Пятая революция: концепция отрицательного давления вакуума и темной энергии

В 1998 г. при изучении сверхновых звезд типа 1а, возникающих вследствие взрыва белых карликов, было открыто, что они вопреки закону Хаббла движутся с ускорением. За это открытие С. Перлмуттер, Б. П. Шмидт и А. Рисе получили Нобелевскую премию по физике за 2006 г. Каждое вновь открытое явление нуждается в объяснении, в противном случае оно не становится базисом новых предсказаний. А ведь именно в этом состоит назначение науки — не просто констатировать некоторые явления, а осуществлять эффективные предсказания. Кстати, согласно расчетам, стадия ускорения расширения Вселенной наступила приблизительно 5 млрд лет тому назад.

Итак, как же объяснить ускоряющееся расширение Вселенной? Силами гравитационного притяжения его не объяснить: они не ускоряют, а замедляют расширение. До открытия ускорения расширения Вселенной астрономы полагали, что гравитационные силы притяжения способны даже повернуть расширение вспять. Скопления галактик постепенно замедляются, достигают нулевой скорости, а затем начинают сближаться. Такой сценарий развертывания космических явлений после открытия расширения Вселенной считается маловероятным.

Но если силы гравитационного притяжения не способны обеспечить расширение Вселенной, то разумно предположить, что оно вызывается гравитационными силами отталкивания. Разумеется, они должны продуцироваться некоторыми физическими объектами. Но вновь загадка: какими именно объектами? Возможно, темной материей — довольно загадочным физическим объектом, без постулирования которого невозможно объяснить наблюдаемое движение звезд, особенно их вращение вокруг центра той галактики, к которой они принадлежат. Рассматриваемый тип космической среды называется темной материей постольку, поскольку она не излучает фотоны, ее невозможно увидеть. На существование темной материи указывают также многочисленные эффекты, связанные с существованием гравитационных линз. Они искривляют световой луч подобно тому, как это делает, например, самая обыкновенная оптическая линза с лучом света. В результате действия гравитационной линзы изображение далекого объекта приобретает необычный вид, оно может, например, расслаиваться на несколько изображений.

Природа темной материи пока не раскрыта. Но с большой долей уверенности можно считать, что за ускорение Вселенной ответственна не темная материя. Дело в том, что она способна обеспечить существование некоторого типа гравитационных сил притяжения, но не отталкивания, объяснение которых нас интересует в данном случае.

В поиске источников гравитационных сил отталкивания исследователи обратились к идее А. Эйнштейна, который именно для обеспечения этих сил ввел в уравнения релятивистской теории тяготения величину космологической постоянной лямда (А). Соответствующие уравнения детально рассмотрел А. А. Фридман. Он пришел к выводу, что эффективная плотность гравитационной энергии (р₆) зависит от двух величин, а именно плотности массы (р) и давления (р), согласно формуле.

Надо полагать, эта формула покажется удивительной тому, кто привык гравитационные силы связывать исключительно с признаком массы, который фигурирует в законе тяготения Ньютона. Но он не учитывает наличие безмассовых частиц, например фотонов и нейтрино, которые также участвуют в гравитационных взаимодействиях. Мы привели этот комментарий лишь для того, чтобы подчеркнуть связь феномена гравитации не только с массами. С этой точки зрения для физиков и астрономов нет ничего удивительного в том, что в уравнении (3.3) фигурирует величина давления. Тем не менее рассматриваемая формула выражает удивительные факты. Действительно, она явилась следствием использования представления Эйнштейна о космологической постоянной, призванной описать гравитационные силы отталкивания. Плотность массы обеспечивает силы притяжения. Следовательно, силы отталкивания обеспечивает давление. В случае вакуума (для его обозначения в дальнейшем используется значок V) это обстоятельство получает особенно отчетливое выражение. По определению, вакуум является формой существования энергии, плотность которой всегда независимо от системы отсчета остается одной и той же. Этому условию соответствует выражение.

По определению, вакуум является формой существования энергии, плотность которой всегда независимо от системы отсчета является одной и той же. Этому условию соответствует выражение (3.4). Подставив выражение (3.4) в уравнение (3.3), получаем для эффективной плотности гравитационной энергии вакуума выражение.

Его физический смысл состоит в том, что силы гравитационного отталкивания вызываются отрицательным давлением вакуума.

Естественно, возникает вопрос о природе отрицательного давления. Чем оно отличается от всем привычного положительного давления, оказываемого, например, молекулами газа на ограничивающие его стенки?

Возникновение отрицательного давления часто иллюстрируют рис. 3.1. Если вытягивать поршень из цилиндра, то частицы, находящиеся в нем, — а они считаются скрепленными некоторыми силами связи, например пружинками, — начнут втягивать его обратно. Положительное давление выталкивает цилиндр из поршня, а отрицательное — наоборот, втягивает. Отрицательное давление имеет место в силу того натяжения, которое образуют частицы. Кстати, в твердых телах оно будет больше, чем в газообразных.

Рис. 3.1. Возникновение отрицательного давления:

отрицательное давление представлено стрелочкой Приведенная иллюстрация поясняет различие отрицательного и положительного давления. Но она неудачна, поскольку отрицательное давление притягивает поршень, мы же пытаемся объяснить причину гравитационных сил отталкивания. Нам не остается ничего другого, как подчеркнуть, что отрицательное давление изменяет привычную картину гравитационного тяготения, на первый план выходит не притяжение объектов, а их отталкивание.

Итак, причиной ускорения расширения Вселенной является отрицательное давление гравитационного вакуума. Такой вакуум в специальной литературе часто называется вакуумом Эйнштейна — Глинера. Дело в том, что его теория была существенно уточнена российским физиком Э. Б. Глинером в теперь уже далеком 1965 г. Но его работы оказались весьма кстати при новейших объяснениях ускорения расширения Вселенной, равно как и анизотропии реликтового излучения.

Начиная с 2000 г. стандартной концепцией Вселенной считается CDMмодель (читается — СиДиЭм-модель), CDM — сокращение от Cold Dark Matter (холодная темная материя). В соответствии с CDM-моделью и экспериментальными данными, состав Вселенной представлен на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Состав Вселенной^[1]

Разумеется, состав Вселенной поражает воображение — есть чему удивляться. После многовекового развития астрономия открывает два концептуальных материка, а именно темную энергию и темную материю, природа которых вызывает многие вопросы. Звезды, на первый взгляд являющиеся основным населением Вселенной, составляют лишь несколько десятых ее энергии и массы. Те же элементы, из которых состоит человеческое тело, составляют не более 0,01% Вселенной. Людям предстоит еще изучить очень многое. Будем надеяться, что новое знание позволит нам чувствовать себя во вселенских масштабах более уверенно.

Выводы

• • Ускорение расширения Вселенной невозможно объяснить силами гравитационного притяжения, которые характерны как для обычного вещества, так и для темной материи.
• • У казанное ускорение вызывается отрицательным давлением гравитационного вакуума.
• • На сегодняшний день стандартной космологической концепцией является CDM-модель.

• [1] URL: http://v4vw.nkj.ru/upload/iblock/2d4/2d43feb891672Ial4aad2e6127el56b6.jpg