Темная энергия

Гипотеза, что черные дыры — это темная материя, не исключена, но сейчас столбовая дорога по объяснению существования темной материи — новые частицы.
— Какой массы они могут быть?
— Любой.
Академик И. Ткачев отвечает на вопросы Б. Штерна
(«Троицкий вариант», 7 декабря 2021)

Следуя предсказаниям квантовых космологов (так как они были очень неконкретными — фактически «любыми», то их вернее назвать предчувствиями), уже несколько десятилетий подряд физики повсюду ищут ВИМПы — неуловимые частицы темной материи.

В разных странах организовано около десятка подземных лабораторий, которые спускают многотонные детекторы в шахты на глубины до двух километров в надежде зарегистрировать там загадочные частицы. Но ничего не получается. Детекторы темных частиц запускаются на воздушных шарах над Антарктидой и выводятся в космос — как в ходе кратковременных экспедиций, так и в качестве постоянных приборов. В 2011 году для поиска частиц темной материи на Международной космической станции был установлен бочкообразный альфа-спектрометр AMS-02 весом в 7,5 тонны и стоимостью два миллиарда долларов, что примерно в три раза больше, чем цена гравитационного детектора LIGO. Увы, в отличие от LIGO, постройка которого привела к грандиозному успеху (см. раздел 9.2), поиск частиц темной материи на AMS-02 оказался безрезультатным. Главная причина этого очевидна: если эксперимент LIGO был основан на теоретических расчетах и предсказаниях хорошо проверенной теории Эйнштейна, то все эксперименты по поиску элементарных частиц темной материи опирались лишь на многочисленные, но очень шаткие гипотезы.

Ученые проводили эксперименты по поиску темных частиц и на Большом адронном коллайдере (БАК) в Европе, бурно реагируя на любые признаки отклонения от Стандартной теории. В декабре 2015 года группа ученых, работавшая на БАК, сообщила о признаке существования новой частицы, которая не укладывалась в Стандартную теорию элементарных частиц. Результат имел невысокую статистическую достоверность, и в августе 2016 года эта же группа сделала вывод, что никакой новой частицы нет — приборы просто показали статистическую флуктуацию. Но для объяснения существования этой несуществующей частицы теоретиками за восемь месяцев было опубликовано 600 научных статей, включая публикации в самых престижных физических журналах. Был ряд подобных «темных» фальстартов на других инструментах, но все они закончились разочарованием.

В 2017 году я участвовал в конференции о «темной Вселенной» на французском острове Гваделупа. Сообщество сторонников темных частиц, собравшихся на конференции, впечатляло. Участники конференции были практически поголовно искателями частиц темной материи (ВИМПов, аксионов и других частиц). Они их искали везде — в подземных лабораториях, в космосе и на ускорителях. Мировую карту с десятком лабораторий гордо показывал каждый второй докладчик. Они искали эти темные частицы уже тридцать лет с нулевым успехом, но с большим бюджетом. От безрыбья они хватались за любую соломинку — например, загадочные годовые вариации в показаниях каких-то европейских приборов были объявлены возможными вариациями потока частиц темной материи из центра Галактики, хотя ежу понятно, что годовые вариации атмосферы тоже вызывают вариации локального мюонного потока — да мало ли сезонных факторов можно найти, которые могут повлиять на показания сверхчувствительных приборов. Отмечу, что попытки найти эти годовые вариации на аналогичных приборах, специально построенных для этой цели в других странах, оказались безуспешными. Эти неудачи вызвали скандальные сомнения в корректности методики оригинальных наблюдений, которая не отличается прозрачностью из-за каких-то секретных патентованных технологий.

На дискуссии в Гваделупе раздался робкий юный голос: что же нам делать, если уже все возможности для обнаружения WIMP исчерпаны? На что бодрые голоса постарше ответили, что далеко не все возможности испробованы, просто нужны новые эксперименты с лучшей чувствительностью. Детектор с тремя тоннами ксенона ничего не дает? Тогда нужно построить детектор в триста тонн! Будущие перспективы были усыпаны эпитетами: exciting, fascinating, amazing («волнующие, захватывающие, удивительные»). Было очевидно, что решение проблемы темной материи вне квантовой парадигмы (или вне концепции «темных» элементарных частиц) будет катастрофой для этих людей. Один докладчик начал свое выступление с категоричного заявления: «Я не собираюсь обсуждать, почему мы верим в темную материю из элементарных частиц». Действительно, альтернативы ВИМПам практически не рассматривались. Очевидно, что никакие научные доводы не изменят предубеждений фанатичных искателей темных частиц, которые даже не собираются рассматривать альтернативные варианты. Это сообщество будет существовать, пока есть питающий его денежный поток.

Обоснование квантовой космологии: отсутствует

Физики обсуждают разные типы гипотетических легких полей, энергия которых могла бы выступать в качестве темной энергии. В наиболее простом с теоретической точки зрения варианте плотность энергии нового поля убывает со временем. Для поля такого типа употребляют термин «квинтэссенция». Не исключена, однако, и обратная возможность, когда плотность энергии растет со временем; поле такого типа называют фантомом.
Академик В. Рубаков

Неизвестные эффекты контролируют вакуумную энергию, неизвестные поля создают квинтэссенцию, неизвестные эффекты связывают квинтэссенцию с плотностью материи во Вселенной.
Описание современной космологии по Кори Пауэлл

За последние 40 лет ни одна из основных гипотез квантовой космологии не получила своего обоснования. Как следует из обсуждения в предыдущем параграфе, элементарные частицы, которые отвечали бы за темную материю, не были найдены, при этом области возможных (еще не исследованных) значений масс и сечений рассеяний для ВИМПов кардинально сузились. Природа «заданного руками» инфлатона, ответственного за Большой взрыв, осталась такой же загадочной, как и в момент его сотворения. Хотя мощное начальное ускорение Вселенной решало проблему ее однородности и изотропии, впоследствии выяснились очень неприятные особенности такого решения. Например, «проблема начальных значений»: для получения современной Вселенной начальные условия в момент начала расширения должны быть заданы с точностью 10–79. Если начальная плотность отклонится от нужного значения на величину 10–79, то Вселенная станет совершенно иной: или разлетится практически в бесконечность к настоящему моменту, или (при отклонении в сторону чуть большей плотности) уже сколлапсирует. Стивен Хокинг пишет о проблеме начальных значений: «Если бы через секунду после Большого взрыва скорость расширения оказалась бы на одну сто-тысяча-миллион-миллионную меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселенной, и она никогда бы не достигла своего современного состояния» (Хокинг С. «От большого взрыва до черных дыр», 1990).

Эта неприятность заставила инфляционистов генерировать огромное количество вселенных (фигурируют числа в 10500 миров и даже гораздо больше) — для получения хотя бы некоторых вселенных с приемлемыми условиями для жизни. Это использование антропного принципа5 в космологии выглядит очень спорно, как убедительно показано в работе M. Frankel «Fine Tuning», January 2022 (Foundational Questions Institute). Автор известного астрономического учебника Петер Шнайдер выразился иронично: антропный принцип можно рассматривать как «объяснение», но можно и как «капитуляцию».

Н. Турок и П. Стейнхардт пишут об инфляционной теории: «Инфляция была лидирующим сценарием ранней Вселенной в течение двух десятилетий и стала привычным элементом общепринятой космологической модели. Однако до сих пор теория не решила многих проблем.… Великая космологическая головоломка, начальная сингулярность — начало времени и образование наблюдаемого мира — остается столь же загадочной, как и всегда».

Гипотезе об отрицательном вакуумном давлении, которое должно объяснить наблюдаемую величину, космологическую постоянную и современное ускорение расширения Вселенной, уже больше 20 лет. Но не появилось никаких прорывных результатов, которые бы обосновали это антидавление вакуума. Надежды на теоретическое получение космологической постоянной из квантовых флуктуаций вакуума не оправдались: квантовая теория поля приводит или к нулевому значению космологической постоянной, или к значению, которое на 120 порядков превосходит наблюдаемое значение. Это известно как «самое плохое теоретическое предсказание в истории физики».

Трудной является и «проблема совпадения» (иногда ее называют проблемой Нэнси Кэрриган, по имени литературной героини, которую волновали схожие вопросы, хотя и не в области космологии). Согласно квантовой космологии, такие сущности, как темная энергия и темная материя, являются физически не связанными феноменами, которые определяются совершенно разными полями и сортами частиц. И тогда возникает вопрос: почему они совпадают по порядку величины?

Отсутствие теоретического обоснования мало смущает квантовых космологов: они часто утверждают, что их модели прекрасно согласуются с наблюдениями. Это, безусловно, миф. В настоящее время все космологические наблюдения хорошо описываются Стандартной космологической моделью, которая предполагает плоскую Вселенную с шестью свободными параметрами (например, барионная плотность, плотность темной материи и величина космологической постоянной), которые подбираются так, чтобы модель совпадала с наблюдениями. Эта модель основана на классических уравнениях Фридмана, и параметры этой модели носят феноменологический характер. Стандартную модель часто называют LCDM (Lambda-Cold Dark Matter) моделью. Она включает в себя плотность темной материи и величину космологической постоянной, но не делает никаких предположений о природе этих феноменов. Предположение о квантовой природе Вселенной не играет существенной роли в LCDM-модели — к ней могут приводить космологические теории разных типов.

Инфляционисты часто приводят наблюдаемый спектр флуктуаций реликтового излучения (см. рис. 2 и цветную илл. 7) в качестве своих достижений и подтверждения своих моделей. Но, как пишут в 2016 году в обзоре по космологиям отскока Р. Бранденбергер и П. Петер, «успешные предсказания, сделанные инфляцией для спектра космологических возмущений, не являются специфическими для инфляции. Фактически, за десятилетие до развития инфляционной космологии Сюняевым и Зельдовичем («Small-scale fluctuations of relic radiation», Astrophysics and Space Science, 1970), а также Пиблзом и Ю («Primeval adiabatic perturbation in an expanding universe», ApJ, 1970) было осознано, что приблизительный масштабно-инвариантный спектр адиабатических возмущений, которые присутствуют во времена равенства материи и излучения в суперхаббловских масштабах, приведет к масштабно-инвариантной асимптотике Сакса — Вольфа на больших углах и к акустическим колебаниям на шкале нескольких градусов в угловом спектре мощности реликтового излучения; это приведет к масштабно-инвариантному спектру мощности первичных флуктуаций плотности и наложенным барионным акустическим колебаниям малой амплитуды: все эти особенности сейчас наблюдаются».

Максимально упрощенное высказывание Бранденбергера — Петера означает следующее: все пики и провалы в распределении неоднородностей реликтового излучения, показанные на рис. 2, связаны с классической физикой акустических колебаний и т. д. Гипотезы квантовой инфляции влияют только на самые крупные флуктуации реликтового излучения (плато, отмеченное прямоугольником на графике рис. 2).

Современная квантовая космология — это дом без единого кирпича в фундаменте. Этот дом парит в воздухе лишь одной силой убежденности. Ученые, получившие университетское образование в последние десятилетия, выросли в атмосфере веры (не побоимся этого слова), что инфлатон, ВИМПы и прочие квантовые космические чудеса — это реальные и доказанные вещи. Ведь в этой области работают тысячи ученых, а бюджеты квантово-космологических исследований исчисляются миллиардами! Могут ли все они ошибаться? Да! Примеров массовой ошибочной увлеченности в истории науки — масса (например, теория эфира). У инфляционной модели столько свободных параметров (или вариантов модели), что позволяет подгонять эту теорию практически под любой набор эмпирических данных.

Предварительный заказ на книгу уже начался.

В чём же скандальность данного издания? Горькавый убедительно показывает, что в современной космологии определенно существует не просто кризис, а тупик.

Современная квантовая космология – это дом без единого кирпича в фундаменте. Этот дом парит в воздухе лишь одной силой убежденности. Ученые, получившие университетское образование в последние десятилетия, выросли в атмосфере веры, что инфлатон, ВИМПы и прочие квантовые космические чудеса – это реальные и доказанные вещи.

Ведь в этой области работают тысячи ученых, а бюджеты квантово-космологических исследований исчисляются миллиардами! Могут ли все они ошибаться? Да! Примеров массовой ошибочной увлеченности в истории науки много (например, теория эфира).

У инфляционной модели столько свободных параметров (или вариантов модели), что позволяет подгонять эту теорию под практически любой набор эмпирических данных. Эта «свобода» подгонки вызвала знаменитую дискуссию 2017 года, после статьи

в журнале Scientific American видных астрономов Иджас, Стейнхардта и Лоеба, где утверждалось, что

ТЕОРИЯ ИНФЛЯЦИИ НЕ ЯВЛЯЕТСЯ НАУКОЙ, ПОТОМУ ЧТО МОЖЕТ ПРЕДСКАЗАТЬ ВСЁ, А ЗНАЧИТ – НИЧЕГО.

Новая космологическая революция на наших глазах создает убедительную модель Вселенной на основе доказанных фундаментальных теорий, в первую очередь – на основе Общей Теории Относительности. Более того, динамика современной Вселенной управляется слабыми гравитационными полями, для которых эйнштейновские тензорные уравнения переходят в скалярные уравнения Ньютона. Следовательно, основная пружина динамической модели Вселенной может быть описана не только в рамках теории Эйнштейна, но и на языке ньютоновского гравитационного потенциала.

Признаки правильности новой космологической модели очевидны:

• она будет базироваться на доказанных теориях, и не будет вводить ни одного нового поля, или фундаментальной константы, или квантовой субстанции, или сорта частиц, или нового измерения;

• она должна объяснить все основные факты наблюдательной космологии;

• она сделает конкретные предсказания, которые можно будет проверить наблюдениями.

Ведь так просто!

В книге не просто описывается новая модель пульсирующей вселенной, но приводятся математические выкладки, обосновывающие эту модель.

Большую часть потребляемой энергии мозг тратит неизвестно на что.

Это связано с тем, что мозг постоянно обрабатывает информацию, генерирует электрические импульсы и регулирует работу всех органов и систем организма. Кроме того, мозг потребляет много энергии на поддержание температуры тела и защиту от вредных воздействий окружающей среды.

Однако, существуют исследования, которые показывают, что часть энергии мозга может быть использована для улучшения когнитивных функций и обучения новым навыкам. Например, тренировки памяти и внимания, изучение языков и развитие творческих способностей могут требовать больших затрат энергии.

Таким образом, хотя большая часть энергии мозга тратится на неизвестные нам процессы, некоторые исследования показывают, что мы можем использовать эту энергию для достижения определенных целей, связанных с улучшением когнитивных функций.

О расширении Вселенной учёные знают с двадцатых годов прошлого века, но в течение нескольких десятков лет считалось, что под действием гравитационных сил этот процесс должен замедляться. В девяностые астрономы при помощи космического телескопа «Хаббл» (Hubble) обнаружили, что происходит прямо противоположное: чем дальше объект, тем быстрее он от нас удаляется, а значит, с течением времени расширение Вселенной ускоряется. Поэтому в модели того времени ввели «тёмную энергию», которая заставляет объекты отталкиваться друг от друга. Признаки этой энергии учёные ищут повсюду, и в рамках нового исследования стало ясно, что скрываться она может внутри чёрных дыр.

Вопреки тому, чего можно было ожидать, вакуум не совсем пуст — из случайных флуктуаций производится так называемая энергия вакуума, которая может работать против гравитационных сил и воздействовать на процессы расширения Вселенной. В некоторых моделях предполагается, что энергия вакуума может обнаруживаться в чёрных дырах, и учёные утверждают, что в новом исследовании это было подтверждено наблюдениями. Для обоснования этого тезиса учёные изучили эволюцию сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик за последние 9 млрд лет. Такие чёрные дыры набирают массу за счёт поглощения пыли, газа, звёзд и других чёрных дыр, но в гигантских эллиптических галактиках, в которых газ и пыль закончились, они должны были прекратить свой рост. Однако сравнение далёких и близких эллиптических галактик показало, что сверхмассивные чёрные дыры в их центре продолжают набирать массу за счёт какого-то другого механизма. И если это энергия вакуума, то они способствуют расширению Вселенной, наращивая по мере этого свою массу — этот процесс назвали «космологической связью».

Авторы исследования утверждают, что предложенная ими модель отличает высокая точность — она не требует введения новых элементов в существующие модели, а предлагает закрывать пробелы чёрными дырами, как и предсказывала общая теория относительности Эйнштейна. Кроме того, современные модели предполагают, что чёрные дыры содержат так называемую сингулярность — точку, в которой нарушаются законы физики. Поэтому для их описания либо находят какие-то обходные пути, либо говорят, что существующие модели неполны. Если же чёрные дыры действительно содержат энергию вакуума, то сингулярностями можно больше не оперировать, и это может стать крупным прорывом в формировании научной картины мира. Но подтверждение новой модели потребует дальнейших исследований и наблюдений.

Результаты исследования учёные изложили в научных журналах The Astrophysical Journal и The Astrophysical Journal Letters.

Павел Котов