Расширяющаяся Вселенная действительно ускоряется, и никакие пыльные сценарии не могут этого объяснить.
20 лет назад наше понимание Вселенной претерпело революцию. Из поколения в поколение мы знали, что Вселенная расширяется, но не знали ее судьбы. Будет ли она снова коллапсировать (с гравитацией, побеждающей расширение), расширяться навсегда (с расширением, побеждающим гравитацию) или жить прямо на границе между двумя случаями (с идеально сбалансированным расширением и гравитацией), было одним из самых больших открытых вопросов космологии.
Затем, в 1998 году, две независимые группы группа по поиску сверхновых с большими z и космологический проект сверхновых опубликовали свои результаты, которые показали, что сверхдальние сверхновые звезды были слишком слабыми, чтобы их можно было согласовывать с какими-либо из этих. Вселенная не просто расширялась, расширение ускорялось. Расширение побеждает гравитацию, и для объяснения наблюдений потребовалась новая форма энергии: темная энергия.
Но многие ученые были настроены скептически. В конце концов, если бы все было тусклее, чем ожидалось, возможно, Вселенная не ускорялась. Может просто пыль? В течение многих лет это понятие было основной идеей, конкурирующей с темной энергией. Вот как он умер.
То, как Вселенная расширяется, неразрывно связано с присутствующими в ней материей и энергией. Вселенная, в которой преобладает материя, будет расширяться не так, как вселенная, в которой преобладает излучение; состав вашей Вселенной и то, как она меняется со временем, определяет, как она расширяется. Из-за этого основной целью космологии долгое время было измерение двух основных характеристик: скорости расширения и ее изменения во времени.
Но мы не можем измерить расширяющуюся Вселенную напрямую. Мы можем измерять только объекты во Вселенной. Итак, мы не измеряем расширение Вселенной; мы измеряем, насколько яркими или большими кажутся объекты. Если мы что-то знаем о них - их внутреннюю яркость, их видимую яркость и их красное смещение - мы можем сделать вывод об их расстоянии от нас и использовать это для расчета истории расширения Вселенной.
Если, конечно, там нет искажающего, загрязняющего фактора. Если бы вы знали, что у вас есть лампочка мощностью 60 Вт, и заметили бы, что она имеет определенную яркость, вы могли бы рассчитать, как далеко она находится. Соотношение яркость-расстояние очень простое: наблюдаемая яркость падает обратно пропорционально квадрату расстояния (b ~ 1/r²).
Но если на улице туман, у вас будут проблемы. Свет будет казаться тусклее, чем предсказывает простое соотношение яркость-расстояние, пропорционально плотности тумана. Если бы вы просто измерили этот далекий свет и применили отношение яркости к расстоянию, вы бы пришли к выводу, что расстояние до него больше, чем оно есть на самом деле. Ваши результаты будут необъективными, потому что вы не учли тот факт, что что-то блокирует часть света.
Итак, если вы примените эту логику к этим более тусклым, чем ожидалось, сверхновым, вы можете задаться вопросом, был ли какой-то космический «туман», блокирующий этот далекий свет. У нас во Вселенной нет тумана, но есть пыль, блокирующая свет. И если вы поместите достаточное количество пыли на достаточно большие расстояния, вы потенциально сможете объяснить, почему сверхновые кажутся тусклее без темной энергии. Это первое, что вы должны рассмотреть; дополнительная пыль - это гораздо меньшая революция, чем новый тип энергии, пронизывающий Вселенную.
Итак, это стало предположением: в далекой Вселенной была дополнительная пыль, и причина, по которой сверхновые казались тусклее, заключалась не в том, что они были дальше из-за дополнительного расширения пространства, а в том, что пыль блокировал свет.
Пылинки, однако, бывают определенного размера, и размер пылинок определяет, какие длины волн света блокируются преимущественно, причем большая часть пыли лучше блокирует синий, чем красный свет. Вот почему во Вселенной есть много темных туманностей, которые блокируют видимый свет, но если вы посмотрите в инфракрасный телескоп, вы сможете увидеть звезды за этой туманностью.
Измерения различных длин волн света, однако, не показали преимущественного феномена блокирования света. Вместо этого они показали, что и красный, и синий свет уменьшались в равной степени. Вы можете подумать, что это исключает пыль как объяснение, но это не обязательно так. Что, если бы пыль в далекой Вселенной была нового типа, которая одинаково блокировала бы все длины волн света?
Этот неизвестный тип пыли, получивший название «серая пыль», может в равной степени блокировать все длины волн. Если бы вы создали популяцию пылинок с определенным распределением размеров, охватывающим много порядков в масштабе, теоретически это могло бы вызвать этот эффект затемнения одинаково на всех длинах волн. Хотя мы никогда не обнаруживали такого распределения пыли естественным образом, мы можем представить, что Вселенная создает его в местах, где мы не можем его измерить напрямую.
Таким образом, нам нужен был какой-то способ проверить это, и это включало в себя наблюдение за сверхновыми на разных расстояниях. Если бы это была серая пыль, ее должно было бы быть больше, продолжая блокировать все больше света на больших расстояниях. Вместо этого, если бы темная энергия была верна, расширение Вселенной предсказывает другой результат. К 2004 или 2005 году результаты были предельно ясны.
Темная энергия соответствовала тому, что мы видели; серой пыли не было.
Но значит ли это, что темная энергия должна быть реальной?
Не обязательно. Вы всегда можете изменить свое объяснение «серой пыли» таким образом, чтобы оно соответствовало данным: заставив эту серую пыль изменять плотность и местоположение с течением времени по мере расширения Вселенной: «пополнение серой пыли». Если вы введете метод создания новой серой пыли, чтобы поддерживать ее постоянную плотность по мере расширения Вселенной, вы снова сможете сопоставить данные.
Но никто не занимается восполнением серой пыли. К тому времени, когда мы получили этот набор данных, последние разумные скептики, продвигающие пыльные объяснения, уже сдались.
Причина проста: с добавлением достаточного количества дополнительных бесплатных параметров, предостережений, поведения или модификаций вашей теории вы можете буквально спасти любую идею. Пока вы готовы в достаточной мере подправить то, что вы придумали, вы никогда не сможете ничего исключить. Если бы вы хотели состряпать пыльное объяснение, имитирующее эффекты темной энергии, вы могли бы это сделать. Однако в какой-то момент вы теряете всякую физическую мотивацию, и вы придумываете многопараметрические объяснения, чтобы объяснить наблюдение, которое дал вам один свободный параметр - темная энергия - , прежде чем вы начали возиться со своей теорией пыли.
Более 100 лет назад физик Макс Планк сказал следующее:
Новая научная истина побеждает не потому, что убеждает своих противников и заставляет их прозреть, а потому, что ее противники в конце концов умирают, и вырастает новое поколение, знакомое с ней.
Мы часто перефразируем это так: «физика продвигает похороны за раз». Если вы приверженец идеи о том, что темная энергия не является хорошим объяснением Вселенной , которое обычно коренится в чувстве, а не в доказательствах , вы всегда можете придумать альтернативное объяснение тому, что мы наблюдаем. Но большинство таких объяснений, вроде пополнения серой пыли, - это пример специальной просьбы, а не пример хорошей научной работы.
Есть и другие способы заставить далекие сверхновые казаться тусклее, чем они должны быть, - например, заставить фотоны колебаться в аксионы - но это все равно не подходит для сверхновых со сверхвысоким красным смещением. Мы даже больше не полагаемся на сверхновые для существования темной энергии: у нас есть достаточно доказательств крупномасштабной структуры Вселенной и космического микроволнового фона, чтобы продемонстрировать ее необходимость.
Когда извращения, которые вы должны предпринять, чтобы спасти вашу конкурирующую идею, достигают уровня абсурда, вы должны отказаться от нее. Пыльная альтернатива темной энергии утратила всю свою предсказательную силу и физическую мотивацию. Темная энергия объясняет Вселенную, которую мы наблюдаем; пыли любой известной формы нет. Не предвзятость или предрассудки убили главного конкурента темной энергии. Это была информация из самой Вселенной.