В конце 1990-х годов космология столкнулась с одной фундаментальной загадкой, для решения которой пришлось ввести темную энергию — одну из самых загадочных концепций в современной физике. Именно ей приписывают ответственность за то, что с течением времени расширение Вселенной не замедляется, как ожидалось, а, наоборот, ускоряется.
А может ли быть такое, что этой таинственной силы не существует? Что если ускорение — это не результат действия невидимой энергии, а следствие более глубоких и сложных свойств самого пространства-времени?
Именно такую революционную идею рассмотрела международная команда физиков. Их работа, опубликованная в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, бросает вызов стандартной космологической модели, предлагая альтернативное объяснение, основанное на чистой геометрии.
Гениальный «костыль» или тупик?
В 1998 году две независимые команды астрономов, изучая свет далеких сверхновых типа Ia («стандартных свечей»), обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Это противоречило устоявшимся представлениям, согласно которым гравитационное притяжение всей материи Вселенной должно было это расширение тормозить.
Чтобы «залатать» уравнения Общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна и заставить их описывать наблюдаемую реальность, ученым пришлось вернуть в них ранее «изгнанную сущность» — космологическую постоянную (Λ), которую теперь интерпретируют как энергию вакуума, или темную энергию. Расчеты показывают, что на ее долю приходится около 70% всей массы-энергии Вселенной!
Только вот есть одна проблема: мы не знаем, что это такое. Так что перед нами гениальное, но крайне неудовлетворительное решение, больше похожее на математический «костыль» — решение, не выведенное из фундаментальных принципов, а подогнанное к результатам наблюдений.
Гравитация Финслера
Исследователи из Центра прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM) Бременского университета в Германии и Трансильванского университета в Брашове (Румыния) пошли другим путем. Вместо того чтобы добавлять в уравнения новые «сущности», они решили усложнить саму геометрию, лежащую в основе ОТО.
Ученые использовали расширение ОТО, известное как гравитация Финслера. Если классическая теория Эйнштейна оперирует в рамках римановой геометрии (где пространство-время — «сцена»), то геометрия Финслера гораздо гибче. Она может зависеть не только от положения, но и от направления и скорости движения объекта. Представьте, что свойства «сцены» меняются в зависимости от того, как быстро и куда вы по ней идете.
Это особенно важно при моделировании таких сложных сред, как газопылевые облака, и, как выяснилось, при описании Вселенной в целом.
Ключевой прорыв: ускорение из «ничего»
Авторы исследования — Кристиан Пфайфер, Николетта Войку, Аннамария Фридль-Сас и Елена Попович-Попеску — применили этот подход к космологическим уравнениям, описывающим эволюцию Вселенной (уравнениям Фридмана).
Полученные уравнения Финслера-Фридмана предсказали ускоряющееся расширение Вселенной без участия темной энергии. Ускорение возникало естественным образом, как прямое следствие новой, более общей геометрии.
«Это открывает перед нами захватывающую возможность: мы, может быть, сможем объяснить ускоренное расширение Вселенной — по крайней мере, частично — не привлекая темную энергию, а просто используя более глубокую геометрию пространства-времени», — заявил астрофизик Кристиан Пфайфер из ZARM.
Что это меняет?
Отпадает необходимость в одной из самых таинственных составляющих нашей картины понимания Вселенной — темной энергии. То, что мы принимали за неизвестную силу, может быть отражением более сложной архитектуры пространства-времени.
Кроме того, этот свежий взгляд открывает новые горизонты не только для космологии, но и для самой сложной задачи физики — примирения квантовой механики с ОТО.
Что особенно важно — новая теория не отменяет старую. Для привычных нам объектов вроде планет или звезд ее предсказания практически неотличимы от уравнений Эйнштейна. Все триумфы ОТО, от искривления света до смещения перигелия Меркурия, остаются в силе. Кардинальные различия проявляются только на грандиозных, космологических масштабах всей Вселенной.
Исследование не ставит крест на темной энергии окончательно, но предлагает мощную и элегантную альтернативу. Оно возрождает ключевую идею Эйнштейна: сложные явления макрокосма могут быть следствием фундаментальных свойств пространства-времени, а не скрытых сущностей.
Читайте также: Почему во Вселенной все вращается?
