Темна енергія - поняття настільки ж невловиме, наскільки й комфортне для тих, хто шукає прості відповіді на складні питання.
Фізики самі постійно вказують: так, ТЕ - найбільша загадка сучасної космології. Вона становить приблизно 68% від загального енергетичного вмісту Всесвіту. І вона дещо більше, ніж просто заповнювач для феномену, який ми не розуміємо.
Але темна енергія - це активний гравець у космічній грі. Грі без правил, - ми не розуміємо фізичну природу того, що намагаємося теоретизувати. Насамперед: а чи з “енергією” ми маємо справу?
Термін “темна енергія”, скоріше, має філологічне наповнення. Вона названа так через свою невидиму, “темну” природу, і була запропонована для пояснення дивовижних спостережень за надновими, зробленими астрономами наприкінці 20-го століття. Ці спостереження показали, що Всесвіт не просто розширюється, але й прискорюється. З часом галактики все швидше і швидше розбігаються одна від одної.
До 90-х років вчені думали, що гравітація поступово сповільнює розширення Всесвіту. Що призвело до виникнення чисельних апокаліптичних сценаріїв “кінця світу”. І одночасно - парадокс! - примушувало вигадувати причини, чому навколишній світ не може зупинитися. Ту ж гравітацію ніхто не скасовував. Як і факт постійного руху галактик. Проблема саме у динаміці такого руху.
ТЕ стала чарівною паличкою-виручалочкою. Постульована форма енергії протистоїть гравітації й змушує з прискоренням розширюватися всесвіт. Водночас її класифікують як особливу форму енергії, що пронизує весь простір. Читаючи останні дослідження, таке враження, що науковці намагаються створити поганий рімейк теорії космічного ефіру. Може, перебільшую...
Але чому здається, що темної енергії "стає все більше і більше?
Відповідь криється в унікальній властивості темної енергії: густина залишається сталою, навіть коли всесвіт розширюється. Це означає, що зі зростанням Всесвіту збільшується об'єм простору, а оскільки кожна одиниця об'єму містить однакову кількість темної енергії, загальна кількість темної енергії також зростає.
По суті, чим більший світ, тим більше в ньому темної енергії.
Однак сама енергія не стає більш потужною чи сильнішою. Швидкість прискорення розширення Всесвіту, наскільки ми можемо судити, відносно постійна. Це, своєю чергою, означає, що кожна одиниця простору, незалежно від того, де і коли вона знаходиться, відчуває однаковий "тиск" космологічної сталої. Тобто зростає не сила, а загальний об'єм, який вона заповнює.
Хоча таке пояснення узгоджується з нашими теоретичними моделями, виникають деякі труднощі. Найбільш знакова з них - "проблема космологічної сталої", або чому спостережуване значення густини темної енергії набагато менше, ніж передбачене квантовою теорією поля? А мова йде про розбіжність в 120 порядків!
Існує також загадка фізичної природи темної енергії. Чи є вона справді космологічною сталою - невіддільна (частина/ознака) властивістю самого простору, як колись припускав Ейнштейн? Чи це може бути нове поле або частинка, яку ми ще не відкрили? Чи це ознака того, що наше розуміння гравітації потребує серйозної ревізії?
Спробуємо позначити контури можливих відповідей.
Дійсно, введення Ейнштейном константи, позначеної як Λ, спочатку було відвертою "вигадкою", включеною в його загальну теорію відносності. Для вченого це був єдиний спосіб узгодити свої математичні рівняння зі статичною моделлю та астрономічними спостереженнями. Точніше, довести, що висновки загальної теорії відносності базуються на “космологічних фактах”.
Однак постійна знову з'явилася в сучасній космології як найпростіше пояснення темної енергії. Тобто ми маємо справу з невіддільною властивістю самого простору: що більше місця, то більше темної енергії, а отже, то вища швидкість розширення.
Крім того, сама природа сталої (з темною енергією або без) передбачає, що Всесвіт буде розширюватися вічно, що в кінцевому підсумку призведе до "великого заморожування", сценарію, який символізує або “епоху чорних дір” в дусі Роджера Пенроуза або новий Великий Вибух a la Пол Стейнхардт. А раз так, то ривок прискорення розширення закінчиться десь через 50 мільйонів років. І навколишній світ почне вмирати.
Щоправда, існує цілий клас теорій, які передбачають модифікації загальної теорії відносності.
- Так, модель квінтесенції постулює існування динамічної темної енергії. На відміну від моделі космологічної сталої, яка говорить постійну густину темної енергії в просторі й часі, модель квінтесенції допускає, що густина енергії поля темної енергії змінюється в часі й просторі. Прискорення розширення Всесвіту - це лише швидка прогресія, яка пізніше закінчиться космологічним адажіо.
- Далі - модель f(R) гравітації. Це клас моделей, які модифікують дію Ейнштейна-Гільберта, що лежить в основі польових рівнянь загальної теорії відносності Ейнштейна. У стандартній дії скаляр Річчі R - лінійний, але в теоріях f(R) він замінюється загальною функцією від R. Така модифікація призводить до прискореного розширення без потреби в самій ТЕ.
- Скалярно-тензорні теорії, крім метричного тензора загальної теорії відносності, включають додаткові скалярні поля. На кшталт теорії Бренса-Діке, де скалярні поля можуть з'єднуватися з матерією і спричинити прискорене розширення.
- Інша модель - так звана DGP (Dvali-Gabadadze-Porrati). Тут чотиривимірний всесвіт виступає мембраною, вкладеною в п'ятивимірний "об'ємний" всесвіт. Гравітація поводиться так само як і в загальній теорії відносності, але на коротких відстанях, і відхиляється від неї на великих дистанціях, що й створює ілюзію прискореного розширення.
- Найбільш перспективною здається TeVeS (тензорно-векторно-скалярна гравітація). Це релятивістське узагальнення модифікованої ньютонівської динаміки Мордехая Мілгрома (MOND). Вона вводить додаткові поля, які змінюють поведінку гравітації на великих відстанях і малих прискореннях, що пояснює криві обертання галактик без потреби в темній матерії.
Якщо ж основну частину темної енергії складають ще не відкриті частинки, тоді прийдеться модифікувати саму квантову теорію поля. Втім, попри десятиліття експериментальної фізики, така частинка залишається невловимою. І як її впіймати, навіть якщо вона існує, ми не знаємо.
З іншого боку, "проблема космологічної сталої" в цілому ставить знак питання про майбутнє квантової парадигми. Невідповідність на 120 порядків між теоретичним передбаченням і спостережуваним значенням густини енергії вакууму кричить про правоту Ейнштейна: спочатку побачити, а потім порахувати. Кричуща невідповідність підживлює аргумент про те, що наше розуміння гравітації може зазнати суттєвого перегляду.
Проте альтернативні теорії мають власний набір проблем. Більшість з них намагаються пройти випробування Сонячною системою або пояснити наявну структуру космічного мікрохвильового фонового випромінювання.
І останнє: а хто взагалі сказав, що всесвіт розширюється? Адже прискорення руху галактик та зростання технологічних можливостей астрономії не означає самого факту розширення. Маніпуляція?
