Как исследуют ускоряющуюся Вселенную?

[VAOZ]

Несмотря на все достижения в теории и наблюдениях в области физики частиц и космологии, мы наблюдаем только около 5% Вселенной. Оставшаяся масса Вселенной состоит из темной материи и темной энергии. Темная материя определяет скорость вращения галактик. Темная энергия определяет скорость расширения Вселенной.

Сегодня существуют две парадигмы Стандартной модели. Одна из них — Стандартная модель космологии — утверждает, что Вселенная состоит на 4,9% из обычной барионной материи, на 26,8% из темной материи и на 68,3% из темной энергии. Вторая — это физика элементарных частиц, которая основана на калибровочных теориях электрослабого и сильного взаимодействий и вводит кварки, лептоны, глюоны, W- а также Z-бозоны, фотон и частицы Хиггса. Правда, вторая теория, в отличие от первой, не предлагает кандидатов в темную материю.

Темная материя

Существование темной материи предположил Фриц Цвикки, который наблюдал рентгеновские лучи от галактических скоплений и предположил, что для того, чтобы гравитационно связывать горячие электроны с скоплениями, эта масса не должна светиться. Измерения, сделанные Верой Рубин и ее коллегами, кривых вращения галактик подтвердило существование темной материи.

Считается, что темная материя в космологических масштабах является причиной наблюдаемой анизотропии космического микроволнового фона и образования крупномасштабной структуры Вселенной.

История возникновения идеи темной энергии была неоднозначной. Всё началось с космологической постоянной, введенной Альбертом Эйнштейном в 1917 году с целью получения решения для статической Вселенной в общей теории относительности.

Далее последовали работы Александра Фридмана и Жоржа Леметра, в которых решение расширяющейся Вселенной было найдено из полевых уравнений общей теории относительности, вследствие чего Эйнштейн в 1931 году посчитал космологическую постоянную более ненужной. Незадолго до этого Эдвин Хаббл обнаружил корреляцию между красным смещением и расстоянием между цефеидами.

Первоначальное предложение Эйнштейна содержало некоторую «константу природы» для того, чтобы уравновесить гравитацию плотности материи во Вселенной. Яков Зельдович обратил внимание на то, что космологическая постоянная выглядит довольно неестественно — и высказал сомнение в том, что она может объяснить события такого порядка.

Поправка на «энергию вакуума»

Космологическую постоянную с нулевой энергией вакуума в квантовой теории поля связал Вольфганг Паули в 1920-х годах. Паули заметил, что если бы «нулевая энергия» вносила вклад в космологическую постоянную, радиус кривизны Вселенной «... не мог бы даже достигнуть Луны». Вскоре после этого Поль Дирак объяснил «спонтанное излучение» — переход между стационарными атомными состояниями как результат нулевых флуктуаций вакуума. Эффект был проверен в эксперименте Лэмба и Резерфорда — в ходе него был обнаружен так называемый «лэмбовский сдвиг», которым ученые и объяснили наличием нулевой энергии. За это открытие Лэмб получил Нобелевскую премию.

В дальнейшем Хендрик Казимир и Дирк Полдер наблюдали первое макроскопическое проявление нулевой энергии вакуума — они измерили силу притяжения между параллельными проводящими пластинами. Сейчас мы знаем этот эффект как «эффект Казимира».

Нарушение симметрии

В 1989 году Стивен Вайнберг написал обзор, в котором перечислил модели физики элементарных частиц и их связь с нулевой энергией и космологической постоянной. В суперсимметричных моделях выходило так, что нулевая энергия фермионов в точности компенсировала соответствующие вклады бозонов, а значит, никакой космологической постоянной, связанной с нулевой энергией, быть не может. Значит суперсимметрия нарушается — реальном мире ни один фермион не имеет идентичного по массе партнера-бозона.

Открытие ускоряющейся Вселенной Перлмуттером из графиков красного смещения светимости сверхновой типа Ia стало неожиданностью для физиков элементарных частиц, которые были заняты попытками объяснить нулевую космологическую постоянную.

Некоторые ученые опровергают представление о том, что Вселенная в исследованных нами масштабах однородна и изотропна. Исследователи считают, что способ измерения космологического расстояния такой, каким его представил ещё Эдвин Хаббл и в дальнейшем доработал Сол Перлмуттер, безнадежно устарел.

Объяснить ускоряющуюся Вселенную через обширный набор теоретических идей пока не получилось в полной мере. Однако не будет преувеличением заявить, что дальнейшие уточненные измерения ускорения Вселенной на основе различных наблюдений могут помочь выявить победителя — или же зададут учёным ещё одну догадку.