Есть научные проблемы, о которых обычный человек не знает и вряд ли когда-нибудь узнает. А есть теории, гипотезы и открытия, о которых наслышаны если и не все, то очень многие, — эти достижения на слуху, о них много говорят и пишут. Естественно, что даже в таких «популярных» теориях многое простому человеку остается непонятным, отчего иногда возникают недоразумения.
Одной из таких научных проблем является открытие темной энергии и темной материи, составляющих 96 % массы всей Вселенной. Об этом слышали все, и кто-то даже пытался разобраться в их сути, однако большинство людей уверено, что темная энергия и темная материя — это разные названия одного понятия. В какой-то степени это так, но более глубокое изучение вопроса показывает, что это совершенно разные вещи, которые имеют друг с другом мало общего.
В настоящее время достоверно установлено, что мы можем наблюдать не более 4 % всей материи, существующей во Вселенной. Остальные 96 % материи и энергии от нас скрыты — мы не обладаем инструментами и средствами, с помощью которых можно было бы обнаружить и измерить их параметры. Именно поэтому и было введено понятие скрытой массы, или темной материи (хотя сами ученые последний термин не используют, «отдав» его журналистам и популяризаторам).
Если эта материя принципиально не наблюдается с помощью имеющихся у человека средств, то как о ней узнали? Оказывается, единственное взаимодействие, на которое способна темная материя, — гравитационное, то есть ее присутствие может влиять на происходящие в звездных скоплениях и галактиках процессы. Именно это обстоятельство — несоответствие наблюдений и расчетов — и позволило ученым сделать предположение о присутствии чего-то невидимого, но взаимодействующего с «нормальной» материей посредством гравитации.
История открытия темной энергии и материи началась почти век назад. В начале XX столетия случилось несколько знаменательных событий. В 1917 году Альберт Эйнштейн опубликовал космологическую работу, описывающую нашу Вселенную как единое целое. Ученый посчитал, что наш мир должен быть вечным и неизменным, однако по всем расчетам выходило, что это невозможно, — Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Тогда Эйнштейн ввел так называемую космологическую постоянную (или лямбда-член), благодаря которой мир снова становился стационарным.
Однако в 1922 году вышел труд нашего соотечественника Александра Фридмана, в котором космологической постоянной не было места. А окончательно идею о лямбда-члене в 1929 году опровергло открытое Эдвином Хабблом явление «разбегания» галактик. Эйнштейн понял, что ошибся, и отказался от использования космологической постоянной. Однако только в 1998 году ученые поняли, что Эйнштейн был прав, а введенная им постоянная описывает не что иное, как темную энергию.
Сейчас известно, что наша Вселенная расширяется, и расширяется с ускорением. Главной причиной расширения является темная энергия, обладающая антигравитационными свойствами, — она просто-напросто расталкивает все вещество во Вселенной, заставляя отдельные его точки все время отдаляться друг от друга. А то, что мы видим глазами — звезды, галактики, межзвездный газ и пыль, — играют куда меньшую роль в нашем мире, чем невидимая темная энергия.
Так что же такое темная энергия и материя и чем они отличаются друг от друга? Темная материя (скрытая масса) — это невидимая нами материя, состоящая, скорее всего, из особых элементарных частиц, реальность которых пока не доказана. Также к темной материи причисляют такие космические объекты, как коричневые карлики (объекты, занимающие среднее положение между крупными планетами и небольшими звездами), планетоподобные объекты, не излучающие межзвездного газа ни в одном из диапазонов, и другие.
Темная энергия также считается частью скрытой массы, однако по своим физическим свойствам она не похожа на темную материю, состоящую из частиц. В настоящее время наиболее распространена точка зрения о том, что темная энергия — это энергия физического вакуума. В пользу этой гипотезы говорят и многие наблюдательные факты, а также расчеты, проведенные в рамках ОТО.
Физический вакуум заполняет весь наш мир, он есть в каждой точке Вселенной, что делает его главным «кандидатом» на роль носителя темной энергии. Однако уравнивание темной энергии и физического вакуума создает и некоторые проблемы. В частности, физический вакуум не вписывается в некоторые космологические теории, а наблюдения не сходятся с теорией. Поэтому сейчас выдвинуты вполне состоятельные гипотезы о существовании особых носителей темной энергии.
Итак, темная энергия и темная материя — не тождественные понятия. Темная материя, на долю которой приходится 22 % всей массы Вселенной, состоит из ненаблюдаемых, но вполне реальных частиц, которые в будущем все равно будут обнаружены. А темная энергия, составляющая 74 % Вселенной, — это либо энергия физического вакуума (а он сам по себе таит много загадок), либо нечто совершенно новое и необычное.
Темная энергия и темная материя связаны с физическим вакуумом. Физический вакуум — это особая среда, формирующая пространство Вселенной, имеющая огромную энергию, порождающая вещество и время, но не видима нами из-за отсутствия у нас нужных органов чувств и потому кажущаяся нам пустотой. Существование физвакуума академической наукой полностью признается. Но при этом академики отрицают наличие в нем огромной энергии, и в этом состоит их ошибка. Плотность вакуумной энергии можно рассчитать по формуле
E/V = cccc / (8 pi G rr)
где c — скорость света, pi = 3.14, G — гравитационная постоянная, r — минимально возможный радиус черной дыры без учета процесса ее квантового испарения (либо радиус электрона, либо планковская длина — пока не ясно). Энергия физвакуума знакома нам в форме кинетической энергии. На самом деле такой энергии нет, и вместо кинетической действует вакуумная энергия. Когда мы бросаем камень, мы через ускоренное движение его гравитационного поля деформируем структуру окружающего физвакуума, совершаем над ним работу и передаем ему нашу мускульную энергию. А когда камень ударится о препятствие, он движется замедленно и таким неравномерным движением снова деформиирует структуру физвакуума, но теперь уже физвакуум совершает над ним работу и отдает ту энергию, которую получил чуть ранее на стадии ускорения. И плюс к этому некоторый добавок. В зависимости от условий ускорения и торможения этот добавок может в десятки, сотни и даже тысячи раз превышать то, что мы называем кинетической энергией. Вот это и есть темная энергия, она действует на всех уровнях мироздания.
А темная материя — это нарушение первоначального равномерного распределения физвакуума по пространству Вселенной. Физвакуум взаимодействует не с веществом, а с полями, в частности с гравитационным полем. Под действием гравитации центрального светила он стягивается к нему и образует вокруг него своеобразную шубу или оболочку, которая передвигается в пространстве как единое целое со светилом. В итоге рядом со светилом плотность физвакуума становится чуть больше, вдали от него чуть меньше. Образуется то, что можно назвать мегафлуктуацией вакуума. И отдаленные планеты теперь будут притягиваться к центральному светилу гравитацией не только самого светила, но и созданной им мегафлуктуации. А внешне это будет проявляться как появление дополнительной темной материи в системе.