Факт существования силы, которая расталкивает материю во Вселенной и таким образом противостоит силе всемирного тяготения, получил признание теперь и Нобелевском уровне. Однако вокруг природы этой силы продолжаются ожесточенные споры.
В этом году Нобелевская премия по физике присуждена за экспериментальное подтверждение теоретического предсказания, сделанного почти столетие назад. Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн ввел в свою полевую теорию гравитации, известную сейчас как общая теория относительности, гипотезу о существовании фундаментальной физической константы, получившей название космологической постоянной. Эта постоянная описывала антигравитационную силу, которую Эйнштейну пришлось включить в свои уравнения, чтобы они соответствовали стационарному (неизменному во времени) состоянию Вселенной.
Правда, уже в 1920-е годы было обнаружено разбегание галактик, свидетельствующее о том, что Вселенная не пребывает в стационарном состоянии, а испытывает расширение. После этого необходимость в космологической постоянной отпала, а ее введение сам Эйнштейн назвал своей «самой большой ошибкой в жизни». Однако постепенно физики осознали, что заявление об «ошибке» вообще-то безосновательно, потому что космологическая постоянная выглядит в уравнениях Эйнштейна не как инородное тело, а как естественный атрибут, и вопрос о том, равна ли она нулю, необходимо решать путем физических измерений. Тем не менее пока не имелось каких-либо экспериментальных данных на сей счет, было принято считать космологическую постоянную равной нулю.
Необходимые данные появились только в 1997–1998 годах, когда две международные группы ученых решили выяснить, с какой скоростью замедляется расширение Вселенной. Этот вопрос мучал физиков и астрономов с тех самых пор, как было выяснено разбегание галактик. Решения уравнений Эйнштейна (с нулевой космологической постоянной) допускали два принципиально разных сценария развития Вселенной. Согласно первому через несколько десятков миллиардов лет после так называемого Большого взрыва, который произошел около 13,7 млрд. лет назад, расширение Вселенной должно смениться сжатием, которое в конце концов приведет к смерти Вселенной в результате Большого схлопывания (а за ним теоретически может последовать рождение новой Вселенной в результате нового Большого взрыва). Второй сценарий соответствует случаю, когда энергия Большого взрыва настолько велика, что она всегда будет превосходить энергию гравитации, препятствующей разбеганию галактик, а стало быть, это разбегание будет длиться вечно. На вопрос о том, какой вариант реализуется в действительности, теория отвечала, что это зависит от плотности материи во Вселенной: если она больше некоторой критической плотности, расширение должно смениться сжатием, если же она меньше или равна критической, переход к сжатию не наступит никогда. Однако оба эти варианта подразумевают, что начавшееся с момента Большого взрыва расширение Вселенной постепенно замедляется.
В этом же были уверены и обе исследовательские группы, которые задались задачей измерить, с какой скоростью расширялась Вселенная в различные времена после Большого взрыва. Для этого они искали на расстояниях от 1,5 до 8 млрд. световых лет от нашей галактики так называемые сверхновые звезды и определяли, с какой скоростью они разбегаются. Одну группу ученых возглавлял американец Сол Перлмуттер, который работает в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли. Во второй группе ведущую роль играли Брайан Шмидт из обсерватории на горе Стромло Австралийского национального университета и Адам Рисс из университета Джона Хопкинса (США). Обе конкурирующие группы, проанализировав результаты своих наблюдений, пришли к одному и тому же выводу: вопреки теоретическим предположениям в прошлом скорость расширения Вселенной была не выше, а ниже, чем сейчас. Иными словами, расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется.
Это открытие означает, что существует некая сила, которая расталкивает материю во Вселенной и перевешивает действие гравитации. Таким образом, выяснилось, что введение космологической постоянной вовсе не было ошибкой и антигравитация действительно существует. Впрочем, физики предпочитают вместо слова «антигравитация» использовать термин «темная энергия» (поскольку природа этого явления остается невыясненной). С помощью спутника WMAP, запущенного в 2001 году, были проведены измерения реликтового космического излучения, оставшегося после Большого взрыва, и эти данные позволили определить, что на долю темной энергии приходится около 72% всей энергии Вселенной. Данные WMAP подтвердила космическая обсерватория «Планк», запущенная в 2009 году.
Поэтому было вполне ожидаемым решение Нобелевского комитета, который присудил нобелевку по физике «за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения дальних сверхновых». Половина премии достанется Солу Перлмуттеру, а вторую половину разделят пополам Брайан Шмидт и Адам Рисс. В информации комитета напоминается и о роли Эйнштейна: «В связи с наблюдениями, сделанными в 1997–1998 годах, которые удостоены Нобелевской премии за этот год, мы можем заключить, что космологическая постоянная Эйнштейна – хоть и была вставлена по неправильным причинам – на самом деле блестящая».
И все же точка в вопросе о космологической постоянной еще не поставлена. Тому есть как минимум две причины. Во-первых, помимо общей теории относительности Эйнштейна созданы и другие теории гравитации. Некоторые из них предусматривают существование наряду с полями, описывающими четыре известных взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, так называемое слабое и сильное (ядерное), – дополнительного пятого поля, прозванного «квинтэссенцией» (по-латински quinta essentia – пятая сущность). В отличие от космологической постоянной Эйнштейна плотность квинтэссенции может варьироваться в пространстве и времени. Во-вторых, антигравитация, какой бы вид она ни имела – темной энергии, квинтэссенции или какой-либо иной, – согласно квантовой теории должна квантоваться, а значит должны существовать элементарные частицы – переносчики антигравитации. Эти частицы еще не обнаружены, так же как не обнаружены до сих пор и гравитоны – переносчики гравитации. И уж тем более неизвестно, как взаимодействуют друг с другом гравитоны и «антигравитоны». Обо всем этом (даже о самом названии «антигравитон») физики пока только спорят – и поглядывают в сторону Большого адронного коллайдера: вдруг он выдаст какую-нибудь подсказку.
DISCOVERY:
Первооткрыватели темной энергии
В 2006 году Нобелевская премия по физике была присуждена «за открытие анизотропии и чернотельной структуры энергетического спектра космического фонового излучения» американцам Джону Мазеру и Джорджу Смуту – двум ведущим участникам проекта COBE (Cosmic Background Explorer). Спутник COBE, созданный в Центре космических полетов им. Годдарда (США), был запущен в ноябре 1989 года. Джон Мазер координировал весь проект и был ответственен за эксперимент, который выявил, что спектр реликтового излучения имеет форму спектра абсолютно черного тела. Джордж Смут был ответственен за измерения температуры реликтового излучения, которые выявили, что эта температура анизотропна, то есть неодинакова у излучения, приходящего с различных участков неба. Результаты обработки данных, полученных с помощью спутника COBE, были обнародованы в 1990–1994 годах. Полученные характеристики спектра реликтового излучения стали первым доказательством справедливости космологической модели, которая утверждает о доминировании во Вселенной темной энергии. Однако точность измерений, проведенных посредством COBE, была слишком низкой; на порядок более точные результаты были получены уже в начале XXI века с помощью спутника WMAP.