Всесвіт п’ятої сутності — квінтесенція
Джермія Острайкер і Пол Стейнхардт
Віднедавна невідоме енергетичне поле почало керувати Всесвітом та прискорювати його розширення.
Про авторів
Джоремін Острайкер і Пол Стейнхардт, обидва професори у Прінстонському університеті, співпрацюють останні шість років, їхнє передбачення прискореного розширення в 1995 р. випередило переломні результати з Наднових на кілька років. Острайкер належав до перших людей, хто вказав на визначальну роль темної матерії і важливість гарячого міжгалактичного газу. В 2000 р. його нагороджено Національною медаллю за наукові досягнення Сполучених Штатів Америки. Стейнхардт був серед творців теорії інфляції і концепції квазікристалів. Він заново увів термін «квінтесенція», бо саме цей термін його молодший син Віл і дочка Сінді вибрали серед кількох альтернатив.
Джерело: Світ Науки, №2(8) 2001, спецвипуск: Величний космос, с. 116—123.
Вміщено на Українському астрономічному порталі з дозволу Олександра Завадки, Видавничий Дім «НАУТІЛУС».
Усе вже завершилось, і чути лише відголоси? Ми пізнали Космос, окрім хіба що дрібниць? Кілька років тому все ніби вказувало на те. Після століття жвавих обговорень науковці дійшли спільних поглядів на основні віхи історії Всесвіту. Все почалося з газу і випромінювання за таких значень температури і густини, що не уявиш. 15 мільярдів років усе це розширювалось і охолоджувалось. Галактики та інші складні утворення виросли з мікроскопічних зародків — квантових флуктуацій, які розтягнуло до космічних розмірів за короткий період «інфляції». Ми також зрозуміли, що тільки мала частина речовини складається зі звичайних хемічних елементів, які зустрічаємо у нашому повсякденні. Більшість складається з так званої темної матерії, в основному екзотичних елементарних частинок, що не взаємодіють зі світлом. Багато загадок ще залишилось, але принаймні в загальній картині ми розібрались.
Або принаймні ми так думали. Виявляється, що пропустили більшу частину історії. Спостереження останніх п’яти років переконали космологів у тому, що хемічні елементи і темна матерія разом становлять менше половини маси-енергії Всесвіту, а основну її частину — всюдисуща «темна енергія», що володіє дивною і цікавою рисою: їїгравітація не притягує. Вона відштовхує. У той час як звичайна гравітація стягує хемічні елементи і темну матерію в зорі та галактики, ця розкидає темну енергію в приблизно однорідну імлу, що пронизує простір. Всесвіт — це поле битви поміж двома тенденціями, і гравітація відштовхування перемагає. Вона поступово переважає силу притягання звичайної речовини, змушуючи Всесвіт збільшувати швидкість розширення і, можливо, ведучи до нової інфляційної епохи та зовсім іншого майбутнього для Всесвіту, аніж передбачала більшість космологів десятиліття тому.
Донедавна космологи зосереджували зусилля лише на доведенні самого існування темної енергії. Переконавшись в її існуванні, вони звернули увагу і на глибшу проблему: а звідки ця енергія походить? Найпоширеніша відповідь: ця енергія притаманна самій матерії простору. Навіть якщо б простір був цілком порожнім, без крихти речовини і випромінювання, він все одно б містив цю енергію. Енергія такого роду — поняття старе, і винайдене ще в часи Альберта Ейнштейна за його спроби в 1917 р. побудувати статичну модель Всесвіту. Ейнштейн, як і багато провідних учених протягом століть, включно з Ісааком Ньютоном, вірив, що Всесвіт незмінний й ані не стискається, ані не розширяється. Щоб досягнути незмінності Всесвіту в своїй загальній теорії відносності, він змушений був увести енергію вакууму, або, за його термінологією, космологічну постійну, — налаштувавши значення постійної так, щоб її гравітаційне відштовхування точно зрівноважувало гравітаційне притягання речовини.
Пізніше, коли астрономи встановили, що Всесвіт розширюється, Ейнштейн жалкував про свою хитрість з підлаштуванням та називав це своєю найбільшою помилкою. Хоча, можливо, його відмова була надто поспішною. Якщо космологічна постійна мала би хоч трохи більше значення, аніж запропоноване Ейнштейном, її відштовхування перевищило б притягання речовини, і розширення космосу пришвидшувалось би.
А втім, багато космологів нині схиляється до іншої ідеї, відомої як квінтесенція. Цей термін у перекладі означає «п’ятий елемент» і запозичено його з давньогрецької філософії, згідно з якою Всесвіт складається із землі, повітря, вогню і води плюс ефемерна субстанція, що запобігає падінню Місяця і планет на центр небесної сфери. Три роки тому Роберт Колдвелл, Рауль Дейв і один з нас (Стейнхардт), що тоді працювали в Пенсильванському університеті, повернули цей термін для позначення динамічного квантового поля, яке не схоже ані на електричне, ані на магнітне поля і гравітаційно відштовхує.
Саме динамізм так приваблює космологів у квінтесенції. Найбільший виклик для будь-якої теорії темної енергії — це пояснити наявну її кількість, яка водночас не настільки велика, аби впливати на формування зір і галактик у ранньому Всесвіті, але й достатня для того, щоб мати відчутний ефект сьогодні. Енергія вакууму — цілком інертна, її густина не змінюється з часом. Відповідно для пояснення теперішньої кількості темної енергії значення космологічної постійної треба тонко налаштувати в момент створення Всесвіту на певне значення, що виглядає як явне штучне припасування. А квінтесенція — навпаки: взаємодіє з речовиною й еволюціонує з часом, а отже, здатна природно налаштуватися на досягнення теперішнього значення.
Дві третини реальності
Для фізики дуже важливо розрізнити ці два варіанти. Донині фізики, які вивчають елементарні частинки, залежали від прискорювачів високих енергій у роботі з виявлення нових форм енергії і речовини. Тепер у космосі проявився несподіваний вид енергії, надто рідко розподіленої і з надто слабкою взаємодією, щоб прискорювачі змогли прозондувати її. Інертна ця енергія чи динамічна — може бути вирішальним для розвитку фундаментальної теорії природи. Фізики, котрі вивчають елементарні частинки, починають усвідомлювати, що повинні стежити за прогресом досліджень на небесах так само пильно, як і за досягненнями в лабораторіях з прискорювачами.
Докази на користь темної енергії збиралися цеглина за цеглиною майже десятиліття. Першою цеглиною став старанний перерахунок усієї речовини в галактиках та скупченнях галактик з використанням різноманітних оптичних, рентгенівських та гамма-методів. Було отримано недвозначний висновок про те, що загальна маса у вигляді хемічних елементів і темної матерії нараховує тільки близько третини від величини, на яку більшість теоретиків сподівалася (цю величину ще називають критичною густиною).
Багато космологів сприйняли це як ознаку того, що теоретики помилилися. В такому випадку ми мали б жити у Всесвіті, що вічно розширюється, з гіперболічне викривленим простором, наче ріг сурми (див. статтю «Інфляція у Всесвіті з низькою густиною» Мартіна Бачера і Дейвіда Шпергеля в «ScientificAmerican» за січень 1999 р.). Але вимірювання розподілу гарячих та холодних плям у випромінюванні космічного мікрохвильового фону показало, що простір плоский і що загальна густина рівна критичній, змусивши відкинути таку інтерпретацію. Коли скласти результати обидвох спостережень докупи, проста арифметика вимагає існування додаткової компоненти, енергії, щоби добрати дві третини густини енергії, якої бракує.
Щобценебуло, цяноваскладоваповиннабутитемною, тобтотакою, якаанінепоглинає, аніневипромінюєсвітла, боінакшеїїбдавнопомітили. Цим вона схожа на темну матерію. Але ця нова складова, названа темною енергією, відрізняється від темної матерії в одному важливому аспекті — вона повинна бути гравітаційно відштовхувальною. Інакше її б зібрало у галактики і скупчення галактик, де би вона впливала на рух видимої речовини. А такого впливу не помітно. Окрім цього, гравітаційне відштовхування розв’язує «вікову кризу», що непокоїла космологію протягом усіх 1990-х рр. Якщо взяти сучасні вимірювання швидкості розширення і припустити, що розширення сповільнювалось, тоді вік Всесвіту буде меншим 12 мільярдів років.
Крім того, є підстави вважати, що деякі зорі в нашій Галактиці мають вік 15 мільярдів років. Відштовхування узгоджує спостережуваний вік небесних тіл із виведеним з теорії, бо змушує швидкість розширення прискорюватись (див. статтю «Космологічна антигравітація» Лоренса Крауса в «Scientific American» за січень 1999 р.).
Раніше за потенційний недолік у такій аргументації сприймалося те, що гравітаційне відштовхування повинно спричинити прискорене розширення, яке тоді ще не спостерігалось. У 1998 р. остання цеглина стала на своє місце. Дві незалежні групи використовували вимірювання відстаней за Надновими зорями для детектування змін у швидкості розширення. Обидві групи зробили висновки про те, що Всесвіт прискорюється саме з таким темпом, який передбачався (див. статтю «Оглядаючи простір-час за Надновими» Крейга Гогана, Роберта Кіршнера і Ніколаса Санцефа в «Scientific American» за січень 1999 р.).
Усі ці спостереження зводяться до трьох чисел: середня густина речовини (як звичайної, так і темної), середня густина темної енергії та кривизна простору. Рівняння Ейнштейна вимагають, щоб ці три числа в сумі становили критичну густину. Різні можливі комбінації цих чисел можна стисло викласти на трикутному графіку (див. мал. нижче). Три різні серії спостережень — підрахунок речовини, космічне мікрохвильове випромінювання та Наднові — відповідають смугам у трикутнику. Цікаво: три смуги перекриваються в одному місці, що свідчить на користь темної енергії.
КОСМІЧНИЙ ТРИКУТНИК.
На цьому графіку космологічних спостережень осі представляють можливі значення трьох ключових характеристик Всесвіту. Якщо Всесвіт є плоским, як вважає інфляційна теорія, то різні типи спостережень (замальовані області) і лінія нульової кривизни (червона лінія) повинні перекриватися. Наразі дані з мікрохвильового фону утворюють дещо краще перекривання, якщо темна енергія складається із квінтесенції (штрихований контур), аніж у випадку космологічної постійної (зелена область).
Від стискування до вибуху
Наш щоденний досвід пов’язаний зі звичайною речовиною, яка гравітаційне притягає, а тому нам важко уявити, як же темна енергія може гравітаційне відштовхувати. Основна її властивість — негативний тиск. За законом тяжіння Ньютона, тиск не відіграє ролі, а сила гравітації залежить тільки від маси. А згідно із загальною теорією відносності Ейнштейна, сила гравітації залежить не тільки від маси, а й від інших форм енергії та тиску. Таким чином, тиск має два ефекти: прямий (спричинений дією тиску на довколишній матеріал) і непрямий (спричинений гравітацією, яку створює тиск).
Знак гравітаційної сили визначається алгебраїчною сумою повної густини енергії плюс потроєний тиск. Для додатнього тиску, як це є для випромінювання, звичайної та темної матерії, ця сума додатня, і гравітація притягує. Якщо ж тиск є достатньо від’ємним, ця комбінація від’ємна і гравітація відштовхує. Для кількісного опису космологи розглядають відношення тиску до густини енергії, яке називають рівнянням стану, або ω. Для звичайного газу ω додатне і пропорційне до температури. Але для певних систем ω може бути від’ємним. Якщо воно падає нижче -1/3, тоді гравітація стає відштовхувальною.
Енергія вакууму задовольняє цю умову (якщо її густина додатня). Це наслідок закону збереження енергії, згідно з яким, енергія не знищується. Математично цей закон можна сформулювати таким чином: швидкість зміни густини енергії пропорційна до ω +1. Для енергії вакууму, густина якої, за означенням, ніколи не змінюється, ця сума повинна дорівнювати нулю. Іншими словами, ш мусить точно дорівнювати -1. Отже, і тиск має бути від’ємним.
Що означає від’ємний тиск? Звичайно гарячий газ має додатній тиск, кінетична енергія атомів і випромінювання тисне назовні зі свого середовища. Зверніть увагу: прямий ефект додатнього тиску — тиснути є протилежним до його гравітаційного ефекту — притягати. Але можна уявити взаємодію між атомами, яка переборює кінетичну енергію та змушує газ стискатись. А газ, що стискається, має від’ємний тиск. Балон такого газу колапсуватиме досередини, тому що зовнішній тиск (нульовий або додатній) переважуватиме внутрішній тиск (від’ємний). Цікаво, що прямий ефект від’ємного тиску — стискування теж може бути протилежним до його гравітаційного ефекту — відштовхування.
Неймовірна точність
Для балона гравітаційні ефекти дуже маленькі. Але тепер уявімо собі, що весь простір заповнено стискувальним газом. Газ, як раніше, має від’ємний тиск, але він не має що стискувати, а отже, не справлятиме прямого ефекту. Він справляє тільки гравітаційний ефект, а саме відштовхування. Відштовхування розтягує простір, збільшуючи його об’єм і, отже, кількість енергії вакууму. Таким чином, тенденція до розтягування самопідсилюється. Всесвіт розширюється зі зростаючим темпом. Енергія вакууму зростає за рахунок гравітаційного поля.
РЕЦЕПТ ДЛЯ ВСЕСВІТУ.
Головним складником Всесвіту є «темна енергія»: космологічна постійна або квантове поле, відоме під назвою квінтесенції. Інші — це темна матерія, складена із екзотичних елементарних частинок, звичайної речовини (як несвітної, так і видимої), та незначної долі випромінювання.
Такі розмірковування можуть звучати дещо дивно, і навіть Ейнштейн вважав їх важкими для сприйняття. Він ставився до припущення про статичність Всесвіту, яке було початковою мотивацію введення енергії вакууму, як до нещасливої помилки, яку слід відкинути. Але введена колись космологічна постійна таки не зникла. Невдовзі по тому теоретики вияснили: квантові поля володіють обмеженою кількістю енергії вакууму, яка є проявом квантових флуктуацій, що викликають до появи пари віртуальних частинок. Оцінивши повну енергію вакууму, утворену всіма відомими полями, отримаємо величезну кількість — величину на 120 порядків більше густини енергії всієї іншої матерії. Хоч це важко змалювати, але швидкоплинні віртуальні частинки повинні робити внесок у позитивну, постійну густину енергії, а це означає від’ємний тиск. Але якби ця оцінка була правильною, гігантське прискорення мало би розкидати атоми, зорі і галактики. Очевидно, ця оцінка є хибною. Вияснити, чому це так, було одним із найголовніших завдань об’єднаної теорії гравітації.
Одне із запропонованих рішень — якась донині не відкрита симетрія у фундаментальній фізиці призводить до скорочення великих ефектів, занулюючи енергію вакууму. Наприклад, квантові флуктуації віртуальних пар частинок роблять внесок до позитивної енергії частинок із півцілим сгіном (як кварки і електрони) і до негативної енергії — для частинок з цілим спіном (як фотони). В рамках стандартної теорії скорочення не буває точним і залишає після себе неп-рийнятно велику густину енергії. І фізики досліджували моделі із властивістю так званої суперсиметрії — такого співвідношення між двома типами частинок, що може призвести до точного скорочення. Однак серйозним недоліком суперсиметрії є те, що вона мала би справджуватись тільки за великих енергій. Теоретики продовжують роботу над тим, щоб якось зберегти властивість ідеального скорочення і на нижчих енергіях.
Ще один варіант — енергія вакууму не занулюється точно взагалі. Можливо, є якийсь механізм скорочення, але дещо недосконалий. Замість того, щоб робити космологічну константу нульовою точно, цей механізм скорочує тільки 120 десяткових розрядів. І тоді густина енергії вакууму може становити дві третини густини Всесвіту, що їх бракувало. Проте це виглядає химерно. Який механізм зміг би працювати з такою точністю? Хоча темна енергія представлена величезною кількістю маси, вона настільки розріджена, що її густина становить менше чотирьох електрон-вольтів на кубічний міліметр, що для фізиків, які вивчають елементарні частинки, — неуявно мало. Найслабша відома взаємодія в природі має енергію у 1050 разів вищу.
Якщо екстраполювати назад у часі, енергія вакууму стає ще парадоксальнішою. Сьогодні речовина і темна енергія мають співмірні середні густини. Але мільярди років тому, коли вони появилися і наш Всесвіт мав розміри грейпфрута, речовина була на 100 порядків величини густіша. А космологічна постійна мусила б мати те ж саме значення, що й зараз. Іншими словами, на кожні 10100 часток речовини фізичні процеси повинні б створити одну частку енергії вакууму, а такий ступінь точності виглядає нормально лише для математичної ідеалізації — від реального світу сподіватися цього безглуздо. Така потреба майже надприродного тонкого налаштування є головною мотивацією для розгляду альтернатив до космологічної постійної.
Польовий підхід
На щастя, енергія вакууму — не єдиний шлях для генерування від’ємного тиску. Інший спосіб — розглянути джерело енергії, яке, на відміну від енергії вакууму, змінюється з часом і у просторі. Ця область можливостей проходить під рубрикою квінтесенції. Для квінтесенції ω не має фіксованого значення, але має бути менше за -1/3 для того, щоб гравітація була відштовхувальною.
Квінтесенція може набувати багато форм. Найпростіші моделі пропонують квантове поле, енергія якого змінюється настільки повільно, що, на перший погляд, виглядає як постійна енергія вакууму. Ця ідея була запозичена з інфляційної космології, в якій космічне поле, відоме як інфлатон, керує розширенням дуже раннього Всесвіту, використовуючи такий же механізм (див. статтю «Інфляційний Всесвіт» Алана Ґуса та Пола Стейнхардта в «Scientific American» за травень 1984 р.). Істотна відмінність у тому, що квінтесенція набагато слабша за інфлатон. Цю гіпотезу вперше було досліджено десятиліття тому Крістофом Веттеріхом з Гайдельберзького університету і Бгаратом Ратра, котрий тепер працює в Канзаському університеті, та Джеймсом Пібблсом із Прінстонського університету.
У квантовій теорії фізичні процеси можуть бути описані або в термінах полів, або в термінах частинок. Але через те, що квінтесенція має настільки низьку густину енергії і змінюється настільки повільно, частинка квінтесенції повинна би бути немислимо легка і велика, розмірів надскупчення галактик. Отже, опис полем у цьому випадку зручніший. За означенням, поле — це неперервний розподіл енергії, що призначає кожній точці простору числове значення, відоме як напруженість поля. Енергія поля має кінетичну складову, яка залежить від часової зміни напруженості поля, і потенційну складову, яка залежить тільки від величини напруженості поля. В міру зміни поля, баланс кінетичної і потенціальної енергій змішується.
СИЛА ПОЗИТИВНОГО (І НЕГАТИВНОГО) МИСЛЕННЯ. Скупчення енергії гравітаційна притягує чи відштовхує, — це залежить від тиску. Якщо тиск нульовий або додатній, як це є для випромінювання чи звичайної речовини, то гравітація притягує. (Впадини представляють ями потенціальної енергії.) Випромінювання має вищий тиск, а отже, його гравітація є більш притягальна. Для квінтесенції тиск є від’ємним, і гравітація відштовхує (впадини стають горбами).
Згадаймо: у випадку енергії вакууму від’ємний тиск був прямим наслідком збереження енергії, яке вимагає, щоб будь-яка зміна у густині енергії була пропорційна до суми густини енергії (додатне число) і тиску. Для енергії вакууму ця зміна дорівнює нулю, а отже, тиск має бути від’ємним. Для квінтесенції зміна густини достатньо поступова, тому тиск повинен бути все ж від’ємним, хоч не до такої міри. Ця умова відповідає ситуації, коли є більше потенціальної енергії, ніж кінетичної.
Оскільки тиск є менш від’ємним, квінтесенція не прискорює Всесвіт настільки сильно, як це робить енергія вакууму. Врешті, саме завдяки цьому спостерігачі і зможуть визначитись поміж них. У будь-якому випадку квінтесенція краще суміщається з наявними даними, хоча поки що розбіжність статистичне незначима. Ще одна відмінність полягає у тому, що квінтесенція, на противагу до енергії вакууму, може проходити всі види складної еволюції. Величина їм може бути додатньою, потім від’ємною, а відтак додатньою знову. Вона може мати різні значення в різних місцях. Хоча ця неоднорідність вважається незначною, її можна зареєструвати за допомогою вивчення космічного мікрохвильового випромінювання.
Наступна відмінність — квінтесенція може збурюватись. Хвилі поширюватимуться по ній так само, як звук поширюється по повітрю. На жаргоні квінтесенція зветься «м’якою». Космологічна постійна Ейнштейна, навпаки, є жорсткою, її неможливо зрушити. Це зачіпає цікаве питання. Кожен із відомих видів енергії м’який до певної міри. Можливо, жорсткість — лише ідеалізація і в реальному світі не існує; в такому разі реалізація космологічної постійної неможлива. Квінтесенція з ω близько -1 може бути найімовірнішим логічним наближенням.
Квінтесенція на мембрані
Стверджувати, що квінтесенція є полем — це лише перший крок у її поясненні. Звідки може походити таке дивне поле? Фізики, котрі будують теорії елементарних частинок, пояснюють явища від структури атомів до походження маси, але квінтесенція обділена їхньою увагою. Сучасні теорії елементарних частинок налічують багато видів полів, які могли б мати потрібну поведінку. Але про їхню кінетичну і потенціальну енергії відомо замало, щоб сказати напевно, котре з них (якщо хоч одне) могло б утворити від’ємний тиск сьогодні.
Є екзотична можливість: квінтесенція постає із фізики додаткових вимірів. Протягом останніх десятиліть теоретики розробляли теорію струн, здатну укласти загальну відносність і квантові механізми в об’єднану теорію фундаментальних взаємодій. Важливою рисою моделей струн є те, що вони передбачають 10 вимірів. Чотири з них — це добре знайомі просторові виміри разом з часом. Решта шість мусять бути прихованими. У деяких формулюваннях вони закручуються подібно до кулі, радіус якої надто малий для виявлення (принаймні сучасними інструментами). Альтернативну ідею висунуто в недавньому розширенні теорії струн, відомому як М-теорія, яке додає 11-й вимір. Звичайна речовина обмежена до двох тривимірних поверхонь, відомих як брейни (скорочення від мембрани), розділених мікроскопічною прогалиною уздовж 11-го виміру (див. статтю «Невидимі виміри Всесвіту» Німи Аркані-Амеда, Джорджі Двалі у «Scientific American» за серпень 2000 р.).
Ми не маємо змоги побачити додаткові виміри, але якщо вони існують, ми могли відчути їх опосередковано. І справді, присутність закручених вимірів або ближніх брейнів повинна би діяти точно так само, як і поле. Чисельне значення, яке поле призначає кожній точці у просторі, мало би відповідати радіусу закручення або відстані прогалини. Якщо радіус або прогалина змінюються повільно з розширенням Всесвіту, це може точно відтворити гіпотетичне поле квінтесенції.
Що за збіг
Незалежно від походження квінтесенції, її динамізм міг би розв’язати болісну проблему тонкого налаштування. Один зі способів поглянути на це питання — спитати, чому прискорення космосу почалося саме в цей момент космічної історії? Створена у момент, коли Всесвіту було 10-35 секунд за віком, темна енергія мала би залишатись у затінку протягом майже 10 мільярдів років, а це на множник понад 1050 більше за момент народження. Як вказують дані, тільки тоді вона переборола речовину і змусила Всесвіт розпочати розширення з прискоренням. Чи це не збіг обставин, що як тільки з’явилися мислячі істоти, Всесвіт раптово переключився на вищу передачу? Виглядає, наче долі речовини і темної енергії якось переплітаються. Але ж як?
Якщо темна енергія є енергією вакууму, тоді цей збіг майже неможливо пояснити. Деякі дослідники, включаючи Мартіна Ріса з Кембридзького університету та Стівена Вайнберга з Техаського університету в Остіні, дотримувались антропного пояснення. Можливо, наш Всесвіт є лиш одним із розмаїтості всесвітів, у кожному з яких енергія вакууму набуває різних значеннь. Всесвіти з енергіями вакууму, що суттєво перевищують чотири електрон-вольти на кубічний міліметр, можливо, більш звичайні, але вони розширюються надто швидко для того, щоб сформувати зорі, планети чи життя. Всесвіти зі значно нижчими значеннями можуть бути значно рідшими. Ймовірно, наш Всесвіт має оптимальне значення. Тільки у цьому «найкращому зі світів» могли існувати розумні істоти, здатні до обмірковування природи Всесвіту. Але фізики не дійшли згоди, чи дає антропний аргумент прийнятне пояснення (див. «Досліджуючи наш Всесвіт та інші» Мартіна Ріса в «Scientific American» за грудень 1999 р.).
Ратра і Пібблс а також Стейнхардт, Івайло Златев і Лімін Ванг з Пенсильванського університету пропонують більш переконливе пояснення, базоване на тому, що квінтесенція вводиться у формі, відомій як поле-відстежувач. Рівняння, що описують поля-відстежувачі, мають поведінку, схожу на класичний атрактор, що з’являється в хаотичних системах. У таких системах рух збігається до одного і того ж результату для широкого діапазону початкових умов. Наприклад, скляна кулька, вкинута до порожньої ванни, врешті-решт впаде у стік, яким би не було її початкове положення.
Аналогічно початкову густину енергії поля-відстежувача не треба настроювати на певне значення, тому що це поле саме швидко налаштує себе на цю величину. Воно фіксується на треку, на якому його густина енергії залишається приблизно постійною часткою густини енергії випромінювання і речовини. В цьому значенні квінтесенція імітує речовину і випромінювання, навіть якщо її складе абсолютно інакшим. Таке наслідування відбувається тому, що густина випромінювання і речовини визначає швидкість розширення космосу, котра, в свою чергу, контролює швидкість зміни густини квінтесенції. Якщо поглянути уважніше, можна виявити, що співвідношення густин повільно зростає. Тільки після багатьох мільйонів і мільярдів років квінтесенція наздогнала інші складові.
А як квінтесенція це зробила і коли? Космічне прискорення може розпочатися однаково легко як у далекому минулому, так і у віддаленому майбутньому, залежно від вибору констант у теорії поля-відстежувача. Це повертає нас знову до питання збігу. Але, можливо, якась подія у відносно недалекому минулому запустила прискорення? Стейнхардт разом із Крістіаном Армендарізом Піконом та В’ячеславом Мухановим з університету Людвіга Максиміліана в Мюнхені, запропонували одну таку недавню подію — перехід від домінування густини випромінювання до домінування густини речовини.
НАРОСТАННЯ ЗУСИЛЬ.
Всесвіт розширюється з різними швидкостями залежно від того, яка форма енергії домінує. Речовина призводить до сповільнення, в той час як космологічна постійна — до прискорення. Квінтесенція посередині: вона змушує розширення прискорюватись, але трохи повільніше. Остаточно прискорення може або припинитись або й ні (штрихована лінія).
Згідно з теорією Великого Вибуху, енергія Всесвіту спочатку перебувала в основному у випромінюванні. Поки Всесвіт охолоджувався, випромінювання втрачало енергію швидше за звичайну речовину. До часу, коли вік Всесвіту досягнув кількох десятків тисяч років (а це відносно короткий час у логарифмічному масштабі), баланс енергії змістився на користь речовини. Ця зміна відмітила початок епохи домінування речовини, епохи, плодами якої є ми. Тільки тоді гравітація починає збирати речовину докупи для утворення галактик і великомасштабної структури. В цей же час швидкість розширення Всесвіту зазнає змін.
У різних варіантах моделей відстежувача це перетворення запустило серію подій, що призвели до теперішнього космічного прискорення. Упродовж більшої частини історії Всесвіту квінтесенція відстежувала енергію випромінювання, залишаючись неістотною складовою космосу. Але коли у Всесвіті стала домінувати речовина, зміна у швидкості прискорення збила квінтесенцію з її наслідувальної поведінки: замість відстежувати випромінювання чи навіть речовину, тиск квінтесенції перемкнувся на від’ємну величину, її густина трималася приблизно постійною і врешті переважила густину речовини, яка спадала. В такій картині факт того, що розумні істоти і космічне прискорення виникли приблизно у той же час, — не збіг. Як утворення зір і планет, необхідних для підтримання життя, так і трансформація квінтесенції в складову з від’ємним тиском були запущені на початку домінування речовини.
Дивлячись у майбутнє
Найближчим часом космологи зосередять зусилля на виявленні існування квінтесенції, котра має спостережувані прояви. Вона зумовлює іншу швидкість космічного прискорення, бо її значення ω відрізняється від цього ж значення вакуумної енергії. Точніші вимірювання Наднових у більшому діапазоні відстаней зможуть відрізнити ці два випадки. Астрономи запропонували дві нові обсерваторії для вирішення цього питання — орбітальну станцію Зонд прискорення за Надновими (Supernova Acceleration Probe) та наземний широкоапертурний телескоп синоптичного огляу (Еаrt-based Large-Aperture Sunoptic Survey Telescope). Відмінності у швидкості прискорення також спричиняться до малих відмінностей в кутових розмірах гарячих і холодних плям на космічному мікрохвильовому фоні, які Зонд мікрохвильової анізотропії та супутник «Планк» здатні будуть помітити.
Інші тести вимірюють зміну числа галактик зі зростанням червоного зміщення для того, щоб з’ясувати, як швидкість розширення Всесвіту змінювалася з часом. Наземний проект, відомий як Глибокий позагалактичний еволюційний Зонд, шукатиме прояви цього ефекту.
А в подальшій перспективі всім нам треба буде подумати над глибинним змістом цих революційних відкриттів. Вони ведуть до такої нової інтерпретації нашого місця в космічній історії, яка трохи витвережує. На початку (або принаймні у найраніший досяжний для нас час) відбулася інфляція — тривалий період прискореного розширення у перші моменти після Великого Вибуху. Речовини у просторі ще не існувало, і квантове поле з від’ємним тиском, подібне до квінтесенції, було визначальним. Упродовж цього періоду Всесвіт розширився у більше число разів, ніж за 15 мільярдів років пізніше, після інфляції. Наприкінці інфляції це поле розпалося на гарячий газ з кварків, глюонів, електронів, світла і темної енергії.
ІДУЧИ СЛІДОМ. Якщо темна енергія складається із космологічної постійної, густину енергії треба точно налаштовувати так, щоб вона переважила густину речовини в недавній історії (ліворуч). Для типу квінтесенції, відомої як поле-відстежувач (праворуч), будь-яке початкове значення густини (штрихована лінія) збігається на спільний трек (синя лінія), котрий іде в ногу з густиною випромінювання до моменту переважання речовини. Це змушує густину поля-відстежувача заморозитись і запустити космічне прискорення.
Тисячами років простір був настільки щільно заповненим випромінюванням, що не могли утворитися атоми (про структури навіть не згадуємо). Потім контроль перебрала речовина. Наступна стадія, саме наша епоха, була стадією поступового охолодження, конденсації та еволюції ускладненої структури все більших розмірів. Але цей період теж дійшов свого кінця. Повертається космічне прискорення. Виявляється, Всесвіт, яким ми його знаємо, з яскравими зорями, галактиками і скупченнями був лише короткою проміжною фазою. В міру того, як прискорення наростатиме впродовж наступних мільярдів років, речовина і енергія Всесвіту розріджуватимуться все більше і більше, простір розтягуватиметься надто швидко, щоб нові структури змогли утворитися. Космос ставатиме все ворожішим стосовно живих істот (див. статтю «Доля життя у Всесвіті» Лоренса Крауса та Ґленн Штаркман в «Scientific American» за листопад 1999 р.). Якщо прискорення спричинюється енергією вакууму, то історія космосу на тому і завершується, а планети, зорі і галактики, що ми їх бачимо сьогодні, є кульмінацією еволюції космосу.
Але якщо прискорення зумовлене квінтесенцією, заключна частина ще не написана. Всесвіт може прискорюватися вічно, або квінтесенція здатна розпастися на нові форми речовини і випромінювання, знову населяючи Всесвіт. Оскільки густина темної енергії замала, ймовірно, матеріал, який виникне із цього розпаду, матиме замало енергії, щоб зробити щось варте уваги. Однак за певних обставин квінтесенція може розпадатися з видуванням бульбашок. Внутрішні частини бульбашки повинні би бути порожніми, але стінки стали би полігоном бурхливої діяльності. В міру руху стінки назовні вона здатна змести всю енергію, полишену від розпаду квінтесенції. Випадково дві бульбашки можуть зіткнутися у фантастичному фейєрверку. В цьому процесі можуть з’явитися такі масивні частинки, як протони і нейтрони, і, ймовірно, — зорі і планети.
ЯК ПОБАЧИМО, ТО Й ПОВІРИМО.
Дані зі спостережень Наднових можуть стати одним із шляхів для вибору між: квінтесенцією та космологічною постійною. Остання змушує Всесвіт прискорюватись, а отже, Наднові на даному червоному зміщенні будуть значно далі за відстанню, тому будуть слабшими. Сучасні телескопи (дані показано сірим) не можуть розділити обидва випадки, а запропонований Зонд Прискорення за Надновими мав би це зробити. Величини Наднових, за передбаченнями різних моделей, показано в різних кольорах.
Для майбутніх жителів Всесвіт мав би виглядати сильно неоднорідним, із життям, зосередженим на малих островах, оточених протяжними пустотами. Чи вони колись здогадаються, що походять з однорідного та ізотропного Всесвіту, який ми зараз бачимо навколо нас? Чи знатимуть вони, що Всесвіт колись ожив, потім помер, — і тільки задля того, аби отримати іще один шанс?
Невдовзі експерименти дадуть нам якусь ідею щодо нашого майбутнього. Буде це глухий кут енергії вакууму, а чи непочатий край потенціалу квінтесенції? Остаточна відповідь залежить від того, чи квінтесенція таки має місце в основній розробці природи. Ця відповідь, можливо, прихована у царині теорії струн. А наше місце в історії космосу визначається взаємодією між наукою дуже великого і наукою дуже малого.
