Як досліджують Всесвіту, що прискорюється?

Незважаючи на всі досягнення в теорії і спостереженнях в області фізики частинок і космології, ми спостерігаємо тільки близько 5% Всесвіту. Решта Всесвіту складається з темної матерії і темної енергії. Темна матерія визначає швидкість обертання галактик. Темна енергія визначає швидкість розширення Всесвіту.

У той час як теорії стають все більш надійними, а спостереження більш точними, з'являються тривожні розбіжності між різними описами Всесвіту. Проведемо короткий огляд.

Темна матерія

Існування темної матерії припустив Фріц Цвіккі, який спостерігав рентгенівські промені від галактичних скупчень і припустив, що для того, щоб гравітаційно пов'язувати гарячі електрони зі скупченнями, ця маса не повинна світити. Вимірювання, зроблені Вірою Рубін і її колегами, кривих обертання галактик підтвердило існування темної матерії.

Вважається, що темна матерія в космологічних масштабах є причиною спостережуваної анізотропії космічного мікрохвильового фону і утворення великомасштабної структури Всесвіту.

Історія виникнення ідеї темної енергії була неоднозначною. Все почалося з космологічної постійної, введеної Альбертом Ейнштейном в 1917 році з метою отримання рішення для статичного Всесвіту в загальній теорії відносності.

Далі пішли роботи Олександра Фрідмана і Жоржа Леметра, в яких рішення розширюється Всесвіту було знайдено з польових рівнянь загальної теорії відносності, внаслідок чого Ейнштейн в 1931 році вважав космологічну постійну більш непотрібною. Незадовго до цього Едвін Хаббл виявив кореляцію між червоним зміщенням і відстанню між цефеїдами.

Початкова пропозиція Ейнштейна містила деяку «константу природи» для того, щоб врівноважити гравітацію щільності матерії у Всесвіті. Яків Зельдович звернув увагу на те, що космологічна постійна виглядає досить неприродно - і висловив сумнів у тому, що вона може пояснити події такого порядку.

Поправка на «енергію вакууму»

Космологічну постійну з нульовою енергією вакууму в квантовій теорії поля пов'язав Вольфганг Паулі в 1920-х роках. Паулі зауважив, що якби "нульова енергія" вносила внесок у космологічну постійну, радіус кривизни Всесвіту "... не міг би навіть досягти Місяця ". Незабаром після цього Поль Дірак пояснив «спонтанне випромінювання» - перехід між стаціонарними атомними станами як результат нульових флуктуацій вакууму. Ефект був перевірений в експерименті Лемба і Резерфорда - в ході нього був виявлений так званий «лембовський зсув», яким вчені і пояснили наявністю нульової енергії. За це відкриття Лемб отримав Нобелівську премію.

Надалі Хендрік Казимир і Дірк Полдер спостерігали перший макроскопічний прояв нульової енергії вакууму - вони виміряли силу тяжіння між паралельними провідними пластинами. Зараз ми знаємо цей ефект як «ефект Казимира».

Порушення симетрії

У 1989 році Стівен Вайнберг написав огляд, в якому перерахував моделі фізики елементарних частинок і їх зв'язок з нульовою енергією і космологічною постійною. У суперсиметричних моделях виходило так, що нульова енергія ферміонів в точності компенсувала відповідні вклади бозонів, а значить, ніякої космологічної постійної, пов'язаної з нульовою енергією, бути не може. Значить суперсиметрія порушується - реальному світі жоден ферміон не має ідентичного по масі партнера-бозона.

Відкриття Всесвіту Перлмуттером з графіків червоного зміщення світності наднової типу Ia стало несподіванкою для фізиків елементарних частинок, які були зайняті спробами пояснити нульову космологічну постійну.

Деякі вчені спростовують уявлення про те, що Всесвіт в досліджених нами масштабах однорідний і ізотропна. Дослідники вважають, що спосіб вимірювання космологічної відстані такий, яким його представив ще Едвін Хаббл і надалі допрацював Перлмуттер, безнадійно застарів.

Пояснити прискорений Всесвіт через великий набір теоретичних ідей поки не вийшло повною мірою. Однак не буде перебільшенням заявити, що подальші уточнені вимірювання прискорення Всесвіту на основі різних спостережень можуть допомогти виявити переможця - або ж зададуть вченим ще одну здогадку.