В 2016 году научное сообщество всколынуло заявление группы физиков во главе с Субиром Саркаром, поставившее под сомнение существование темной энергии — одной из главных загадок современной космологии. Проанализировав расширенный массив данных по сверхновым звездам, исследователи пришли к выводу, что Вселенная может расширяться с постоянной скоростью, без какого-либо ускорения. В этом материале ведущий научно-популярного канала PBS Space Time Мэтт О'Дауд подробно разбирает аргументы критиков и объясняет, почему космологи пока не спешат переписывать учебники и закрывать проекты по изучению темной энергии.
💥 Революция 1998 года и открытие темной энергии 0:00
В 1998 году две независимые группы астрономов сделали заявление, перевернувшее наши представления о космосе: Вселенная не просто расширяется, но делает это с ускорением . Открытие было сделано благодаря наблюдениям за взрывами сверхновых типа Ia .
Эти вспышки белых карликов обладают предсказуемой светимостью, что делает их идеальными «стандартными свечами» для определения космических расстояний . Составив карту масштабов Вселенной на миллиарды лет в прошлое, ученые ожидали увидеть замедление расширения под действием гравитации . Вместо этого они обнаружили, что последние несколько миллиардов лет расширение Вселенной ускоряется .
Чтобы объяснить этот феномен, ученые ввели понятие «темной энергии» — гипотетической силы, создающей отрицательное давление и противодействующей гравитации . Это открытие принесло руководителям исследовательских групп — Адаму Риссу, Брайану Шмидту и Солу Перлмуттеру — Нобелевскую премию по физике .
🔍 Новое исследование: атака на «индустриальный стандарт» 1:43
В октябре 2016 года команда ученых, в состав которой вошли Нильсен, Гуффанти и Саркар, опубликовала в престижном журнале Nature статью под названием «Marginal evidence for Cosmic acceleration from type 1A Supernova» . Используя значительно пополнившуюся базу наблюдений за сверхновыми, они решили перепроверить выводы нобелевских лауреатов .
Основные особенности нового исследования:
- Масштаб выборки: Новые авторы проанализировали 740 сверхновых типа Ia . Для сравнения, в исторических работах 1998 года Адам Рисс и Брайан Шмидт использовали всего 10 объектов, а Сол Перлмуттер — 49 .
- Смелое заявление: По мнению авторов статьи, накопленный массив данных прекрасно согласуется со сценарием, в котором никакого ускорения нет, а Вселенная расширяется с постоянной скоростью .
- Реакция медиа: Пресса мгновенно растиражировала эти выводы под заголовками об «исчезновении темной энергии», практически не вдаваясь в научные детали .
Как отмечает Мэтт О'Дауд, на первый взгляд логика проста: больше данных — выше надежность . Однако дьявол кроется в деталях статистической обработки этих данных.
📊 Статистический анализ: магия уровней значимости (Sigma) 3:58
Чтобы разобраться в достоверности выводов, Мэтт О'Дауд предлагает обратиться к языку цифр и статистических погрешностей.
В космологические уравнения Эйнштейна для описания антигравитационного эффекта темной энергии вводится так называемая космологическая постоянная, обозначаемая греческой буквой $\Lambda$ (лямбда) . Если лямбда существует и больше нуля, значит, темная энергия реальна .
В новой работе ученые заявляют о «трехсигмовом» ($3\sigma$) уровне уверенности в том, что космологическая постоянная больше нуля . Мэтт О'Дауд объясняет, что это означает на практике:
- Уровень значимости $3\sigma$ означает, что при многократном повторении эксперимента примерно в 0,27% случаев (1 шанс из 300) случайные шумы и погрешности в данных могут показать наличие темной энергии там, где ее на самом деле нет .
- В масштабах мировой науки, где одновременно проводятся тысячи исследований, ложноположительные результаты уровня $3\sigma$ случаются регулярно .
- Для признания фундаментального открытия физики требуют надежности на уровне не менее $5\sigma$ . Вероятность ложного результата в таком случае составляет всего 1 на 3,5 миллиона .
Таким образом, новые данные по сверхновым сами по себе не опровергают темную энергию. Они лишь указывают, что на основе только одной этой выборки нельзя со стопроцентной уверенностью утверждать, что расширение ускоряется .
🛠️ Инструмент кросс-валидации: почему нельзя доверять только одному источнику 6:01
Медиа упустили ключевой факт: оригинальные статьи нобелевских лауреатов 1998 года на основе только первых данных по сверхновым также давали уровень значимости не выше $3\sigma$ . Но почему тогда научный мир безоговорочно принял их выводы?
По словам Мэтта О'Дауда, физики никогда не полагаются на один тип наблюдений . Наличие темной энергии подтверждается перекрестным анализом сразу трех независимых космологических инструментов .
Для наглядности используется график баланса плотности энергии во Вселенной, где по оси Y отложена доля темной энергии ($\Omega_\Lambda$), а по оси X — доля обычной и темной материи ($\Omega_m$) :
- Сверхновые звезды (Type Ia Supernovae): На графике они дают широкую область возможных значений (синие овалы) . Граница зоны погрешности в $3\sigma$ действительно касается линии нулевой темной энергии . Но этот же крайний случай предполагает, что во Вселенной почти нет и обычной материи .
- Плотность материи ($\Omega_m$): Подсчет галактик и взвешивание скрытой массы показывают, что материя составляет не менее 20-30% от общей плотности Вселенной ($\Omega_m \approx 0.3$) . Это сразу отсекает левую часть графика и исключает сценарий «без темной энергии» по данным сверхновых .
- Реликтовое излучение (CMB): Измерения углового масштаба флуктуаций космического микроволнового фона указывают на то, что наша Вселенная геометрически плоская ($\Omega_\Lambda + \Omega_m = 1$) . На графике параметры плоской Вселенной лежат строго на диагональной линии .
Когда астрофизики математически объединяют независимые контуры достоверности от наблюдений сверхновых и реликтового излучения, область их пересечения сжимается в крошечное пятно . Точка «нулевой темной энергии» оказывается настолько далека от этой зоны совмещенных данных, что вероятность ее существования падает далеко за пределы жесткого критерия $5\sigma$ .
Существуют и другие независимые подтверждения, например, барионные акустические осцилляции (BAO) . Кроме того, концепция ускоренного расширения не выглядит чуждой для космологов: по общепринятым представлениям, нечто подобное уже происходило на самом раннем этапе жизни Вселенной в эпоху космической инфляции .
🔬 Значение научной дискуссии и послесловие ведущего 11:13
Несмотря на то, что сенсация о «пропаже» темной энергии оказалась преувеличением, Мэтт О'Дауд подчеркивает огромную важность подобных критических работ . Они демонстрируют главное преимущество научного метода: ни один, даже самый авторитетный и нобелевский результат не застрахован от повторных проверок и сомнений . Ученым теперь предстоит детально разобраться, почему новые методы обработки данных привели к некоторому расширению статистической погрешности .
🚀 Колонизация Марса и домашняя физика: ответы на вопросы зрителей 13:13
В конце выпуска Мэтт О'Дауд ответил на популярные комментарии к прошлым видео .
Жизнь на Марсе: гравитация и здоровье
Ряд зрителей раскритиковал идею Мэтта о строительстве гигантских городов-центрифуг на Марсе, предположив, что марсианской гравитации в 0.4g будет достаточно для поддержания здоровья костей .
Ведущий парировал это замечание, указав на неочевидные медицинские аспекты:
- Постоянное ношение утяжеленной одежды или ботинок помогает тренировать только скелет и мышцы .
- До сих пор неизвестно, как в условиях пониженной гравитации на протяжении десятилетий будут работать внутренние органы человека, в особенности сердечно-сосудистая система .
- Строительство вращающихся городов на магнитной подвеске внутри герметичных торов остается вполне жизнеспособной инженерной перспективой .
Физика на кухне: как увидеть интерференцию без приборов
Отвечая на вопросы об эксперименте Томаса Юнга с двумя щелями (впервые проведенном в 1803 году ), Мэтт О'Дауд поделился простым способом увидеть дифракцию света прямо у себя дома .
Для этого не нужны сложные лазерные установки и нанометровые щели . Достаточно поднести два пальца очень близко друг к другу, оставив крошечный зазор, расположить их вплотную к глазу и посмотреть на яркий источник света . Темные вертикальные полосы, которые появятся в просвете — это не грязь или дефект зрения, а самые настоящие полосы деструктивной интерференции света, известные в физике как дифракция Фраунгофера .
