Космологическая загадка-2

«Закат» космологической постоянной

С наблюдательным подтверждением нестационарности Вселенной необходимость в космологической постоянной отпала. Как говорят, Эйнштейн однажды назвал её введение в уравнения своей «самой большой оплошностью (blunder)», да и большинство физиков не испытывало к этой идее большой симпатии. Чтобы понять возможную причину такого неприятия, надо вспомнить записанное выше в весьма вольной форме уравнение Эйнштейна и правило из школьного курса алгебры: любое слагаемое из левой части уравнения можно перенести в правую, изменив при этом его знак. Если перенести в правую часть слагаемое с космологической постоянной, оно будет неотличимо от выражения, описывающего плотность энергии вакуума.

Стоит ли отождествлять космологическую постоянную и плотность энергии вакуума - отдельный вопрос, который до сих пор обсуждается, хотя на первый взгляд это выглядит вполне естественным.

Стоит заметить, что в самом по себе выражении «плотность энергии вакуума» противоречия нет. Квантовая механика - второе после ОТО величайшее достижение физики XX века - показала, что основное состояние любой физической системы - вакуум - обладает ненулевой энергией, и эту энергию можно посчитать. Однако в квантовой механике самой по себе эти «нулевые колебания» ни на что не влияют - по крайней мере, до тех пор, пока они не начинают взаимодействовать с другими системами. Выбрать нуль-пункт отсчёта энергии можно любой - вероятности физических явлений от этого не изменятся. Последнее неверно в ОТО: здесь наличие любой плотности энергии, согласно основному уравнению, влияет на геометрию пространства-времени.

Рассуждения здесь, впрочем, вступают на довольно скользкую почву, поскольку теории, объединяющей ОТО и квантовую механику, до сих пор нет. В её отсутствие можно было бы положиться на синтетический подход, в котором плотность энергии вакуума рассчитывается исходя из квантовомеханических соображений, а полученный результат подставляется в уравнения ОТО.

Трудность здесь только в том, что квантовомеханический расчёт предсказывает значения, несовместимые с самим существованием Вселенной такой, какой мы её знаем.

По-видимому, первым на это несоответствие обратил внимание Вольфганг Паули, и результаты свои он даже не решился публиковать.

Пыль Китая облетела вокруг света

Пылевые бури, бушующие в пустынях, сказываются и на судьбе прилежащих территорий – они уничтожают плодородный слой почвы, в прямом смысле слова «стирают» молодые побеги и не лучшим образом сказываются на дыхании и без того редких животных. Впрочем, соседними участками их действие не ограничивается – например, пыль из Сахары переносится через Атлантический океан, обогащая железом и другими минералами не только морские просторы, но и Центральную и Южную Америку.

Ицуши Уно из Университета Киушу и его коллеги показали ещё более глобальный эффект:

пылевые облака, рожденные китайской пустыней Такла-Макан, обогнули земной шар за 13 суток и продолжили своё движение на восток.

Выбор объекта исследования не случаен – это одна из самых крупных песчаных пустынь мира. Резко континентальный климат вкупе с ничтожным количеством осадков дестабилизируют поверхностный слой песка: сначала частицы начинают вибрировать, а потом и «скакать» – так и рождаются песчаные бури.

Один из таких «штормов» и наблюдали японские и американские ученые. Появившийся 8–9 мая 2007 года феномен, сопровождавшийся ветром со скоростью более 10 м/с, поднял облака на высоту тибетского плато – 5 с лишним километров. За счет градиента скорости воздушных потоков, создаваемого горами, и естественной конвекции (движение теплых масс вверх) подъем продолжился, и через 24 часа пыль была уже в верхней тропосфере на уровне 8–10 километров.

Всё это авторы публикации в Nature Geoscience наблюдали с помощью лидара, установленного на спутнике CALIPSO.

Выведенный на орбиту в 2006 году, этот метеорологический спутник и предназначался для изучения формирования и миграции аэрозолей в атмосфере. Находясь на высоте примерно в 700 километров, CALIPSO регистрирует рассеивание лазерного излучения, воссоздавая трехмерную картину обычных и пылевых облаков.

Подкрепив космические измерения данными с Земли, Уно и его коллеги показали, что облако, растянувшись на 500–1000 километров, передвигается в рамках вполне четкого горизонтального слоя с запада на восток. В отличие от уже упомянутых облаков из Сахары, пыль из Такла-Макан более стабильна: располагаясь в тропопаузе, она практически не вовлекается в формирование осадков. По этой причине азиатская пыль формирует основу пылевого фона атмосферы, неизбежно сказывающегося на её оптических свойствах.

Сделав один круг, пылевые облака вернулись в Такла-Макан, подоспев как раз к началу следующей пылевой бури.

Стало ли одно первое облако причиной рождения второго, авторам ещё предстоит выяснить, однако в контакт они вступили друг с другом лишь над акваторией Тихого океана. Там пыль двухнедельной давности спустилась на 5 километров, перемешалась со свежей и продолжила своё движение. Впрочем, далеко улететь ей уже не удалось – на этой высоте она стала доступна для осадков, пролившихся над океаном, а отдельные пылинки даже выступили в роли активных центров снегообразования.

Грязный дождь и снег для северных морей оказался равноценен дорогому удобрению, ведь в песке и пыли содержится немало железа и других минералов, которых так не хватает водорослям. Хотя расцвет жизни в Тихом океане мы вряд ли увидим – в среднем в Такла-Макан рождается 4–6 таких бурь в год, и их количество снижается с развитием глобального потепления.

По мнению авторов, эта отрицательная обратная связь, пока не нашедшая логического объяснения, может даже немного компенсировать эффекты глобального потепления, стимулируемого сажей и парниковыми газами, в избытке образующимися в этом же регионе.