу на более низкую энергию. Он и его коллеги вывели формулу, которая точно определяет, как быстро должна снижаться плотность темной энергии — формулу, которой, по их мнению, должна следовать любая непротиворечивая вселенная.

В то время эта работа, казалось, противоречила тому, что физики считали известным о Вселенной, с её предполагаемой космологической постоянной. И некоторые теоретики струн до сих пор утверждают, что стабильные вселенные с положительными космологическими постоянными могут существовать в рамках теории струн; одна из попыток построить такое решение появилась в начале этого месяца. Тем не менее, в свете «намёка» DESI на то, что плотность тёмной энергии действительно падает, предположение Вафы и его соавторов теперь выглядит пророческим.

Транспланковская цензура

Существует ещё один мысленный эксперимент, который ставит под сомнение саму идею вечно неизменной космологической постоянной.

Предположим, что расширение Вселенной ускоряется с постоянной скоростью. В конце концов, расширение становится настолько быстрым, что даже очень маленькие объекты мгновенно взрываются.

В частности, мы можем рассмотреть наименьшее возможное расстояние — «планковскую длину», которая считается наименьшим пространственным приращением, наблюдаемым даже в принципе. Противоположный конец космической линейки — это горизонт Хаббла, расстояние до края наблюдаемой Вселенной, за пределы которого мы ничего не видим. Во Вселенной с положительной космологической постоянной планковская длина должна вырасти до размера горизонта Хаббла лишь через некоторое время — очень много времени. Согласно транспланковской гипотезе цензуры (TCC), сформулированной Бедройей и Вафой в 2019 году и обновленной в прошлом году, этого никогда не должно произойти.

Это утверждение, продиктованное здравым смыслом, сказал Бедройя. «Что-то, что находится за пределами планковской области» — и, следовательно, принципиально ненаблюдаемо — «не должно достигать масштаба, в котором мы можем это наблюдать». И оно не должно достигать масштаба, слишком большого для наблюдения. «Наименьший масштаб длины, который имеет смысл в вашей теории, — сказал он, — не должен превышать наибольшие масштабы длины, которые имеют смысл в вашей теории».

Если предположить, что темная энергия является космологической постоянной, то простой расчет позволит определить, как долго должно продолжаться ускоренное расширение космоса, прежде чем планковская длина начнет выходить за пределы хаббловской длины. Бедройя и Вафа подсчитали, что этот промежуток времени составляет не более 2 триллионов лет. После этого момента темная энергия не сможет вести себя как космологическая постоянная.

Гипотеза TCC допускает два разных сценария. Темная энергия может испытывать медленное, устойчивое снижение. Другая возможность заключается в том, что темная энергия некоторое время остается стабильной, подобно шару, застрявшему в низине или долине на полпути вниз по склону. Но в одно мгновение — которое произойдет где-то через 10 миллиардов — 1 триллион лет — ситуация изменится. В процессе, называемом квантовым туннелированием, шар прорвется сквозь холм, который его удерживал, и немедленно начнет катиться вниз по склону.

Если предварительные результаты DESI подтвердятся, это будет соответствовать варианту 1.

Для Штейнхардта привлекательность исследования болот заключается в том, что оно опирается на различные идеи для построения проверяемых предсказаний о том, какой должна быть Вселенная. Сейчас мы вступаем в режим измерений, отметил он, «где мы можем фактически проверить эти предсказания. Если они верны, мы очень скоро увидим явные признаки изменяющейся во времени темной энергии».

«Самая большая проблема во Вселенной»

Подтвердится ли предположение DESI? Команда уже собрала данные о местоположении галактик за два года, и, по словам Паланке-Делабруйля, анализ этого более обширного набора данных может быть опубликован к весне.

До тех пор многие космологи воздерживаются от окончательных выводов. «Основываясь на имеющихся у нас сейчас данных, я пока не готова полностью отказаться от модели [постоянной темной энергии]», — заявила Лисия Верде, космолог из Университета Барселоны и член DESI.

Но если первоначальные данные DESI подтвердятся, это даст нам важную информацию о темной энергии и ее будущем. «Что еще важнее, — сказал Вафа, — мы можем заключить, что это знаменует начало конца Вселенной. Под «концом» я не имею в виду, что после этого ничего не произойдет. Я говорю о том, что произойдет нечто совершенно отличное от того, что мы имеем сейчас». Возможно, уровень темной энергии будет снижаться, пока не стабилизируется на более стабильном, возможно, отрицательном значении. В этом случае новая Вселенная с новыми законами, частицами и силами заменит нынешнюю.

«Нам отчаянно нужна подсказка», — сказал Колдуэлл. Тёмная энергия — это «буквально самая большая проблема во Вселенной».

Источник: www.quantamagazine.org