Уравнения Эйнштейна показали, что Вселенная должна эволюционировать, а не оставаться статичной, что побудило его ввести космологическую постоянную, чтобы сохранить принятую картину космоса. Фото: Stock

Темная энергия возродила отвергнутую Эйнштейном космологическую постоянную и изменила ведущую модель Вселенной.

В 1917 году Альберт Эйнштейн завершил работу над общей теорией относительности — концепцией, которая изменила представления физики о гравитации. Вскоре он применил эти уравнения к гораздо более масштабному вопросу: как Вселенная меняется с течением времени.

Гравитация была логичным началом. Вселенная в среднем электрически нейтральна, поэтому электромагнетизм не может объяснить ее поведение в самых больших масштабах. Эйнштейн также ничего не знал о сильном и слабом ядерных взаимодействиях (справедливости ради, никто их не знал), но оба они действуют только на очень коротких расстояниях.

Поэтому космология начинается с гравитации. Как только физики объединяют материю и энергию в нечто, что они называют «Вселенной», они могут использовать уравнения Эйнштейна, чтобы спрогнозировать ее эволюцию. Ответ его удивил. Общая теория относительности естественным образом описывала динамичный космос, который либо расширялся, либо сжимался, в то время как доминирующая научная точка зрения утверждала, что Вселенная статична и оставалась неизменной на протяжении всей своей истории.

Эйнштейн заставляет Вселенную остановиться

Вместо того чтобы принять выводы, которые следовали из его уравнений, Эйнштейн скорректировал их в соответствии с наблюдениями и предположениями своего времени. Он ввел «космологическую постоянную», обозначаемую греческой буквой лямбда, что уже допускалось общей теорией относительности. Эта постоянная действует как гравитационное влияние, встроенное в само пространство-время, даже в пустом пространстве. В зависимости от ее значения она может вызывать притяжение или отталкивание. Эйнштейн выбрал значение, которое уравновешивало гравитационное притяжение материи, позволяя его модели Вселенной оставаться стабильной.

Всего несколько лет спустя Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется, а другие теоретики, например российский космолог Александр Фридман, приняли уравнения Эйнштейна за чистую монету и обеспечили теоретическую поддержку теории Большого взрыва. Что касается самого Эйнштейна, то позже он сказал друзьям, что добавление космологической постоянной было его «величайшей ошибкой».

Ожидаемое замедление сменяется ускорением

Перенесемся в 1998 год. Две группы астрономов решили положить конец десятилетиям споров о том, сколько материи во Вселенной. Одни наблюдения говорили о том, что материи почти нет, а другие — что ее очень много. Вселенная расширялась, но материя внутри нее должна была замедлять это расширение. Измерив замедление, ученые смогли бы оценить количество материи и разрешить спор.

Что они и сделали… в некотором роде. Вместо замедления они измерили ускорение. Во Вселенной по-прежнему не так много материи, но даже того, что есть, недостаточно, чтобы замедлить расширение.

Что касается этого ускорения, то самый простой способ его объяснить — это, как вы уже догадались, обратиться к космологической постоянной, фундаментальному фоновому антигравитационному эффекту, который просто существует во Вселенной. Спустя десятилетия после того, как Эйнштейн исправил свою ошибку, космологическая постоянная вновь заявила о себе как лучшее объяснение полученных данных.

Темная энергия вытесняет старую модель

К 1980-м и 1990-м годам космологи создали подробную систему, которую довольно смело назвали Стандартной моделью космологии (физики склонны называть согласованные, выработанные в результате сотрудничества и консенсуса модели «стандартными»). Открытие того факта, что расширение Вселенной ускоряется, сделало эту модель устаревшей.

На смену ей пришла наша лучшая на сегодняшний день теория о том, как развивалась Вселенная после Большого взрыва, — космологическая модель Лямбда-CDM. Лямбда обозначает космологическую постоянную, обычно ассоциируемую с темной энергией. CDM — это холодная темная материя, которая составляет большую часть массы почти каждой галактики. Холодная темная материя — это отдельная тема, поэтому здесь мы сосредоточимся на лямбде.

Успешная модель все равно может оказаться несостоятельной

Модель Лямбда-CDM чрезвычайно успешна. Это относительно простая модель: всего несколько свободных параметров и пара допущений, работающих в рамках общей теории относительности. С помощью этой модели мы можем объяснить ОЧЕНЬ МНОГОе о Вселенной: историю ее расширения, появление реликтового излучения, барионную асимметрию, рост галактик и крупных структур и так далее, и так далее, и так далее. Это одна из самых изученных и проверенных теорий во ВСЕЙ науке.

И она почти наверняка неверна.

Адаптировано из статьи, первоначально опубликованной в UniverseToday.