[Перевод] Уменьшение темной энергии может помочь избежать «болота» невозможных вселенных
Самая большая 3D-карта космоса намекает, что тёмная энергия, которая питает расширение Вселенной, может ослабевать. Некоторые физики-теоретики ожидали именно этого.
Расширение Вселенной ускоряется, но последние данные свидетельствуют, что темп ускорения может уменьшаться.
Утром 4 апреля физики собрались в конференц-зале на третьем этаже в лаборатории Джефферсона Гарвардского университета. Прошёл слух, что будет большое объявление от коллаборации Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), группы физиков, которые исследуют тёмную энергию — загадочную, отталкивающую форму энергии, которая пронизывает Вселенную. Конференц-зал в Гарварде был настолько переполнен людьми, желающими посмотреть прямую трансляцию, что некоторые сидели на полу. В конце концов все решили перейти в более просторный лекционный зал внизу.
Заявление DESI оправдало ажиотаж. Результаты группы показали, что тёмная энергия, которую большинство физиков долгое время считали неизменной, на самом деле может ослабевать.
С 1998 года мы знаем, что расширение Вселенной ускоряется. Возможную причину этого ускорения назвали тёмной энергией. В стандартной теоретической модели космоса тёмная энергия имеет простую форму: она равномерно распределена в пространстве и сохраняет постоянную плотность во времени. Тёмная энергия этого типа, известная как космологическая постоянная, не будет разбавляться по мере расширения Вселенной. Напротив, по мере расширения пространства количество тёмной энергии растёт вместе с ним. И таким образом эта накапливающаяся энергия расширяет Вселенную со всё возрастающим ускорением.
Но постоянство тёмной энергии — это всего лишь гипотеза, которую эксперимент DESI намеревался проверить. Коллаборация сообщила, что на данный момент они нанесли на карту и проанализировали местоположение 6,4 миллионов галактик, чтобы определить, насколько быстро Вселенная расширяется в зависимости от времени. (Более далекие галактики показывают более молодую Вселенную.) Если тёмная энергия является космологической постоянной, то ускорение должно оставаться стабильным. Набор данных DESI был недостаточно большим, чтобы проверить гипотезу. Хотя команда сможет сделать это после нанесения на карту в общей сложности 40 миллионов галактик в течение пятилетнего исследования. Но когда учёные объединили свои данные с другими астрономическими наблюдениями, их результаты свидетельствовали в пользу эволюционирующей тёмной энергии.
Результаты не достигают уровня статистической достоверности, необходимого для заявления об открытии. Сейчас DESI называет это «намёком» на то, что тёмная энергия может ослабевать. Но, по словам Натали Паланке-Делабруй, космолога из Национальной лаборатории Лоуренса в Бёркли и одного из руководителей DESI, «этот намёк становится сильнее, когда мы начинаем объединять разные наборы данных. И все эти наборы данных, похоже, указывают на одно и то же».
Натали Паланке-Делабруй, космолог из Национальной лаборатории Лоуренса в Бёркли, является одним из руководителей группы DESI.
Точность измерений будет повышаться по мере накопления новых данных в течение следующих нескольких лет.
Между тем, теоретики не ждут. Намёк DESI на природу тёмной энергии, которая составляет 70% массы-энергии Вселенной, слишком велик, чтобы его игнорировать. Сразу после презентации 4 апреля физики, собравшиеся в Гарварде, вернулись к своим доскам, чтобы поразмыслить над последствиями того, что они только что услышали. Они нарисовали графики, которые иллюстрировали, где тёмная энергия может быть сейчас и куда она направится в будущем. «Если данные останутся прежними, что это значит?» — спросил Алек Бедройя, физик из Принстонского университета, который посетил Гарвард во время объявления. «Насколько совместимы данные DESI с нашими предположениями?»
Часть интриги вокруг новостей DESI заключалась в том, что Бедройя и некоторые его коллеги уже выдвинули гипотезу, что тёмная энергия должна ослабевать.
Ошибка Эйнштейна
Проблема тёмной энергии насчитывает более столетия. В 1917 году Альберт Эйнштейн ввел космологическую постоянную в уравнения общей теории относительности. Он считал, что необходимо сохранять его модель Вселенной статичной — не сжимающейся и не расширяющейся. Однако у Эйнштейна были серьёзные опасения по поводу этой константы, и он удалил её из уравнений, назвав её своей «величайшей ошибкой», вскоре после того как Эдвин Хаббл открыл в 1929 году, что Вселенная в реальности расширяется.
Однако Эйнштейн был прав, когда добавил свою космологическую постоянную; он просто сделал это по неверным причинам. В 1984 году физик Джеймс Пиблз утверждал, что эта отталкивающая форма энергии была необходима для противодействия гравитации и соответствия крупномасштабной геометрии Вселенной.
Реальность космологической постоянной или чего-то подобного стала неопровержимой в 1998 году. Тогда две независимые команды показали, что далекие сверхновые находятся дальше, чем ожидалось, и это указывает на то, что расширение Вселенной ускоряется. Никто не знал, является ли причиной этого ускорения космологическая постоянная Эйнштейна или что-то более сложное, поэтому ей дали неопределённое название «тёмная энергия».
Dark Energy Spectroscopic Instrument в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне создал самую большую на сегодняшний день трёхмерную карту нашей Вселенной.
Чем бы ни была тёмная энергия, её фактическая плотность ничтожно мала — настолько мала, что теоретики изо всех сил пытаются её объяснить. Самое простое объяснение сущности тёмной энергии исходит из квантовой физики, которая давно предсказывает, что пространство должно быть заполнено значительным количеством энергии. Квантовые поля, пронизывающие пространство, колеблются, 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 делают расчеты, они обнаруживают, что эффект оказывается в 10120 раз больше, чем наблюдаемая плотность тёмной энергии.
Это было названо «худшим теоретическим предсказанием в истории физики». Такое несоответствие сбивало физиков с толку на протяжении десятилетий. Одно из возможных объяснений крошечного значения, выдвинутое покойным лауреатом Нобелевской премии Стивеном Вайнбергом, остаётся лучшим за всё время. Аргумент Вайнберга основывается на идее, что наша Вселенная может быть частью более крупного ансамбля вселенных, теперь известного как мультивселенная. Он утверждал, что плотность тёмной энергии может широко варьироваться по всему этому ансамблю, поскольку положительные и отрицательные количества энергии, исходящие от квантовых флуктуаций, компенсируют друг друга в разной степени. И он подсчитал, что значение, которое мы наблюдаем в этой Вселенной, хотя и ничтожно мало, примерно такой же величины, как и то, которое могли бы иметь ранние галактики. Это те галактики, которые сформировались до того, как космическое расширение растянуло всё пространство. Сверхнизкая плотность тёмной энергии является необходимым условием существования людей, которые размышляют над такими головоломками.
Квинтэссенция тёмной энергии
Идея, что тёмная энергия изменяется со временем, отсылает нас к статье 1998 года физиков Роберта Колдуэлла, Рахула Дейва и Пола Стейнхардта. Они назвали тёмную энергию такого рода «квинтэссенцией».
Квинтэссенция тёмной энергии может либо увеличиваться, либо уменьшаться в плотности. Если она уменьшается, то возникает хороший визуальный образ, сказал Колдуэлл, физик из Дартмутского колледжа. Он описал его эволюцию как «мяч, катящийся с горы». Высота мяча отражает плотность тёмной энергии в любой момент времени. (Если бы тёмная энергия была космологической постоянной, мяч застрял бы на плоском плато.)
Физики Роберт Колдуэлл (слева) из Дартмутского колледжа, Пол Стейнхардт (справа) из Принстонского университета и Рахул Дэйв предложили теорию переменной тёмной энергии, известную как квинтэссенция.
Согласно этой модели, тёмная энергия теоретически может также увеличиваться, но такая ситуация кажется неестественной. Визуальный образ в этом случае будет представлять собой мяч, катящийся в гору, объяснил Стейнхардт, физик из Принстона. Это «то, чего вы обычно не видите», сказал он. «Для этого — чтобы мяч катился в гору — понадобятся мяч или холм с какими-то экзотическими свойствами и, возможно, какая-то экзотическая физика». Физики называют эту ситуацию «фантомным режимом».
Однако, как ни странно, апрельская статья команды DESI предположила, что на протяжении большей части истории нашей Вселенной тёмная энергия находилась в фантомном режиме. Лишь недавно, согласно их анализу, она перешла в сферу нормальной квинтэссенции.
Некоторые космологи считают такой сценарий невероятным.
Через неделю после того, как DESI опубликовала свои данные, Марина Кортес и Эндрю Лиддл из Лиссабонского университета оспорили интерпретацию фантомной тёмной энергии. Кортес охарактеризовал сбор и обработку данных DESI как «превосходные», но сказал: «Гораздо более вероятно, что будущие данные подтвердят космологическую постоянную, чем какую-то странную модель фантомной тёмной энергии».
В конце апреля три физика предложили космологическую модель, которая соответствует данным, не переходя в фантомный режим. «Теоретически это то, чего мы ожидаем от эволюции тёмной энергии», — сказал Ким Бергхаус, физик из Калифорнийского технологического института и один из авторов статьи.
Затем, в мае, Стейнхардт и аспирант Принстона Дэвид Шливко пришли к аналогичному выводу. «В то время как группа DESI заявила, что их данные говорят в пользу фантомной тёмной энергии, — сказал Стейнхардт, — мы показали, что можно иметь модель квинтэссенции без фантомной тёмной энергии, которая так же хорошо соответствует данным».
Понятие квинтэссенции тёмной энергии кажется Стейнхардту в высшей степени правдоподобным — даже более естественной перспективой, чем космологическая постоянная, которую он считает «странной из-за ее постоянства. Всё, что делает энергию интересной, заключается в том, что вы можете преобразовывать её из одной формы в другую, и есть обратные реакции: если вы меняете что-то одно, это должно иметь последствия для других вещей». Космологическая постоянная была бы любопытным исключением в этом отношении, сказал Стейнхардт. Ни одна другая форма энергии, о которой мы знаем, «не является такой — вечно постоянной и не подверженной влиянию чего-либо ещё».
Тёмная энергия и «болото» вселенных
На самом деле Стейнхардт и многие другие физики уже думали об этой проблеме, когда группа DESI сделала своё заявление. Стейнхардт провёл учебный год в Гарварде в рамках инициативы Swampland («Болото»), исследовательской программы, посвященной выявлению общих принципов и ограничений, которым должна соответствовать любая квантовая теория гравитации. Инициативу, которая объединила около 100 исследователей со всего мира, возглавил гарвардский физик Кумрун Вафа, который предложил идею Swampland в 2005 году.
Кумрун Вафа, физик-теоретик из Гарвардского университета, начал программу Swampland — попытку исключить логически противоречивые свойства вселенных.
С 1980-х годов Вафа внёс большой 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 — четыре из них большие и шесть слишком маленькие, чтобы их можно было увидеть. Геометрическое расположение шести малых измерений влияет на количество тёмной энергии в четырёхмерном макроскопическом царстве, в котором мы живём. Хотя теория струн может и не описывать наш мир на фундаментальном уровне, она даёт последовательную теоретическую модель того, как квантовая механика и гравитация могут объединиться.
Один из аспектов теории струн, который можно рассматривать как недостаток, заключается в том, что она допускает огромное количество возможных конфигураций шести крошечных измерений. Каждая из этих уникальных конфигураций соответствует вселенной с отличительными свойствами. Цель программы Swampland, сказал Вафа, состоит в том, чтобы изучить эти бесчисленные возможности — наряду с мысленными экспериментами о чёрных дырах и квантовой гравитации — и попытаться определить общие принципы, которым подчиняются все возможные вселенные. Эти возможные вселенные составляют «ландшафт». Гипотетические вселенные со свойствами, которые противоречат общим принципам, называются «болотом». Наша Вселенная должна стоять на твердой почве, поэтому физики пытаются применять принципы, которые они почерпнули из своих исследований, чтобы генерировать новые предположения о самой реальности.
Первый взгляд на тёмную энергию с точки зрения Swampland появился в 2018 году. В нём Вафа и три соавтора обнаружили, что ни одно из надёжных решений теории струн, которые они смогли придумать для вселенных с положительными космологическими постоянными, не было стабильным. Это означает, что плотность тёмной энергии «всегда стремится упасть», сказал Вафа. Это соответствует естественной тенденции физических систем переходить к более низкой энергии. Он и его коллеги вывели формулу, которая точно определяет, как быстро должна падать плотность тёмной энергии, — формулу, которой, как они утверждали, должна следовать любая реальная Вселенная.
Земля находится в центре этого тонкого среза трёхмерной карты вселенной DESI. Увеличение показывает распределение галактик и пустот.
В то время работа, казалось, противоречила тому, что физики знают о Вселенной с её предполагаемой космологической постоянной. И некоторые теоретики струн всё ещё утверждают, что стабильные вселенные с положительными космологическими константами могут существовать в теории струн; одна попытка построить такое решение появилась в начале этого месяца. Тем не менее в свете «намека» DESI на то, что плотность тёмной энергии действительно падает, гипотеза Вафы и его соавторов теперь выглядит пророческой.
Транспланковская цензура
Есть ещё один мысленный эксперимент, который ставит под сомнение саму идею вечно неизменной космологической константы.
Предположим, что расширение Вселенной ускоряется с постоянной скоростью. В конце концов, расширение становится настолько быстрым, что даже очень маленькие вещи мгновенно взрываются.
В частности, мы можем рассмотреть наименьшее возможное расстояние — «планковскую длину», которая, как считается, является наименьшим в принципе наблюдаемым расстоянием. Противоположный конец космической линейки — горизонт Хаббла, расстояние до края наблюдаемой Вселенной, за которым мы не можем видеть. Во Вселенной с положительной космологической постоянной это лишь вопрос времени — большого времени — прежде чем планковская длина вырастет до размеров горизонта Хаббла. Согласно гипотезе транспланковской цензуры (TCC), сформулированной Бедройей и Вафой в 2019 году и обновлённой в прошлом году, этого никогда не должно произойти.
Это здравый смысл, сказал Бедройя. «Нечто, что является субпланковским» — и, следовательно, принципиально ненаблюдаемым — «не должно достигать масштаба, в котором мы можем его наблюдать». И оно не должно достигать масштаба, который слишком велик для того, чтобы мы могли его наблюдать. «Наименьший масштаб длины, который имеет смысл в вашей теории, — сказал он, — не должен растягиваться, чтобы быть больше, чем наибольшие масштабы длины, которые имеют смысл в вашей теории».
И если тёмная энергия является космологической постоянной, простой расчёт может показать, через какое время планковская длина начнёт выходить за пределы горизонта Хаббла. Это время, которое вычислили Бедройя и Вафа, составляет максимум 2 триллиона лет. Тёмная энергия не может вести себя как космологическая постоянная за границами этой точки.
Гипотеза TCC допускает два различных сценария. Тёмная энергия может испытывать медленный, устойчивый спад. Другая возможность заключается в том, что тёмная энергия остается стабильной в течение некоторого времени, как мяч, застрявший в углублении на полпути вниз по склону. Но в одно мгновение — которое произойдет где-то между 10 миллиардами и 1 триллионом лет с настоящего момента — это изменится. В процессе, называемом квантовым туннелированием, мяч прорвётся через насыпь, которая его ограничивала, и мгновенно начнёт катиться вниз по склону.
Если предварительные результаты DESI подтвердятся, это будет соответствовать первому варианту.
Для Стейнхардта привлекательность этой программы заключается в том, что она опирается на различные идеи, из которых можно делать проверяемые предсказания о том, какой должна быть Вселенная. Сейчас мы на этапе измерения, отметил он, «где мы действительно можем проверить эти предсказания. Если они верны, мы очень скоро увидим явные признаки изменяющейся во времени тёмной энергии».
«Самая большая проблема во Вселенной»
Оправдается ли заявление DESI? Команда уже собрала данные о местоположении галактик за два года, и анализ этого большего набора данных, по словам Паланка-Делабруй, может быть готов к весне.
Но пока многие космологи воздерживаются от суждений. «Основываясь на имеющихся у нас сейчас доказательствах, я пока не готова отказываться от модели постоянной тёмной энергии», — сказала Лисия Верде, космолог из Университета Барселоны и член DESI.
Но если первоначальное открытие DESI подтвердится, оно расскажет нам нечто важное о тёмной энергии и её будущем. «Ещё важнее, — сказал Вафа, — мы можем сделать вывод, 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 что-то ещё, что сильно отличается от того, что мы имеем сейчас». Возможно, тёмная энергия будет падать, пока не установится в более стабильном, возможно, отрицательном значении. И новая Вселенная с новыми законами, частицами и силами заменит нынешнюю.
«Мы отчаянно нуждаемся в подсказке», — сказал Колдуэлл. Тёмная энергия — «буквально самая большая проблема во Вселенной».
Автор перевода @arielf
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
