что они слабее, чем предсказывали наши модели Вселенной. Как будто что-то еще сверх того, что мы ожидали, вносило свой вклад во Вселенную. По мере поступления доказательств, подкрепленных космическим микроволновым фоном и крупномасштабными данными о скоплениях галактик, мы поняли, что должна присутствовать совершенно новая форма энергии, несовместимая со свойствами любой формы вещества или излучения: то, что мы называем темной энергией.
Темная энергия распределена идеально однородно. Нет никаких доказательств того, что в пространстве, занятом богатыми скоплениями галактик, больше или меньше темной энергии, чем в пустотах пустого пространства. Нет никаких доказательств того, что темная энергия коррелирует с плотностью, направлением, местоположением или возрастом Вселенной. Она кажется неизменной во всем пространстве и времени.
И все же, несмотря на свою простоту, она ведет себя принципиально иначе, чем все другие известные формы энергии.
Каждая форма материи и излучения во Вселенной каким-то образом связана с квантовыми частицами. Нормальная материя состоит из субатомных частиц, которых существует конечное число. По мере расширения Вселенной количество частиц остается неизменным, а объем увеличивается, следовательно, вещество становится менее плотным с течением времени. Точно так же и излучение квантуется в частицы (даже, теоретически, гравитационное излучение, которое должно квантоваться в гравитоны), но эти частицы безмассовые. По мере расширения Вселенной не только количество частиц остается неизменным при увеличении объема, но и энергия каждой отдельной частицы уменьшается.
Тем не менее, оба этих описания не подходят для темной энергии. По мере увеличения объема Вселенной плотность энергии не меняется; она остается постоянна. Как будто во всем пространстве присутствует что-то, не зависящее от чего-либо еще: плотности материи, плотности излучения, температуры, изменения объема и т. д. Хотя мы можем измерить и количественно оценить темную энергию и ее влияние на Вселенную, мы не можем сказать, что мы понимаем ее природу. Это могло быть
∙ частица какого-то типа,
∙ поле, пронизывающее вселенную,
∙ или даже свойство, присущее самой ткани пространства.
Если темная энергия - это частица, то либо должны постоянно создаваться новые частицы, чтобы поддерживать постоянную плотность энергии, либо поведение этих частиц должно со временем эволюционировать, чтобы их влияние на Вселенную оставалось постоянным.
Если темная энергия - это поле, пронизывающее Вселенную, нет никаких доказательств того, что темная энергия - это что-то иное, кроме самой простой сущности, которую только можно вообразить: свойство, которое неизменно присуще пространству везде и всегда. Как это возможно?
1. Вселенная может иметь положительную, ненулевую космологическую постоянную, термин из общей теории относительности. Постоянная должна быть очень, очень маленькой, но, когда вы помещаете ее повсюду по всей Вселенной, она в конечном итоге начинает доминировать.
2. Это может быть квантовое свойство пространства: энергия нулевой точки всех полей в космическом вакууме не обязательно должна быть равна нулю, но может принимать какое-то положительное значение. То, что мы часто интерпретируем как квантовые флуктуации или возникающие и исчезающие пары частица-античастица, может быть причиной темной энергии.
С теоретической точки зрения важно иметь в виду, что до тех пор, пока мы не поймем природу темной энергии, мы должны держать все эти варианты в уме. Темная энергия может быть связана с инфляционной эпохой, которая положила начало Большому взрыву; темная энергия могла быть важной и действенной на раннем этапе истории Вселенной, прежде чем перейти в ее нынешнее состояние с низкой плотностью; темная энергия может быть медленно эволюционирующей или неоднородной, или может иметь немного более высокую или более низкую плотность в зависимости от того, что еще есть вокруг. Теоретически все варианты остаются на столе. Но именно поэтому мы не основываем наши выводы только на теории.
Вся идея науки основана на представлении о том, что мы узнаем информацию о Вселенной, проверяя саму Вселенную посредством измерений, экспериментов и наблюдений. По мере изучения:
∙ космического микроволнового фона до все меньших и меньших масштабов, в большем количестве диапазонов длин волн и с учетом поляризации;
∙ крупномасштабной структуры Вселенной на больших расстояниях, более слабых объектов и больших областей на небе;
∙ и индивидуально светящихся объектов, с большей точностью и на больших расстояниях.
Изучая все это, мы получаем возможность видеть, есть ли какие-либо указания на то, что темная энергия является чем-то другим, кроме чистой константы, и показывает ли она доказательства какой-либо эволюции или неоднородностей во времени и/или пространстве.
Пятнадцать лет назад мы смогли ограничить постоянство темной энергии с точностью ╠ 30 процентов. Сегодня точность этого показателя увеличилась до ╠ 7 процентов. С появлением следующего поколения космических и наземных обсерваторий точность достигнет ╠ 1 процента. Если есть какие-либо неоднородности или эволюционные эффекты, которые происходят в темной энергии, предстоящие исследования смогут этто выявить.
Однако есть и другие методы, которые могут выявить более экзотические интерпретации. Недавно в эксперименте XENON наблюдалось превышение количества событий над ожидаемым фоном, за пределами того, что можно было бы объяснить с помощью традиционных источников. В настоящее время есть три основных интерпретации:
1. Результат является экспериментальной случайностью, которая уйдет с лучшей статистикой;
2. это первое свидетельство неожиданного типа темного вещества, и объяснение потребует дополнительных изменений по сравнению с теми, что предполагались ранее;
3. Причиной этого является новый источник фона, который не был включен в анализ (например, тритий в воде).
Из этих объяснений большинство физиков предпочитают последнее. Но, как мы уже говорили ранее, нужно иметь в виду все возможности, какими бы экзотическими или странными они ни были.
Детектор XENON1T с низкофоновым криостатом установлен в центре большого водяного экрана для защиты прибора от фона космических лучей. Эта установка позволяет ученым, работающим над экспериментом XENON1T, значительно снизить фоновый шум и более уверенно обнаруживать сигналы от процессов, которые они пытаются изучить. КСЕНОН ищет не только тяжелое темное вещество, но и другие формы потенциального темного вещества и темной энергии.
Если не принимать желаемое за действительное и посмотреть только на доказательства, которые у нас есть, то история, рассказываемая Вселенной, очень проста, хотя и противоречит здравому смыслу. То, что мы досконально понимаем: вещество и излучение, состоящие из всех известных частиц Стандартной модели плюс гравитационные волны, составляет лишь 5 процентов от общего количества того, что существует.
Есть еще одна форма массы: темное вещество, составляющее около 27 процентов. Но большая часть того, что присутствует, ~ 68 процентов Вселенной, - это темная энергия. Она ведет себя не как частица или поле, а как свойство, присущее самому пространству.
Пора серьезно отнестись к идее о том, что темная энергия может быть просто свойством, присущим самой
