Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Темную материю и темную энергию я проиллюстрировал с помощью яблок в саду Исаака Ньютона. Яблоко из темной материи было не только невидимо, но и проходило сквозь землю, при этом не замедляясь. Находясь в саду Ньютона, мы также познакомились с темной энергией. Яблоко из темной энергии было таким же невидимым, как и яблоко из темной материи, но оно падало вверх! Темная энергия действует как отталкивающая сила гравитации.

3.1. Так экзотична, так проста!

Как я упоминал в начале книги, считается, что Вселенная состоит на 5 процентов из обычной материи, на 25 — из темной материи и на 70 — из темной энергии. Только представьте: больше половины книги уже позади, но только сейчас мы приступаем к главному ингредиенту Вселенной — темной энергии. Почему же ей достается намного меньше внимания, чем темной материи? Одна из причин, конечно же, заключается в том, что мы уже потратили много времени на изучение общих свойств Вселенной и способов наблюдения за ними. Мы поняли, что такое скопления галактик и реликтовое излучение. Теперь настало время пожинать плоды наших стараний. Другая причина заключается в том, что мы знаем о темной энергии гораздо меньше, чем о темной материи. Например, нет никаких экспериментов по поиску частицы темной энергии.

Но третья и, возможно, самая основная причина того, почему на темную энергию нам потребуется меньше времени, вот какая: темная энергия ведет себя гораздо проще. Понимаю, звучит странно. Когда явление настолько экзотично, что одновременно и невидимо, и связано с отталкивающей гравитацией, вполне естественно ожидать еще и эффектного поведения. Но именно отталкивающая гравитация обуславливает простоту темной энергии.

На карте реликтового излучения мы наблюдали множество пятен. Узор из пятен говорит о том, что в определенных точках Вселенной материя распределялась чуть более плотно, а в каких-то — чуть менее. Я еще назвал их семенами, из которых впоследствии произросло все во Вселенной. Дело в том, что гравитация притягивает обычную (ну и темную) материю. Силы притяжения заставляли плотные области притягивать к себе все больше и больше материи и становиться еще плотнее. Это, в свою очередь, усиливало гравитацию, а и без того плотные сгустки вещества впитывали еще больше материи. Из-за гравитации неоднородности во Вселенной постоянно усиливаются. А вот и результат: на сегодняшний день неоднородная Вселенная заполнена областями со сгустками материи, такими как скопления галактик, галактики и звезды. Пространство же между ними, по большому счету, пусто.

Этот эффект можно сравнить с распределением людей в большой столовой. Давайте представим, что места там гораздо больше, чем желающих пообедать. Общительным людям во время обеда свойственно садиться рядом. То есть получается, что большинство столов останутся совсем пустыми, в то время как у некоторых и яблоку будет негде упасть. Люди притягивают друг друга и объединяются в несколько групп.

Обратный эффект в той же столовой создают интроверты- одиночки, которые просто хотят спокойно пообедать, читая газету. Тогда можно представить, что между людьми тоже существуют некие отталкивающие силы. Все новоприбывшие из таких одиночек постараются сесть подальше от ближайшего соседа. В результате все рассядутся достаточно равномерно. И вместо скоплений тех, кто любит пообщаться, перед нами появится равномерная и одиночная рассадка.

То же самое происходит и с темной энергией. Отталкивающая гравитация заставляет темную энергию противостоять образованию скоплений. Вместо этого она накрывает Вселенную тонким ровным одеялом. А без скоплений все становится гораздо проще: никаких комков ни в галактиках, ни в скоплениях галактик — все однородно.

(Строго говоря, темная энергия может немного накапливаться, в зависимости от того, что на самом деле из себя представляет. Но космологическая постоянная не образует сгустков темной энергии.)

3.2. Ускоряющееся расширение Вселенной

Темная энергия связана с мощными взрывами звезд, протяженностью волн в миллиарды галактик и судьбой Вселенной. С темной энергией связан также величайший ум прошлого столетия, Альберт Эйнштейн, и его «величайшая ошибка».

Но раз темная энергия распределена по миру равномерно, напрашивается вопрос: как же нам ее обнаружить? Или вообще понять, что темная энергия из себя представляет? А ответ такой: надо изучить историю Вселенной, ведь так отталкивающая гравитация наверняка хоть где-то, да проявит себя.

Вселенная не статична, а постоянно расширяется. Это стало известно уже в 1920-х годах, благодаря наблюдениям, которые вымостили дорогу к современным представлениям о Вселенной, порожденной Большим взрывом. Давайте-ка посмотрим, как открыли расширение Вселенной. Это по меньшей мере просто интересно. А еще метод исследования был практически идентичен тому, при помощи которого спустя почти 70 лет открыли темную энергию.

Все началось в 1915 году. Тогда Альберт Эйнштейн закончил работу над общей теорией относительности — к ней мы вскоре вернемся. Затем американский астроном Весто Слай- фер опубликовал результаты серии измерений, которые показали, что большинство галактик удаляется от нас. Однако измерения Слайфера были довольно неточными, а потому окончательный вывод о расширении Вселенной сделали лишь через несколько лет.

Следующий научный прорыв произошел в 1929 году благодаря наблюдениям американского астронома Эдвина Хаббла. Ученый измерил расстояние до 24 галактик и их красное смещение. Он определил расстояния, измерив яркость цефеид, звезд с известной светимостью, так же как это ранее сделал Фриц Цвикки. И, кстати, красное смещение тоже должно было вам напомнить о Фрице Цвикки и Вере Рубин. Как и эти ученые, Хаббл вспомнил тот факт, что у газов уникальные «отпечатки пальцев» — так называемые спектральные линии, то есть каждый газ излучает световые волны определенной длины. И точно так же, как Цвикки и Рубин, Хаббл обращал внимание на то, насколько смещались эти длины волн, и использовал это впоследствии для измерения скорости удаления или приближения галактик относительно Солнечной системы. Результат оказался ошеломляющим. Выяснилось, что чем больше расстояние между галактиками, тем выше скорость их взаимного удаления друг от друга. И это едва не перевернуло наши представления о Вселенной.

^{Жорж Деметр осознал значение наблюдений Хаббла. Фотография, вероятно, сделана в 1933 году.}

Хоть исследования и проводил Хаббл, вовсе не ему на ум пришла новаторская и правильная интерпретация данных. А додумался до этого бельгийский священник и астрофизик Жорж Леметр.

(До Леметра это сделал российский ученый А. А. Фридман, опубликовавший в 1922 г. в ведущем европейском журнале «Zeitschrift fur Physik» нестационарные решения уравнений Эйнштейна, описывающие расширяющуюся Вселенную. Редактор.)

Еще в 1927 году, за два года до статьи Хаббла, он сформулировал модель Вселенной, которая объясняла наблюдения американского коллеги. К сожалению, работу Леметра опубликовали в небольшом бельгийском научном журнале, а международную известность она получила лишь в 1931 году, после перевода на английский. Для создания модели Вселенной, способной расширяться или сжиматься, Леметр прибег к теории относительности Эйнштейна. Он также показал, что в такой модели расширение приведет к красному смещению света в отдаленных галактиках. Почему?

Когда я рассказывал о реликтовом излучении, мы поняли, что световые волны будут растягиваться и становиться длиннее по мере движения сквозь расширяющуюся Вселенную, прямо как нарисованная на надувающемся воздушном шаре линия. Во Вселенной этот эффект особенно хорошо заметен на отдаленных галактиках. Свет из таких галактик прошел долгий и нелегкий путь. Проходя через постоянно растущую Вселенную, световые волны растягиваются и становятся длиннее. Получаем красное смещение. Такой тип красного смещения называется космологическим (метагалактическим). Чем-то напоминает эффект Доплера, хотя он возникает по совершенно иной причине.

Во время наблюдения красного смещения трудно сказать наверняка, насколько оно обусловлено эффектом Доплера, а насколько — расширением Вселенной. На малых расстояниях, например между ближайшими галактиками и скоплениями галактик, эффект Доплера может быть больше космологического красного смещения. Но по мере увеличения расстояния космологическое красное смещение начинает преобладать, поскольку оно увеличивается с расстоянием, в отличие от эффекта Доплера. Хаббл открыл космологическое красное смещение, так как ему первому удалось провести точные наблюдения за спектрами наиболее далеких галактик.

Наблюдения Хаббла свидетельствуют о расширении Вселенной. А если Вселенная расширяется, то все, что мы видим вокруг себя, в прошлом было ближе друг к другу. Если отмотать время подальше назад, то мы увидим, что все располагалось друг к другу так близко, что ближе просто не придумаешь. Теория Л еметра и наблюдения Хаббла не только свидетельствовали о расширяющейся Вселенной — они еще и рассказали о Большом взрыве.

Астрономическое сообщество не сразу приняло идею Большого взрыва. Возможно, на это повлиял тот факт, что теорию выдвинул священник и в глазах многих концепция была уж слишком похожа на библейское сотворение мира. Но были и более обоснованные возражения. Например, измерения Хаббла показали, что Большой взрыв произошел около миллиарда лет назад, что намного меньше предполагаемого возраста современной Вселенной. Да и вообще, уже тогда считалось, что Земля сформировалась более миллиарда лет назад. Как-то подозрительно: планета старше Вселенной. Но, как мы уже убедились на примере измерений Фрица Цвикки, ранние измерения расстояний имели значительные погрешности, потому что цефеиды были недостаточно хорошо изучены. Таким образом, используя неправильные данные о светимости цефеид, Хаббл и Леметр получили неправильное значение скорости расширения Вселенной. Позже все встало на свои места и возраст расширяющейся Вселенной перестал вызывать подозрения в сравнении с возрастом Земли. Но до открытия реликтового излучения в 1964 году астрономическое сообщество весьма холодно принимало теорию Большого взрыва.

Одно дело — определить скорость расширения Вселенной. И другое — выяснить, всегда ли она была такой.

Представьте, что вы подбрасываете камень. Сначала его скорость будет стремительно увеличиваться, но потом сила притяжения Земли заставит камень замедлиться. Примерно так и ведет себя Вселенная, где существует исключительно «притягивающая» гравитация. Сначала Вселенная будет крайне быстро расширяться, а затем гравитационные силы замедлят процесс. Расширение будет происходить все медленнее и медленнее. Однако с отталкивающей гравитацией мы получим обратный эффект. Если вы бросите в воздух камень, взаимодействующий с отталкивающей гравитацией, его скорость увеличится. Точно так же отталкивающие силы гравитации заставят Вселенную расширяться все быстрее и быстрее. Именно ускоренное расширение пространства является главным указателем на темную энергию.

Вплоть до середины 1990-х годов считалось, будто существует только «притягивающая» гравитация. Тогда самой основной задачей было определить количество материи во Вселенной. Если бы оказалось, что материи много, то гравитация бы рано или поздно сильно замедлила расширение, а в конечном итоге вообще заставила бы Вселенную сжиматься. Получился бы так называемый «Большой хлопок» (Big Crunch) — как Большой взрыв, только наоборот. А если бы оказалось, что материи мало, силы притяжения не смогли бы остановить расширение. По мере роста Вселенной расширение бы замедлялось. Но в то же время вещество, создающее притягивающую гравитацию, будет распространяться по постоянно возрастающему объему и торможение не сможет остановить расширение. Вселенная будет расширяться вечно. Вопрос о судьбе Вселенной стал одним из важнейших.

И хотя отталкивающая гравитация в стандартной картине Вселенной до этого отсутствовала, все больше людей задавались вопросом существования определенных отталкивающих сил.

С возрастом Вселенной тоже не все так гладко. Давайте снова представим подброшенный вверх камень. Только на этот раз вы его не трогали, а просто наблюдаете из окна, как камень пролетает мимо. Предположим, вы решили измерить скорость и вышло 10 км/ч. Эта скорость понадобится, чтобы вычислить, сколько времени прошло с того момента, как камень подбросили. Если предположить, что на камень действует притягивающая гравитация, то это будет означать, что до того, как он достиг окна, скорость превышала 10 км/ч. А если отталкивающая, то камень должен был двигаться медленнее 10 км/ч до встречи с окном. Если считать, что на камень действовала отталкивающая гравитация, то лететь он должен был гораздо дольше, чем под действием обычной. А виной тому более низкая скорость.

Аналогия со Вселенной очевидна. Хаббл и его последователи измерили скорость расширения сегодня. Если мы предположим, что во Вселенной есть отталкивающая гравитация, то раньше она расширялась бы медленнее. Таким образом, время, прошедшее с момента Большого взрыва, будет больше, чем если бы Вселенная подвергалась воздействию только обычной гравитации.

В начале 90-х ученые столкнулись еще с одной проблемой: казалось, будто некоторые из самых древних звезд старше самой Вселенной. Отталкивающая гравитация позволила разобраться с этим парадоксом. Ведь так возраст Вселенной увеличится, а парадокс исчезнет.

Тем временем другие астрономы изучали общую картину крупномасштабных структур во Вселенной. Они каталогизировали местоположения нескольких миллионов галактик. Впоследствии их можно было использовать как карту распределения вещества. Результаты можно сравнить с нашими теоретическими расчетами о распределении галактик, если бы на эволюцию Вселенной влияла только обычная гравитация. Теория и наблюдения не совпадали. В короткой статье, написанной Джорджем Эфстатиу в соавторстве с другими учеными и опубликованной в престижном научном журнале Nature в 1990 году, утверждается, что наблюдения лучше соответствуют теоретическим расчетам, если считать, что бблыпую часть Вселенной на сегодняшний день составляет темная энергия. Имеются и другие результаты исследований, указывающие в том же направлении.

Потребность в отталкивающей гравитации начала просачиваться сквозь трещины нашего понимания Вселенной. Но большинство астрономов все еще скептически относились к столь экзотическому явлению, как темная энергия. Смелые заявления требовали надежных доказательств, вот только доказательства эти отсутствовали. В 1998 году две группы ученых опубликовали свои измерения далеких сверхновых. А вместе со сверхновыми на повестке дня вновь оказался вопрос о темной энергии.

Вспышка сверхновой — одно из мощнейших явлений Вселенной, во время которого гигантские звезды разлетаются на части. Во время взрыва сверхновая может на пару дней или недель превзойти яркостью целую галактику Но тут речь идет не только об эффектном явлении. Ведь, несмотря на разрушительную природу вспышек сверхновых, своим существованием человечество обязано остаткам сверхновой.

Первоначально, когда реликтовое излучение только образовалось, во Вселенной не было практически ничего, кроме атомов водорода и гелия — легчайших химических элементов. Было, правда, незначительное количество еще двух элементов — лития и бериллия. А все остальные химические элементы образовались вследствие ядерных реакций в звездах. Соответственно, даже земные кислород и углерод появились благодаря звездам. Когда звезда гаснет и умирает, все элементы разлетаются по космосу и начинают объединяться в новые системы, такие, например, как наша Солнечная. А потому можно с полной уверенностью сказать, что люди состоят не только из углерода, но и из звездной пыли.

Только вот незадача: звездные ядерные реакции не вырабатывают химических элементов тяжелее кислорода. Тем не менее на Земле полно более тяжелых элементов, таких как железо и свинец, не говоря уже о кремнии, который составляет до 28 процентов массы Земли. Львиная доля этих элементов образовалась при вспышках сверхновых. Иными словами, мы не просто звездная пыль — мы еще и пыль сверхновой. Без сверхновых нас вообще бы не было.

Как и многое другое во Вселенной, сверхновые встречаются всевозможных форм и размеров. По сути, наш старый знакомый Фриц Цвикки, швейцарец, изучавший скопления галактик, был пионером в классификации сверхновых и разделении их на подгруппы.

Подкатегории характеризуются спектрами, содержащими следы разного количества химических элементов. Кроме того, сверхновые обладают разным периодом светимости. Но один тип сверхновых представляет для наших поисков темной энергии особый интерес — в классификации он называется «тип 1а».

На пике сверхновые этого типа пылают с одинаковой светимостью, поэтому астрономы могут использовать их как стандартные свечи. Помните, мы ранее говорили о пульсирующих переменных звездах с известной светимостью — цефеидах? Известная яркость позволяет нам рассчитать расстояние до цефеид, измерив количество получаемого света точно так же, как расстояние до особняка, когда мы смотрим на свет факелов вдоль дороги. Яркость цефеид привлекательна еще и потому, что их можно увидеть с большого расстояния. Мы уже поняли, что цефеиды светят в несколько десятков тысяч раз ярче Солнца. Но тут появляются новые стандартные свечи: вспышки сверхновых типа 1а, которые светят уже примерно в пять миллиардов раз ярче Солнца и в миллион раз ярче цефеид. А это дает нам возможность наблюдать за сверхновыми типа 1а, находящимися в тысячу раз дальше, чем цефеиды.

Но вспышки сверхновых встречаются редко и длятся недолго. Через несколько дней или недель после взрыва они уже начинают тускнеть. Кроме того, мы никогда не знаем, где и когда ожидать следующую вспышку. Следовательно, если использовать сверхновые для картографирования расстояний во Вселенной, необходимы систематические и точные исследования. Только в 1990-х годах ученые смогли начать использовать сверхновые для измерения Вселенной на гораздо большие расстояния, чем раньше. Результат оказался ошеломляющим.

Но, прежде чем восхищаться результатами, давайте посмотрим, что же такое сверхновая типа 1а. И почему у этих сверхновых именно такая светимость?

Сверхновые типа 1а образуются в двойных системах, где две звезды обращаются друг вокруг друга. Такое явление на просторах Вселенной не редкость. Но для рождения сверхновой типа 1а необходимо выполнить еще несколько условий. Для начала одна из звезд должна быть так называемым белым карликом.

Белые карлики — это старые потухшие звезды. Они израсходовали химические элементы, ранее служившие топливом для термоядерных реакций, а поэтому белый карлик лишь тлеет, излучая остатки былого тепла. Но не все звезды в конце своего жизненного пути превращаются в белые карлики. Какой будет смерть звезды, зависит по большей части от се первоначальной массы. Звезды в диапазоне от половины до восьми солнечных масс превращаются в белые карлики. Нашего любимого Солнца это тоже касается, но, к счастью, этой стадии оно достигнет лишь через миллиарды лет. А вот более массивные звезды в итоге превращаются в старые добрые нейтронные звезды или черные дыры. Ранее я писал, что бутылка из-под газировки с нейтронным веществом весила бы как вся вода в озере Мьёса. С белыми карликами дело обстоит несколько иначе, однако они настолько компактны, что та же бутылка с веществом белого карлика будет весить как реактивный самолет.

Эволюция живой звезды в белый карлик похожа на драматичный танец со смертью, в котором звезда сбрасывает с себя вещество. И поэтому масса оставшегося белого карлика никогда не будет превышать массу Солнца больше, чем в 1,44 раза. Это такая особая граница, известная как предел Чандрасекара, названный в честь индийского астрофизика Субраманьяна Чандрасекара (1910–1995). В активной звезде, где в центре происходят ядерные реакции, всегда будет сохраняться баланс между излучением термоядерных реакции, выталкивающим вещество звезды наружу, и силой гравитации, сжимающей звезду внутрь. В белом карлике же никаких ядерных реакций нет и в помине, однако гравитация по-прежнему не отступает. От коллапса звезду удерживает только то, что называется давлением вырожденного электронного газа. Это квантовомеханический эффект, заставляющий электроны сопротивляться сжатию. Как только масса белого карлика превышает верхний предел, давление электронного вырождения теряет свою власть. Равновесие между силой гравитации и силой давления, а значит, и сам белый карлик терпят крах.

Но как может белый карлик, масса которого в 1,44 раза больше массы Солнца, внезапно превысить этот магический предел? И вот тут в игру вступает вторая звезда-компаньон вместе со вторым условием образования сверхновой типа 1а. Если белый карлик обращается вокруг другой, как правило, более крупной звезды, гравитационная сила белого карлика сможет притянуть вещество своего компаньона. Обычные активные звезды обладают протяженной атмосферой, вещество которой непрерывно притягивается к поверхности белого карлика. Со временем белый карлик становится все более и более массивным, пока не достигнет предела Чандрасекара, и тогда… Бум! Вот вам и сверхновая типа 1а.

Понятное дело, ход событий, во время которых рождается сверхновая, значительно сложнее, чем просто взрыв, но общий принцип я вам описал. Удивительно, что все эти взрывы случаются с весьма схожими между собой звездами с практически одинаковой массой, а именно 1,44 массы Солнца. Поэтому и все вспышки сверхновых этого типа очень похожи, что позволяет нам использовать их в качестве мощных стандартных свечей. Правда, у этих сверхновых тоже есть различия. Точная светимость зависит, в частности, оттого, какой газ белый карлик притянул от соседней звезды. А еще эти различия заметны благодаря скорости затухания звезды.

(Некоторые сверхновые типа la образуются при столкновении двух белых карликов. У них может быть немного другая яркость, и об этом эффекте не стоит забывать при использовании сверхновых типа 1а в качестве стандартных свечей.)

Сегодня мы не сомневаемся, что во всем этом можно разобраться. Поэтому при обнаружении сверхновой типа 1а в далекой галактике мы можем изучить, насколько быстро уменьшается яркость в первые несколько дней. Таким образом нам удается довольно точно определить, какой была максимальная светимость, а потом сравнить с дошедшим до нас светом. Получается, с помощью простейшей математики можно рассчитать расстояние точно так же, как с цефеидами или факелами вдоль дороги.

Однако в сверхновых интересна не только их яркость. Еще можно наблюдать спектральные линии и, следовательно, красное смещение. Используя сверхновые в качестве стандартных свечей, можно сделать то же самое, что сделал Хаббл, когда открыл расширение Вселенной. Но сверхновые позволяют заглядывать гораздо дальше в космос, чем Хаббл со своими цефеидами вообще смел надеяться.

Таким образом, наблюдая далекие вспышки сверхновых, можно определить как расстояние (на основе яркости), так и степень расширения пространства с момента начала излучения света (через красное смещение). А еще, глядя на отдаленные объекты, мы заглядываем в прошлое. Чем дальше от нас сверхновая, тем более отдаленный период мы можем рассмотреть. Наблюдая за множеством сверхновых на различном расстоянии от Земли, мы словно создаем обратную временную шкалу истории Вселенной. Соответственно, мы можем измерить, как со временем меняется красное смещение. Значит, мы способны выяснить, насколько быстро Вселенная расширяется последние миллиарды лет. Взрывающиеся белые карлики становятся маяками, освещающими историю Вселенной. Помимо того, что вспышки сверхновых выполняют функцию стандартных свечей, остатки от взрывов можно считать одними из красивейших объектов во Вселенной. На рисунке вы увидите тысячелетние останки сверхновой звезды типа 1а, на которую весь мир мог любоваться в 1006 году нашей эры.

^{В 1006 году н. э. звездочеты со всего мира наблюдали за вспышкой сверхновой. В ходе исследований выяснилось, что, скорее всего, это сверхновая типа 1а. Так выглядят остатки взрыва сегодня. SN1006 (так называется эта сверхновая) находится в 7200 световых годах от нас, а точнее — в нашем галактическом райончике. На рисунке показаны наблюдения, сделанные с космической рентгеновской обсерватории «Чандра». Цвета изменены.}

Ежегодно в январе Американское астрономическое общество (American Astronomical Society) организовывает грандиозную конференцию. На таких встречах представляют многие новаторские результаты исследований. И конференция 1998 года не стала исключением. На ней объявили об открытии, которому суждено было перевернуть наш мир с ног на голову, а именно об открытии темной энергии.

Чуть менее чем за год до этого, в июле 1997 года, были представлены результаты исследовательского проекта Supernova Cosmology Project. Тогда еще без особых сенсаций. С 1988 года группа ученых под руководством Сола Перлмуттера занималась поиском далеких сверхновых. Они ставили перед собой цель описать историю расширения Вселенной, изучая взаимосвязь между красным смещением и яркостью от далеких сверхновых типа 1а. Однако вспышки сверхновых — явление не самое частое, поэтому для большей точности наблюдений ученые разработали методику, позволяющую сначала следить за обширными небесными пространствами, используя небольшой телескоп. А уже после обнаружения сверхновой маленьким телескопом можно было подключить к наблюдениям большой телескоп, использование которого обходилось недешево.

В статье 1997 года группа Перлмуттера представила наблюдения за семью далекими сверхновыми. Они также выяснили, из чего должна была состоять Вселенная, чтобы подтверждать эти наблюдения. Представленный результат соответствовал ожиданиям большинства современников. Наблюдаемые ими сверхновые свидетельствовали о том, что Вселенная наполнена обычным веществом и нет никакой потребности в добавлении странных ингредиентов, таких как темная энергия. В статье они даже пишут, что их результаты несовместимы со Вселенной, в которой преобладает темная энергия, но к собранию Американского астрономического общества шесть месяцев спустя все изменилось. Результаты, к которым теперь добавились несколько новых сверхновых, указывали на то, что Вселенная расширяется с увеличивающейся скоростью, Вселенная, в которой невероятно много отталкивающей гравитации.

^{Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисе руководили работой по наблюдениям сверхновых, рассказавших нам об ускоряющейся Вселенной.}

Почему же всего за полгода выводы настолько изменились? А все потому, что было проанализировано большее количество сверхновых. В 1997 году ученые исследовали лишь семь сверхновых — не самая большая выборка, — а потому ошибка неудивительна. Одна из семи сверхновых выпадала из общей картины. Когда эту причуду сравнивали только с шестью другими сверхновыми, на странное поведение внимания не обратили. До конференции, состоявшейся в январе 1998 года, Перлмуттер и его коллеги проанализировали поведение 21 сверхновой. Странную сверхновую разоблачили, и результаты коренным образом изменились. Все указывало на ускоряющееся расширение Вселенной.

Схемы и числа буквально распирало от отталкивающей гравитации. К концу 1998 года группа Перлмуттера опубликовала статью, в которой они проанализировали целых 42 далекие сверхновые. Результаты остались неизменными: отталкивающая гравитация, похоже, никуда исчезать не собиралась.

Места для сомнений оставалось все меньше, ведь группа Перлмуттера была не одинока в своих исследованиях. На момент публикации результатов в январе 1998 года другая исследовательская группа уже работала над анализом наблюдений за сверхновыми. Группу возглавлял американский астроном Брайан Шмидт. Совместно с Адамом Риссом Шмидт и его группа провели точные наблюдения за различными сверхновыми звездами.

Хотя изучали они не те же самые вспышки, что и группа Перлмуттера, выводы тем не менее оказались практически идентичными: вспышки сверхновых свидетельствуют об ускоренном расширении Вселенной. Рисе, Шмидт и их коллеги представили свои заключения общественности в мае 1998 года. У статьи было на редкость понятное название: Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant («Данные наблюдений за сверхновыми подтверждают ускоренное расширение Вселенной и космологическую постоянную»). Что такое ускоряющаяся Вселенная, мы уже поняли, а скоро разберемся и с космологической постоянной.

Когда две независимые исследовательские группы, наблюдавшие разные объекты, приходят к одному и тому же революционному выводу, списать результаты на ошибку не так-то легко. К тому же они нашли решение нескольких упомянутых ранее проблем, таких как распределение галактик и возраст Вселенной. Конечно, выводы из наблюдений за вспышками сверхновых стали сюрпризом, но для многих сюрприз этот был долгожданным.

Чтобы подчеркнуть важность результатов исследований сверхновых, можно добавить, что журнал Science в 1998 году назвал их прорывом года. А в 2011 году Перлмуттер, Шмидт и Рисе получили Нобелевскую премию по физике «за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдений дальних сверхновых».

Позднее были проведены наблюдения и за другими сверхновыми, но это лишь подтвердило результаты 1998 года. Однако на этом рассказ о темной энергии заканчивать рано. Ведь разве можно так просто довериться наблюдениям за сверхновыми звездами? Некоторые из сверхновых, описанные в статьях 1998 года, настолько далеки, что, должно быть, взорвались, когда Вселенная была примерно вдвое моложе, чем сегодня. Можно ли считать, что те сверхновые вели себя в точности так же, как более поздние? И вообще, надежно ли использовать сверхновые в качестве стандартных свечей? Мог ли свет исчезнуть за время долгого путешествия по Вселенной? Для такой смелой гипотезы, как существование темной энергии, требуются еще более надежные доказательства. И это еще не всё.

Но прежде, чем рассматривать другие наблюдения, доказывающие существование темной энергии, давайте-ка переместимся в 1917 год и заглянем в гости к Альберту Эйнштейну, а заодно познакомимся с космологической постоянной.

3.3. Эйнштейн и космологическая постоянная

До этого момента я постоянно использовал термин «темная энергия» для описания взаимодействия с отталкивающей гравитацией. Но, строго говоря, это понятие было введено только в 1998 году после революционных наблюдений за сверхновыми. А раньше все говорили почти исключительно о том, что мы называем «космологической постоянной» или просто «А» (греческая буква лямбда). Настало время познакомиться с А.

При создании теории отталкивающих гравитационных сил А — самое простое из всех возможных решений. До 1998 года, пока отталкивающая гравитация еще не стала популярной концепцией, изучать в подробностях условия возникновения отталкивающей гравитации не было необходимости. После 1998-го все изменилось: сразу появилось множество теоретических моделей, в которых фигурировала отталкивающая гравитация. Сейчас все эти модели объединены общим понятием темной энергии. То есть А — это определенная модель темной энергии, но не первая попавшаяся, а простейшая и наиболее популярная форма темной энергии. Да и к тому же, кажется, она неплохо подтверждает наши наблюдения. И еще А — наиболее старая модель темной энергии. Эйнштейн «придумал» ее еще в 1917 году.

В 1905 году двадцатишестилетний Альберт Эйнштейн (1879–1955) опубликовал статью, описывающую то, что сам он назвал специальной теорией относительности. Так он решил проблему несоответствия между уравнениями Максвелла и законами Ньютона. В теории Ньютона существует единое пространство, своего рода четко определенная система координат, по отношению к которой можно измерить любое движение. Согласно Ньютону, свет движется со скоростью с относительно этой системы. Но если вы бежите с огромной скоростью вслед за световой волной, то, согласно теории Ньютона, почувствуете, что волна движется относительно вас со скоростью ниже с. Значит, вполне реально догнать и даже обогнать световую волну. Однако уравнения Максвелла прогнозируют, что свет всегда будет двигаться с одной и той же скоростью г, независимо от того, кто ее измеряет. Теории Максвелла и Ньютона — взаимоисключающие. Из этой ситуации Эйнштейн вышел, отказавшись от идеи единства пространства. Вместо этого он полагал, что имеет смысл измерять движение только относительно наблюдателя (отсюда и название теории относительности). В то же время он соглашался с выводами Максвелла о том, что скорость света всегда будет одинаковой. А это порождает ряд парадоксов. Разберем один из них.

Представьте, что суперсамолет будущего пролетает мимо вас со скоростью в два раза медленнее скорости света. Оказавшись прямо над вами, он направляет лазерный луч по направлению движения, а именно к горе. Вы точно знаете, что стоите ровно в километре от горы. И раз уж вам известна скорость света «С» и расстояние до горы, можно рассчитать, сколько времени понадобится свету, чтобы ее достигнуть (разделив расстояние на скорость). А что, если пилот тоже захочет узнать, за сколько секунд луч лазера доберется до своей цели? Он тоже решит, что луч двигается со скоростью с относительно его самого. При этом он помнит, что движется со скоростью с/2 в сторону горы. Тогда время, которое рассчитает пилот, должно получиться короче, чем то, которое вышло у вас. Но ведь луч достигнет цели лишь один раз. Кто из вас прав? Как разрешить этот парадокс?

^{Альберт Эйнштейн в 1921 году.}

Эйнштейн, понятное дело, не хотел, чтобы его теория была напичкана парадоксами. Совсем наоборот: ученый кропотливо создавал математическую модель, способную объяснить всевозможные ситуации, в которых разные объекты движутся относительно друг друга с разной скоростью. В результате ему пришлось отказаться от единства не только пространства, но и времени. Когда мимо пролетает самолет на суперскорости, для вас и пилота время будет идти по-разному. Время — это не данная свыше координата, которая тикает сама по себе. Время относительно: для каждого человека оно свое. И раз у вас с пилотом часы тикают по-разному, воспринимать скорость вы будете тоже по-разному (ведь скорость — это расстояние, деленное на время). А еще специальная теория относительности утверждает, что, например, расстояния мы тоже воспринимаем по-разному. Теория Эйнштейна перевернула наши представления не только о времени и пространстве, но еще и о материи и энергии. Именно специальная теория относительности легла в основу бессмертного уравнения Е=mc², которое ученый вывел в 1907 году.

Я не стал подробно рассказывать, как воспринимаете время вы и пилот. Но, надеюсь, из примера ясно, что нужно принимать во внимание относительность времени, если мы считаем аксиомой постоянность скорости света независимо от того, кто ее измеряет. Давайте не будем тратить время на еще более детальное изучение парадоксов и забавных следствий из специальной теории относительности. А для тех, кто никуда не торопится (ни абсолютно, ни относительно), по этой теме существует много хорошей и доступной литературы.

В обычной жизни мы не замечаем странных эффектов специальной теории относительности, потому что они невообразимо малы, но это пока речь не заходит об объектах, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Но специальная теория относительности — это не просто воздушные замки в голове физика. Эффект вполне реален и был неоднократно подтвержден различными способами. Мой любимчик — так называемый эксперимент Хафеле — Китинга, проведенный в 1971 году. В ходе него два физика (которых, что неудивительно, звали Хафеле и Китинг) взяли с собой четыре комплекта сверхточных атомных часов и облетели вокруг Земли. После полета они могли сравнить часы, которые были в этом путешествии, с часами, остававшимися на земле. И, конечно, обнаружились расхождения, подтверждающие предсказания Эйнштейна.

Но этого Эйнштейну было мало. Специальная теория относительности не включала силу тяжести, а закон всемирного тяготения Ньютона не согласовывался со специальной теорией относительности. Например, в теории Ньютона скорость гравитации считается бесконечно большой. А согласно теории относительности, ничто, даже гравитация, не может двигаться быстрее с. Эйнштейн намеревался разработать новую теорию гравитации, которая бы не зависела от единства времени и пространства Ньютона и не противоречила специальной теории относительности. В результате родилась совершенно новая теория гравитации, известная сегодня как общая теория относительности.

Чисто математически специальная теория относительности не особо сложна. Если сначала изучить постулаты Эйнштейна о скорости света и придерживаться математической теории, то, чтобы производить вычисления по этой теории, хватит и школьного образования. Общая теория относительности как с точки зрения идеи, так и вычислений стоит обособленно. Потратив семь долгих лет, в 1915 году Эйнштейн представил окончательный результат. Общая теория относительности, несомненно, является одним из величайших интеллектуальных достижений прошлого века.

Уже в специальной теории относительности Эйнштейн отказался от понимания времени и пространства как абсолютных величин. В общей же теории относительности он основательно развил эту идею. Общая теория относительности основана на понятии геометрического пространства, которое мы называем пространство-время, или пространственно-временной континуум. Пространственно-временной континуум — эго четырехмерная система отсчета, в которой время представляет собой такое же пространственное изменение, как длина, ширина и высота. Пространство-время способно менять свою кривизну. В соответствии с общей теорией относительности, объект в свободном падении всегда выберет кратчайший путь между двумя точками в пространственно-временном континууме. Согласно общей теории относительности, когда камень падает на землю, вниз его тянет, строго говоря, не совсем сила. Камень просто следует по прямой линии через искривленный континуум. И когда кажется, что брошенный камень движется по кривой траектории в наших трех измерениях, это соответствует прямой линии в искривленном отрезке пространства-времени. Возможно, это звучит крайне абстрактно. Так и есть. Но независимо от того, представляет собой «истинная» реальность искривленный пространственно-временной континуум или нет, одно мы знаем наверняка: общая теория относительности работает! Ведь ее прогнозы совпадают с реальными наблюдениями. И эта теория описывает электромагнетизм, движения и гравитационные силы без каких-либо противоречий.

Как вы видите, уравнений в этой книге немного, но раз уж мы рассмотрели самое известное уравнение Эйнштейна (Е=mc²), то давайте взглянем и на его самые важные уравнения, составляющие основу общей теории относительности. Прошу любить и жаловать — «уравнения Эйнштейна»:

В значение символов углубляться не станем, скажем лишь, что в целом эти уравнения гравитационного поля лежат в основе многих явлений.

Для начала — почему мы называем их «уравнения Эйнштейна», хотя выражение всего одно? Да, но греческие буквы р и v могут иметь четыре разных значения каждая (соответствующие четырем измерениям). Вот и получается: 4x4 = 16 различных комбинаций р и v и, следовательно, 16 различных уравнений, объединенных в одном. Некоторые из уравнений, правда, симметричны, поэтому остается только десять уравнений, которые нужно решить. Эти десять сложных уравнений тесно взаимосвязаны, и, как правило, найти их точное решение сложновато.

О чем нам говорят уравнения гравитационного поля Эйнштейна? Правая часть уравнения описывает количество, например, материи, энергии или излучения в пространстве-времени. Все это содержание заключено в символ Т. Левая часть содержит геометрические величины, описывающие искривление пространства-времени. А между геометрией слева и содержимым справа стоит знак равенства. В этом вся суть общей теории относительности: содержание Вселенной определяет, как будет выглядеть кривизна пространства-времени. А кривизна пространства-времени определяет, как должны двигаться объекты. Да, уравнения сложны, зато принципы просты и удивительно красивы.

Как мы обсуждали, говоря о теории MOND (Модифицированная ньютоновская динамика), общая теория относительности в большинстве случаев дает предсказания, почти идентичные закону всемирного тяготения Ньютона. Например, можно планировать полеты на Луну, используя исключительно законы Ньютона. Работать с ними гораздо проще, а результаты практически такие же, даже несмотря на длительность путешествий и зависимость от гравитационных сил. Различия между теориями Ньютона и Эйнштейна проявляются только тогда, когда гравитация становится чрезвычайно мощной, а расстояния очень большими или же при чрезвычайно точных измерениях. Пример практического использования общей теории относительности — геопозиционирование с помощью спутников GPS. Когда GPS-приемник определяет ваше местоположение, он использует очень точные сигналы времени со спутников. Здесь необходимо учитывать общую теорию относительности, чтобы достичь желаемой точности в определении положения.

Помимо геопозиционирования, общая теория относительности выдержала и другие проверки. Ранее в книге мы коснулись двух из них — гравитационного линзирования и движения перигелия Меркурия. Оба этих явления использовались в качестве первых тестов, в которых теории Ньютона и Эйнштейна давали разные результаты. В обоих случаях теория Эйнштейна доказала свое превосходство. Применив свою теорию при расчете орбиты Меркурия, Эйнштейн самостоятельно убедился в собственной правоте.

Испытания с помощью гравитационного линзирования были проведены лишь в 1919 году, после публикации работы. В те времена у нас еще не имелось ни знаний, ни оборудования для наблюдения гравитационного линзирования от скоплений галактик. Однако Эйнштейн рассчитал, насколько свет далеких звезд будет отклоняться, проходя очень близко к Солнцу. Свет отклоняется из-за гравитационных сил Солнца. Или, выражаясь в терминах общей теории относительности, свет будет двигаться через пространство-время, искривленное массой Солнца. По теории Ньютона тоже можно рассчитать такое отклонение света, но отклонение, предсказанное теорией относительности, больше.

Проблема, конечно, заключается в том, что наблюдать звезды в непосредственной близости от Солнца, как правило, невозможно. Поэтому наблюдения проводились во время полного солнечного затмения 1919 года. В момент затмения Луна перекрывает весь солнечный диск и становится настолько темно, что можно наблюдать звезды, в том числе и крайне близкие к Солнцу, а затем — понаблюдать, как меняется видимое положение звезд на небе без влияния Солнца.

Британский астроном Артур Эддингтон возглавил экспедицию на африканский остров Принсипи — одно из немногих мест, где полное солнечное затмение 1919 года было прекрасно видно с суши. Осуществить достаточно точные измерения оказалось задачей не из легких, но к результатам Эддингтона было не придраться, и их даже представили позже в том же году на собрании Королевского общества в Лондоне. Теория Эйнштейна подтвердилась. То, что старая теория Ньютона, похоже, вот-вот уступит место чему-то новому и более совершенному, не осталось незамеченным. На следующий день после заявления Эддингтона британская газета «Таймс» заявила: «РЕВОЛЮЦИЯ В НАУКЕ — НОВАЯ ТЕОРИЯ ВСЕЛЕННОЙ — ОТКАЗ ОТ ИДЕЙ НЬЮТОНА».

Конечно, к заголовкам британских газет в качестве научных доказательств следует относиться с осторожностью. Но благодаря наблюдениям Эддингтона теория относительности совершила решительный прорыв и стала основной теорией гравитации. Позже теория прошла ряд тестов, показавших, что она описывает гравитацию намного лучше, чем теория Ньютона.

Сформулировав общую теорию относительности, Эйнштейн первым делом применил ее к целой Вселенной, а в 1917 году опубликовал статью «Вопросы космологии и общая теория относительности». Как вы помните, уравнения Эйнштейна не особо простые — так не слишком ли самонадеянно пытаться объяснить ими целую Вселенную? Возможно, что и нет. Эйнштейн сделал серьезное обобщающее предположение, которое используется и по сей день: он предположил, что вся Вселенная абсолютно однородна, то есть одинакова повсюду. Если не вдаваться в детали, то эта идея может показаться откровенно абсурдной. Но если взглянуть чуть шире, в этом предположении вырисовывается определенная логика. Стоит нам перейти к большим масштабам, и становится очевидно, что скопления галактик распределены во Вселенной довольно однородно.

В статье 1917 года Эйнштейн говорит, что его теория, похоже, не допускает статичности Вселенной: Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться. Как мы обсуждали ранее, проблема заключалась в том, что нерасширяющаяся Вселенная рано или поздно начнет сжиматься из-за своих же гравитационных сил. Чем-то похоже на камень, который не может вечно висеть в воздухе и все равно начнет падать. И не забывайте, что все это происходило за десятилетие до открытия Хабблом расширяющейся Вселенной. На тот момент в науке господствовала теория статической Вселенной, то есть остающейся неизменной с течением времени. Конечно, звезды и галактики немного движутся, но по большому счету видимая Вселенная никогда не менялась. Эйнштейн тоже был привязан к этой идее вечной статичной Вселенной и не мог смириться с тем, что общая теория относительности не допускает этого. В этот момент, точнее в 1917 году, Эйнштейну выпал уникальный шанс сделать предположение, которое еще сильнее укрепило бы его положение на астрофизическом Олимпе: он мог бы предсказать, что Вселенная расширяется (или сжимается) до того, как были проведены соответствующие наблюдения. Но тут Эйнштейн — человек, совершивший научную революцию, — потерпел поражение именно потому, что поддался укоренившимся предрассудкам о том, каким «должен» быть мир. У ученого не хватило решимости отказаться от собственного заблуждения в статичности Вселенной.

^{В 1917 году Эйнштейн почувствовал необходимость ввести космологическую постоянную в свои уравнения, чтобы избежать коллапса Вселенной. Тогда ему было 37 лет. Здесь же мы видим пожилого, слегка расстроенного Эйнштейна, который рассказывает о своей «величайшей ошибке», параллельно вписывая Л в уравнение.}

Чтобы решить эту проблему, ученый ввел в свое уравнение гравитационного поля новый элемент — он добавил Л (лямбду), то есть космологическую постоянную.

(По правде говоря, Эйнштейн обозначил космологическую постоянную буквой X (прописная греческая лямбда), а не Л (заглавная буква), хотя сегодня более распространено второе обозначение. Впрочем, суть космологической постоянной от этого не меняется.)

Формально говоря, никаких проблем с вводом постоянной нет. С математической точки зрения теория стала чуть более «уродливой», но ведь не в красоте счастье. Ввод космологической постоянной не изменит предсказания об орбите Меркурия или искривлении звездного света Солнцем, однако сыграет важную роль при рассмотрении Вселенной как единого целого: Л «отвечает» за отталкивающую гравитацию. Эйнштейн предполагал, что Л должна быть достаточно большой, чтобы компенсировать тенденцию Вселенной к сжатию. Чтобы Вселенная оставалась неподвижной, требовалось уравновесить силу отталкивания Л и силу притяжения. Получилось подогнанное под ситуацию решение, позволившее связать теорию и господствующее мировоззрение.

Но главная проблема космологической постоянной заключалась совсем не в уродливости теории. Как выяснилось впоследствии, обеспечить статическую Вселенную не в силах и она. Но почему нет? Да потому, что Вселенная, в которой сила притяжения уравновешивается отталкивающей Л, будет неустойчивой. Ситуация похожа на попытку сохранить равновесие и не дать бильярдному шару упасть с острия иголки. Понятное дело, в чистой теории возможно поместить шар так, чтобы он в равновесии лежал на игле, вот только на практике это невыполнимо. Едва заметный толчок — и всё, конструкция разрушена. То же самое происходило с равновесием во Вселенной Эйнштейна. Если такую Вселенную слегка подтолкнуть к расширению, космологическая постоянная сама запустит все больше и больше ускоряющееся расширение Вселенной. А если толкнуть ее к сжатию, то она начнет сжиматься все быстрее и быстрее, пока совсем не схлопнется. То, что Вселенная должна вечно балансировать на острие космической иголки, уж точно не является физически приемлемым решением. Позднее, когда расширение Вселенной уже было открыто, Эйнштейн признал введение космологической постоянной своей «величайшей ошибкой».

(Предполагаемое высказывание Эйнштейна, в котором он признал Л своей величайшей ошибкой («biggest blunder»), пошло от физика Георгия Гамова (в посмертно опубликованной автобиографии «Му world line»). Однако следует отметить, что Гамов вряд ли является наиболее достоверным свидетелем по истории физики, и сомнительно, что Эйнштейн когда-либо говорил это. Несомненно, Эйнштейн несколько раз выражал сожаление по поводу введения Л.)

И раз Вселенной больше не требовалось быть статичной, то и потребность в отталкивающих силах космологической постоянной отпала. Поэтому о лямбде в астрономической среде на долгие годы забыли почти все. Похвальное исключение — трое норвежских астрономов: Ян Эрик Сольхейм, Рольф Ста- белл и Шур Рефсдал. Еще в 1960-х они изучали расширяющуюся Вселенную с космологической постоянной. Но пришли 1990-е годы, а вместе с ними возобновилась и потребность в отталкивающей гравитации. Тогда-то космологическая постоянная и ожила вновь. А «величайшая ошибка» Эйнштейна сегодня является неотъемлемой частью наших стандартных представлений о Вселенной.

Если вы снова посмотрите на математическое выражение, которое Эйнштейн записывает на доске, то заметите, что он пишет Л (лямбда-член) слева от знака равенства. Как мы помним, левая часть уравнения описывает геометрию пространства-времени. Поместив космологическую постоянную слева, ученый наделил ее физическими свойствами: он считал, что Л вносит свой вклад в искажение пространства-времени. Но все, кто проходил уравнения в школе, знают, что любой член можно запросто перенести из одной части уравнения в другую, главное — не забыть поменять знак на противоположный. Сегодня принято писать Л в правой части уравнения вместе со всем содержимым Вселенной. Эта простейшая математическая манипуляция с уравнениями гравитационного поля дает нам новую интерпретацию Л. Сейчас большинство людей смотрит на Л как на нечто присутствующее во Вселенной. Это такой же компонент, как и обычная материя, темная материя, излучение и другие ингредиенты, скрытые в несколько загадочном символе Т в правой части уравнений.

Если космологическая постоянная — это один из компонентов Вселенной, то как же она себя ведет? Понятное дело, она постоянна. На первый взгляд, впечатляет не особо. Но космологическая постоянная впечатляет потому, что постоянна именно плотность Л-вещества. Несмотря на расширение Вселенной, плотность остается неизменной. Объясню это на примере норвежских гор.

Представьте себе большой грузовик, который едет в гору, чтобы выпустить овец на летнее пастбище. В грузовике стоит сотня обычных овец и одна — особая, назовем ее Л-овцой. Животных выпускают наружу, и они начинают разбегаться. Понятное дело, что внутри машины им было тесновато, а сейчас они начали разбредаться по более просторной площади. По мере распределения стада плотность обычных овец уменьшается, и вскоре они находятся в нескольких метрах друг от друга. А чем в это время занимается та причудливая Л-овца? Она тоже отошла от грузового автомобиля, но, отдаляясь, не перестает делиться, создавая своих Л-клонов. Стадо распространяется по горам все дальше, а Л-овца постоянно делится на новых особей. Плотность Л овец постоянна, несмотря на расширение пространства. В грузовике в стаде преобладали обычные овцы. Однако по мере увеличения территории плотность обычных овец уменьшается, а вот Л-овцы сохранили ту же плотность. Через некоторое время Л овец становится больше, чем обычных. Те, кто составлял незначительное меньшинство, вскоре начинают преобладать. А все из-за постоянной плотности Л-овец.

Такие чудные свойства Л-овцы разделяют с космологической постоянной: при расширении Вселенной плотность ее вещества не меняется.

Считается, что во Вселенной сейчас примерно в три раза больше темной энергии, чем материи. Ранее в истории Вселенной плотность материи была больше, чем сегодня. Взять, к примеру, период образования реликтового излучения. Тогда в каждом кубическом метре Вселенной содержалось в среднем более чем в миллиард раз больше материи (как обычной, так и темной), чем сейчас. Но если темная энергия является космологической постоянной, то она всегда обладала одной и той же плотностью. Таким образом, в молодой Вселенной космологическая постоянная играла совершенно незначительную роль. Но Вселенная росла, материя становилась все тоньше и тоньше, и сегодня мы живем в мире, где доминирует космологическая постоянная.

Это также повлияло на скорость расширения Вселенной. В первое время после Большого взрыва Вселенная расширялась, но все медленнее и медленнее из-за влияния гравитации материи. Только когда Вселенной было около 10 миллиардов лет, космологическая постоянная стала доминировать над ее содержимым и расширение начало ускоряться. Следовательно, ускоряющееся расширение — относительно новое состояние в эволюции Вселенной. А какой будет следующая ступень? Вселенная продолжит расширяться все быстрее и быстрее, а космологическая постоянная будет доминировать все больше и больше. Поэтому, когда мы говорим, что Вселенная на 70 процентов состоит из темной энергии (которая, например, может быть космологической постоянной), это касается Вселенной в ее современном виде. Ведь пока космологическая постоянная обладает постоянной плотностью, плотность материи продолжит уменьшаться по мере расширения пространства. Несколько миллиардов лет назад процент темной энергии был ниже, а через несколько миллиардов лет этот процент станет выше.

Приведенные выше вычисления основываются на принятии темной энергии за космологическую постоянную. А так ли это на самом деле, никто с уверенностью сказать не может. Но пока космологическая постоянная неплохо встраивается в наши наблюдения, например, за сверхновыми звездами. Так что даже если темная энергия представляет собой нечто другое, то она все равно должна быть похожа на космологическую постоянную.

Чуть позже мы познакомимся с другими возможными формами темной энергии. Но для начала давайте потратим немного времени и разберемся с тем, что может представлять собой космологическая постоянная. Сами посудите, Л-овцы ведут себя и впрямь странно: если некая субстанция при распределении на большой территории не теряет плотности, это крайне необычно.

Давайте заглянем в микромир. Как квантовая физика объясняет космологическую постоянную? Что же это за такое вещество, не теряющее плотности при расширении пространства? Естественно было бы представить, что Л — неизбежное свойство самого пространства. Иными словами, всегда будет оставаться энергия, от которой невозможно избавиться, даже если откачивать все частицы лучшим в мире вакуумным насосом. На самом деле, мысль о том, что вакуум обладает энергией, не так уж притянута за уши, как может показаться на первый взгляд.

Как мы помним из нашего разговора о частицах, пары частиц и античастиц могут возникать и снова исчезать. Если обратиться к квантовой физике, у нас всегда будут такие испаряющиеся и появляющиеся пары частиц. Даже самый идеальный вакуум никогда не будет пуст. В нем варится суп из частиц и античастиц, которые возникают и исчезают в бурлящем хаосе. Где есть частицы, там будет и масса. А где есть масса — есть и энергия. Итак, согласно квантовой физике, вакуум всегда содержит энергию. Плотность этой энергии должна быть постоянной, потому что это свойство самого пространства. Эту форму энергии часто называют вакуумной. Если включить такую форму энергии в уравнения гравитационного поля Эйнштейна, она будет вести себя точно так же, как космологическая постоянная, и порождать отталкивающие гравитационные силы.

Конечно, проще считать, будто энергия вакуума — это концепция, существующая только в отстраненных от реальности головах физиков и не имеющая ничего общего с действительностью. Но не тут-то было — вакуум существует. Доказано это было, в частности, с помощью забавного явления, которое мы называем эффектом Казимира. Для возникновения эффекта нужно расположить две металлические пластины в вакууме на близком расстоянии друг от друга. Повсюду — как между пластинами, так и снаружи — будут частицы и античастицы, возникающие и исчезающие в вакууме. Это мы и называем квантовой флуктуацией, которая сама по себе состоит из ряда различных процессов. Между пластинами настолько узко, что вакуумная флуктуация в том же объеме, что и снаружи, невозможна. Но какое-то количество флуктуаций все же проникает туда. В результате пластины больше прижимаются колебаниями вакуума снаружи, чем изнутри. Эксперимент фиксирует плотное прижатие пластин друг к другу, а точные измерения доказывают, что вакуум не полностью пуст и что происходящее в вакууме можно описать с помощью квантовой физики.

Но раз эффект Казимира доказан и изучен, нельзя ли использовать ту же теорию для расчета вакуумной энергии во Вселенной? И да и нет. Для эффекта Казимира необходимо пространство между двумя металлическими пластинами. К сожалению, условия Вселенной этому не соответствуют. Тем не менее квантовая физика способна помочь понять, насколько большой должна быть космологическая постоянная. Если впоследствии окажется, что вычисленная квантово-физическими методами космологическая постоянная такая же большая, как та, которую мы видим во Вселенной, тогда решится вся проблема темной энергии. Но реальность не столь благосклонна. В итоге получается, что теоретически рассчитанная плотность космологической постоянной в 10⁵⁵ раз больше той, что мы измеряем во Вселенной.

(Во многих источниках говорится, что отклонение еще больше: 10¹²⁰ или 10¹²² вместо 10⁵⁵. Число зависит от того, как именно рассчитывать космологическую постоянную в квантовой теории. Однако наиболее последовательный метод вычислений, который не противоречит тому, что мы знаем о Стандартной модели физики элементарных частиц, дает 10⁵⁵. Тем не менее отклонение огромно.)

Иными словами, это число с 55 нулями за единицей. Скорее всего, это величайшее несоответствие между теорией и наблюдениями в истории физики. И поэтому для многих проблема, скорее, заключается не в объяснении существования космологической постоянной, а в объяснении, почему она не настолько большая, как следует из наших вычислений. У этой проблемы даже название есть — проблема космологической постоянной.

По-хорошему, мы должны радоваться тому, что космологическая постоянная столь мала. Соответствуй она теоретическим предсказаниям — и нас бы вообще тут не было. Тогда бы Вселенная начала расширяться задолго до формирования первых звезд и планет. Расширение происходило бы так быстро, что небольшие неоднородности молодой Вселенной не сформировались бы в сложные структуры, которые дадут начало жизни и цивилизациям. Без проблемы космологической постоянной разумные существа никогда бы не появились, и сформулировать саму эту проблему было бы некому.

Честно говоря, мы не знаем, как вычислить космологическую постоянную на основе имеющихся у нас теорий. При вычислении теоретического значения космологической постоянной мы сначала получаем бесконечно большой результат. Но при помощи некоторых грубоватых математических уловок можно сократить это бесконечно большое число до плотности, которая больше «всего» в 10⁵⁵ раз. Но, как показывает практика, наши теории частиц, квантовая физика и знания о гравитации еще несовершенны. Остается лишь надеяться, что появится более полная теория, которая объяснит, почему космологическая постоянная настолько мала.

Многие физики придерживаются иной аргументации. Они считают, что флуктуации вакуума вообще никак не связаны с космологической постоянной. По их мнению, более совершенная теория докажет, что эффект вакуумных флуктуаций полностью исчезает. Таким образом, они считают более разумным искать другую форму темной энергии и отталкивающих гравитационных сил, которые не являются флуктуациями вакуума и вполне могут не быть космологической постоянной. Позже мы рассмотрим некоторые из таких альтернативных предположений. Но перед этим давайте снова переместимся в космос. Ведь об ускоряющемся расширении нашей Вселенной свидетельствуют не только сверхновые.

3.4. Наблюдения, указывающие на темную энергию

Сверхновые — это классический пример проявления темной энергии во Вселенной. Они сыграли важную историческую роль, а также служат довольно точным индикатором скорости расширения Вселенной. Однако к предполагаемым стандартным свечам всегда стоит относиться с осторожностью. Наши выводы основываются на убеждении, что мы действительно наблюдаем стандартные свечи. Как мы уже видели, в понимании цефеид ученые долго топтались на месте, и Фриц Цвикки ошибся в вычислениях именно из-за недостатка знаний о них. Поэтому очень важно, чтобы были и другие независимые наблюдения, свидетельствующие о той же темной энергии. Мы рассмотрим некоторые из них, начиная с нашего старого знакомца — реликтового излучения.

Мы уже знакомы с реликтовым излучением, этими микроволнами, настигающими нас со всех сторон. Излучение появилось, когда снижение температуры позволило электронам присоединяться к атомам, что сделало Вселенную прозрачной. Мы помним, как неоднородности материи формировались под влиянием огромных волн. Больше всего пятен на реликтовом излучении с радиусом примерно в один градус (см. схему на с. 105). Этот один градус — важное свидетельство в пользу существования темной энергии во Вселенной. Почему?

Снова вернемся к курсу школьной математики. Большинство все же выучило, что сумма углов треугольника равняется 180°. Но это не всегда так, в чем просто убедиться на практике: попробуйте нарисовать треугольник на сферической поверхности, например глобусе. Предположим, первый угол будет на Северном полюсе, проведите от него две линии на юг, к экватору так, чтобы между ними получился угол в 90°. Затем начертите новую линию вдоль экватора, соединяющую эти две. В итоге у нас получился треугольник, все углы которого равны 90°. Сумма углов вашего треугольника составит 270°. Говоря, что сумма углов треугольника составляет 180°, мы имеем в виду только треугольники на плоской поверхности. Когда же поверхность изогнутая, как Земля, сумма углов будет больше, чем 180°. А если поверхность, вогнутая внутрь (представьте седло для верховой езды), сумма углов будет меньше, чем 180°. Сумма углов треугольника может к тому же пригодиться при определении, как именно изгибается поверхность. Стоп! А каким образом все это связано со Вселенной?

Поверхность Земли обладает двумя пространственными измерениями. Вы можете двигаться вперед и назад, вправо и влево. Но не вверх или вниз: тогда вы покинете поверхность Земли. Поверхность земного шара — это двумерная поверхность, изогнутая в третьем измерении. Вселенная трехмерна, три ее измерения тоже могут изгибаться, но уже в воображаемое четвертое измерение. Визуализировать такую кривизну трехмерного пространства непросто, но рассчитать вполне возможно. Результат будет таким же, как на глобусе: сумма углов покажет кривизну пространства.

Чтобы исключение из правила 180° стало действительно заметно, понадобится большой треугольник. Вернемся к нашему глобусу: если нарисовать крошечный треугольник на большом глобусе, то внутри треугольника глобус будет практически плоским, а сумма углов останется равной примерно 180°. Отклонение видно, только когда треугольники становятся большими относительно кривизны пространства. Реликтовое излучение дает нам прекрасную возможность нарисовать космический мегатреугольник, линии которого доходят чуть ли не до Большого взрыва.

Представьте себе пятно протяженностью в один градус на реликтовом излучении. Можно вообразить, что мы рисуем треугольник, один угол которого берет начало от нас, а два других — по краям этого пятна. Затем можно измерить угол треугольника возле нас (который тоже составляет около одного градуса). А расстояние мы узнаем, высчитывая, насколько сильно красное смещение повлияло на микроволны. А еще можно рассчитать, насколько большим было пятно, когда только образовалось. Это возможно, так как физические законы, повлиявшие на формирование пятен, достаточно просты и хорошо изучены. Тот факт, что треугольник начерчен в расширяющейся Вселенной, только усложняет задачу, но это вполне можно учесть в расчетах. Таким образом, данных о треугольнике должно хватить для расчета суммы его углов. А зная сумму углов, можно многое понять о кривизне пространства. Получается, пятна протяженностью в градус могут использоваться для определения кривизны пространства. И они указывают на то, что Вселенная практически плоская.

К тому же существуют и расчеты, говорящие о плоскости пространства. А как это связано с темной энергией? Ну, смотрите: по уравнениям Эйнштейна искривление Вселенной определяется ее содержимым. Чтобы быть плоской, плотность материи должна соответствовать выделенному значению — так называемой критической плотности. Если сложить известную нам обычную и темную материи, то вместе они составят всего около 30 процентов критической плотности. Но реликтовое излучение как раз говорит о том, что Вселенная практически плоская, а потому и ее содержание должно соответствовать критической плоскости. Таким образом, содержаться в ней должно нечто большее, чем просто материя. В эту теорию отлично вписывается темная энергия. Она заполняет оставшиеся 70 процентов и способствует росту показателей. Тот факт, что в реликтовом излучении много пятен протяженностью около одного градуса соответственно дает нам серьезный повод принять темную энергию с распростертыми объятиями.

Рассказывая о реликтовом излучении, я упомянул, что это, вероятно, наш важнейший источник знаний о Вселенной. И вот теперь перед нами начинают вырисовываться очертания картины, которую мы видим благодаря реликтовому излучению. Сначала оно показало нам Вселенную, начавшуюся с Большого взрыва. Затем мы увидели, что высота различных пиков на рисунке на странице 105 говорит нам, сколько темной материи находится во Вселенной. И теперь мы знаем, что положение первого пика говорит о том, что Вселенная плоская и, следовательно, в ней содержится намного больше, чем обнаруженные нами обычная и темная материи.

Преимущество сверхновых заключается в том, что они позволяют нам понять, с какой скоростью расширялась Вселенная на протяжении истории. Недостаток же этих взрывающихся звезд — это множество связанных с ними неопределенностей. Я уже перечислял некоторые из них. Например, можем ли мы быть абсолютно уверены, что сверхновые — действительно стандартные свечи? Вспышки сверхновых зависят еще и от измерений дошедшего до нас света. Но ведь часть света спокойно могла затеряться по дороге. Достоверны ли наши представления о том, какое количество света могут задержать пыль и газ во время путешествия от далеких сверхновых?

Хорошо бы обзавестись альтернативой сверхновым, тоже показывающим, насколько быстро Вселенная расширялась в разное время, но не обремененным такими неопределенностями, как наши стандартные свечи. Один из вариантов — наблюдать за галактиками. За множеством галактик. Наша задача — составить карту их группировок, ведь у этих скоплений есть размер углового диаметра, который можно сравнить с линейкой.

Принцип стандартных свечей я объяснял на примере расположенных вдоль дороги факелов. Измерив дошедший от факелов свет, можно определить расстояние до них. Представьте, что вместо факелов стоят дорожные столбики одинаковой высоты. Мы можем измерить, насколько высоким выглядит отдаленный столбик, то есть насколько велик угол между его верхом и низом. Эту манипуляцию можно использовать для расчета расстояния до этого столбика. Таким образом, столбики становятся стандартной линейкой.

Чтобы найти стандартную космическую линейку, нам придется снова вспомнить о реликтовом излучении: между его пятнами и сегодняшним расположением галактик существует определенная связь. Еще раз взгляните на рисунок на странице 105: на нем мы видим пятна различных размеров. Пятна, как мы уже несколько раз упоминали, представляют собой зародыши структур, сформировавшихся во Вселенной позже. Плотные сгустки сжимались, образуя галактики и скопления галактик. Волновая карта реликтового излучения отражается в распределении галактик по небу. Это излучение достаточно хорошо картографировано и изучено. Расстояние между волнами на рисунке становится значением углового диаметра — известной мерой расстояния. Это похоже на огромную космическую линейку. В сегодняшней Вселенной она соответствует длине почти в 500 миллионов световых лет.

Таким образом, распределение галактик можно использовать как космические дорожные столбики. Измерим красное смещение и положение множества галактик, а затем посмотрим на галактики с одинаковым красным смещением. Изучив, каким образом эти галактики группируются, мы сможем распознать тот же волновой узор, который видели в реликтовом излучении. Следовательно, у нас есть стандартная линейка и ее можно использовать для определения расстояния. В результате получается ситуация, как со сверхновыми: у нас есть взаимосвязь между расстоянием и красным смещением. 1лядя на галактики со множеством разных красных смещений, мы можем построить временную шкалу скорости расширения Вселенной в разные периоды.

Сложность в том, что эти волны трудно измерить. Требуются точные наблюдения за очень многими галактиками. Таким образом, стандартная галактическая линейка не была открыта до 2005 года. В то время в рамках проекта Sloan Digital Sky Survey (Слоуновский цифровой обзор неба) была проанализирована выборка из почти 50 000 галактик, и в итоге ученым удалось распознать их волновую структуру. Позже волны наблюдались и в других проектах, так что космическая сверхлинейка была нанесена на карту с завидной точностью. Пока что наблюдения очень хорошо согласуются с измерениями сверхновых. Угловое расстояние и сверхновые помогают нам измерить примерно одно и то же, но методы и возможные ошибки в корне различаются. Похоже, темная энергия никуда уходить не собирается.

Есть еще один эффект, который мне бы хотелось упомянуть. Во-первых, он кажется мне забавным. А во-вторых, он показывает следы темной энергии не так, как сверхновые и стандартная линейка. Впоследствии он даже получил довольно звучное название — эффект Сакса — Вульфа.

Представьте, что быстро несетесь на лыжах. Вы резко отталкиваетесь, поэтому, скользя по лыжне, практически не теряете скорость. Посреди лыжни течет ручей. Перед тем, как пересечь ручей, лыжня резко опускается на несколько метров вниз. По другую сторону ручья она снова поднимается. Вы окажетесь на той же высоте, что и до перехода через ручей. Как будет меняться ваша скорость? По пути вниз к ручью скорость увеличится, и у вас будет максимальная скорость, когда вы пересечете ручей в нижней точке долины. На пути вверх вы потеряете скорость. Если у вас идеальное скольжение, то скорость, с которой вы закончите переход долины, будет такой же, как и до того, как вы подошли к ней.

А теперь заменим лыжника на фотон, световую волну, которая скользит по Вселенной. Наш фотон от реликтового излучения летит к Земле. Как и лыжник, фотоны могут наталкиваться на неровности и склоны на своем пути. Как мы помним, фотоны подвластны гравитации. Когда фотон движется в том же направлении, что и сила тяжести, он, следовательно, будет катиться под гору. Скорость света всегда одинакова, но энергия у фотона будет возрастать. Более высокая энергия соответствует более коротким длинам волн, то есть синему смещению. Соответственно, если фотон движется навстречу силе тяжести, он потеряет энергию, что приведет к красному смещению.

Факт влияния гравитации на световые волны доказан экспериментально. Впервые эффект изучили в знаменитом эксперименте Паунда и Ребки в 1959 году. В ходе него гамма-фотоны отправляли вниз с башни высотой 22,5 метра. Когда фотоны достигали нижней части башни, длина волны уменьшалась.

Во Вселенной этот эффект возникает, когда фотоны проходят сквозь обширные области, где плотность галактик больше, так называемые сверхскопления, то есть скопления скоплений галактик. При движении к центру сверхскопления фотон получит больше энергии и испытает синее смещение. А когда приходит время удаляться, на смену приходит красное смещение. Во Вселенной без темной энергии «подъем в гору» уравновесил бы «спуск». В этом случае длина волны фотона, вошедшего в сверхскопление, не изменится к моменту его выхода. Ситуация точь- в-точь как с быстро скользящим лыжником: после того, как он минует долину с небольшим ручьем, скорость станет прежней.

Но что происходит во Вселенной, в которой темная энергия все же существует? Сверхскопления, как правило, обладают протяженностью в несколько сотен миллионов световых лет, а потому фотону потребуется несколько сотен миллионов лет, чтобы пройти их. За это время произойдет синее смещение. Но по мере движения фотона темная энергия будет отталкивать друг от друга скопления галактик в сверхскоплении. Подъем фотона в гору, таким образом, отнимет у него меньше энергии, чем дал спуск. В результате у фотона, покидающего сверхскопление галактик, частично сохранится синее смещение. И снова проведем аналогию с ручьем в долине: это как если бы под землей сидел тролль и поднимал лыжную трассу вверх, пока человек находится в нижней точке. Тогда подъем будет короче, чем спуск, и скорость после пересечения долины увеличится.

А как этот эффект проявляет себя на небе? Давайте снова взглянем на карту реликтового излучения. Эту карту можно сравнить с составленными нами картами галактик. Неужели фотоны, прошедшие через сверхскопления галактик, становятся немного более «синими»? Да. Статистика так и говорит. Это еще один аргумент в пользу Вселенной с темной энергией — аргумент, основанный на совершенно иных механизмах, чем те, которые мы рассматривали ранее в книге.

Как и в случае с темной материей, ускоряющаяся Вселенная тоже опирается на широкий спектр различных наблюдений. Мы полагаем, что ускорение вызвано темной энергией с отталкивающей гравитацией. Но что на самом деле представляет собой темная энергия?

Мы уже рассматривали космологическую постоянную Л. Эта идея так соблазнительно проста, ведь Л является своеобразным свойством пространства. А еще она прекрасно согласуется со всеми вышеупомянутыми наблюдениями. Тем не менее у теории есть свой скелет в шкафу — проблема космологической постоянной: почему Л настолько меньше теоретических предсказаний?

Еще одна концептуальная головная боль, связанная с Л, — это то, что мы называем проблемой совпадения. В сегодняшней Вселенной количество темной энергии сопоставимо с количеством материи. Конечно, совпадает не идеально: мы помним, что темная энергия составляет приблизительно 70 процентов. Но все же если темная энергия — это космологическая постоянная, которая существует совершенно независимо от материи во Вселенной, то почему ее, например, не в 100 миллиардов раз больше? Или в 100 миллиардов раз меньше? Может показаться странным, что два физически совершенно независимых явления оказались сопоставимы по размеру. Если темная энергия — это константа, то в первый период жизни Вселенной в ней будет доминировать материя. Потом несколько миллиардов лет будет продолжаться период, когда масштабы этих двух явлений сопоставимы. После этого господство во Вселенной уже окончательно перейдет к космологической постоянной. Разве не странно, что мы оказались в той очень маленькой части истории Вселенной, где темная материя и темная энергия встречаются в сопоставимых количествах?

С проблемами совпадения и космологической постоянной связана еще и проблема тонкой настройки Вселенной. Будь космологическая постоянная хоть чуточку больше, и структуры вроде галактик, звезд и планет просто не успели бы сформироваться до того, как отталкивающая гравитация захватила бы власть и начала мешать слиянию материи. Если темная материя на самом деле — космологическая постоянная, то, похоже, нам невероятно повезло, что она именно такая. В этом и заключается суть тонкой настройки Вселенной.

(Проблема тонкой настройки касается не только космологической постоянной, но и ряда других физических величин. Будь они не в точности такими, какие есть, нас бы тут не было. Подробнее об этом в последней главе.)

Проблемы космологической постоянной, совпадения и тонкой настройки Вселенной — весьма веские причины не ограничиваться моделью космологической постоянной для объяснения ускоряющегося расширения Вселенной. Но чтобы начать поиски другого претендента на роль темной энергии, необходимо сначала обосновать, почему космологической постоянной не существует. Многие физики считают, что легче принять тот факт, что космологическая постоянная равна нулю, чем объяснять, что она ужасно мала, но не равна нулю. Они полагают, что в белее совершенной физической теории эффект флуктуаций вакуума полностью исчезнет. И потому они считают более логичным поискать другую форму темной энергии и отталкивающей гравитации, нечто никак не связанное с квантовыми флуктуациями вакуума. В идеале мы должны найти модель, решающую концептуальные проблемы, о которых я говорил выше, или по крайней мере уменьшающую их количество. Самым популярным решением является введение понятия квинтэссенции.

Слово квинтэссенция отсылает нас к Древней Греции и учению о том, что все в природе состоит из четырех элементов: огня, воздуха, земли и воды. Некоторые полагали, будто здесь явно недостает пятого элемента — квинтэссенции. Аристотель считал пятым элементом эфир. Он утверждал, что если другие четыре элемента бренны, то небесные тела должны состоять из некой вечной субстанции. Поэтому он считал необходимым представить эфир как новый, экзотический элемент — квинтэссенцию. И поскольку Аристотель также отвергал возможность существования абсолютной пустоты, он воображал, что вся Вселенная заполнена эфиром. До начала XX века идея эфира существовала как гипотетическая «субстанция», находящаяся где-то в космосе. Тогда эфир рассматривался как среда, в которой могут двигаться электромагнитные волны, но с появлением специальной теории относительности Эйнштейна, исключающей единство пространства, потребность в эфире исчезла.

Современная квинтэссенция принципиально отличается как от понимания эфира Аристотелем, так и от концепции начала XX века. Это уже не вопрос вечного небесного элемента или среды для электромагнитных волн. Тем не менее аналогия с эфиром древности очевидна. Под квинтэссенцией сегодня мы подразумеваем тип физического поля, которое пронизывает всю Вселенную и порождает отталкивающие гравитационные силы.

(Идея современной квинтэссенции, обеспечивающей отталкивающие гравитационные силы, была введена еще в 1994 году немецким физиком Кристофом Веттерихом. Это было до того, как идея ускоряющегося расширения Вселенной действительно утвердилась.)

Мы уже касались концепции поля ранее, обсуждая электромагнитное поле. Поле — это физическая сущность, характеризующая пространство и способная меняться в зависимости от места и времени. Физики используют поля не только для описания электромагнетизма. Все частицы в Стандартной модели описываются как проявления различных квантово-физических полей. Поле квинтэссенции должно обладать особыми свойствами, ведь оно создает отталкивающую гравитацию. Опишу в общих чертах, какие отличительные характеристики присущи квинтэссенции.

Поле квинтэссенции должно быть скалярным. Скалярные поля — далеко не малоизученное физическое явление. Более того, они способствовали открытию бозона Хиггса. Любое скалярное поле будет связано с так называемым потенциалом. С потенциалом мы сталкиваемся и в повседневной жизни. Если положить футбольный мяч на вершину трамплина, то у мяча будет большой потенциал. А это означает, что он сможет катиться вниз с высокой скоростью. Если он скатится с холма и окажется на ровной поверхности, то достигнет предела своего потенциала и больше разгоняться не будет. Отталкивающую гравитацию может создать скалярное поле, потенциал которого медленно опускается, по при этом не достигает самого низа. Включение такого медленно катящегося вниз поля в уравнения Эйнштейна даст долгожданные отталкивающие силы гравитации.

Подобное скользящее вниз скалярное поле — отправная точка для всех форм квинтэссенции. Но ее модели существуют во множестве вариантов, каждый из которых предсказывает несколько иное поведение поля. Среди прочего поведение зависит от того, как именно происходит спуск поля. Таким образом, квинтэссенция — это не одна модель, а собирательный термин для большого количества различных моделей темной энергии.

Помимо того, что нам нужно найти какую-то форму темной материи, существуют ли другие причины полагать, что во Вселенной должны быть такие странные, скользящие вниз скалярные поля? Возможно. Помните, когда мы искали частицы темной материи, я рассказал о суперсимметрии — теории, описывающей, что может скрываться за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц. В большинстве суперсимметричных моделей может возникнуть скалярное поле, которое в теории могло бы создать квинтэссенцию. Но мы не знаем, существует ли суперсимметрия на самом деле, не говоря уже о том, как именно суперсимметрия себя ведет, и уж тем более понятия не имеем, способна ли она стать источником квинтэссенции. Так что по большей части все это лишь догадки.

Я писал, что основная мотивация при введении квинтэссенции заключается в том, что так мы частично решаем проблему совпадения, а именно почему сегодня во Вселенной материя и темная энергия сопоставимы по количеству. Почему? Существуют модели квинтэссенции, в которых ее поведение зависит от плотности других составляющих Вселенной. В некоторых таких моделях квинтэссенция начинает вести себя как темная энергия только тогда, когда Вселенная достигает определенной стадии в своей эволюции. В этих моделях, естественно, пройдет несколько миллиардов лет, прежде чем наиболее существенное поле начнет доминировать. Проблема совпадения в этом случае пропадет или по крайней мере станет менее значимой.

Кроме того, предпринимались попытки одновременно описать темную материю и энергию с помощью скалярных полей. На английском такие модели называются dark fluids (темные жидкости). Мотивация изучения подобных моделей вопросов не вызывает: когда есть два невидимых и не особо изученных элемента Вселенной, разве не естественно предположить, что между ними должна быть какая-то взаимосвязь? Идея заманчивая, но вот только помимо невидимости темную материю и энергию мало что связывает. Пока модели темной жидкости неспособны удовлетворительным образом объяснить все наблюдения.

До сих пор мы пытались объяснить ускоряющееся расширение Вселенной, добавив новый компонент — вещество с отталкивающей гравитацией. Или, иными словами, мы пробовали изменить правую часть уравнений гравитационного поля Эйнштейна, в которой описывается содержание Вселенной. Но, возможно, разгадка таится где-то еще. Может, ответ на вопрос о расширении Вселенной не найти среди необъяснимых малых флуктуаций вакуума и скатывающихся скалярных полей. Может быть, нам, как и в случае с темной материей, стоит поискать альтернативные теории гравитации? Или, говоря на языке ученых: возможно, искривление пространства-времени происходит не так, как предсказывают уравнения Эйнштейна? Давайте вспомним урок, которому нас научили истории Леверье и Эйнштейна, и допустим, что и темная энергия может оказаться Вулканом. Мы рассмотрим левую часть уравнений, где и таится расширение пространства-времени.

При изучении темной материи мы взглянули также и на альтернативную теорию гравитации — MOND. Согласно этой теории, гравитация на больших расстояниях становится сильнее, чем это предсказывают теории Ньютона и Эйнштейна. Так мы могли бы объяснить быстрое вращение галактик, не прибегая к темной материи. Но хотя гравитация в MOND ведет себя по-разному, она остается притягивающей. А ускоряющееся расширение Вселенной без отталкивающей гравитации не объяснить.

В то же время можно изменить теорию так, чтобы включить в нее отталкивающую гравитацию. Чтобы такая модифицированная теория могла описать Вселенную, где мы живем, она должна обеспечивать притягивающую гравитацию в планетных системах, галактиках и скоплениях галактик, в то время как отталкивающая гравитация затрагивает только самые большие масштабы в космосе. Ученые сформулировали несколько модифицированных версий уравнений гравитационных полей Эйнштейна, в которых нехватка содержимого во Вселенной приведет к отталкивающим силам. В ранней истории Вселенной материя была сконцентрирована относительно плотно, а силы гравитации доминировали повсюду. По мере того, как Вселенная расширялась и опустошалась, отталкивающие гравитационные силы захватывали все больше и больше пространства.

Еще один гораздо более экзотичный способ объяснить ускоряющееся расширение — ввести во Вселенную дополнительное измерение. Я затрагивал дополнительные измерения, когда писал о теории струн. Согласно теории струн, дополнительные измерения настолько крошечные, что в нашей повседневной макроскопической действительности их никак не разглядеть. А сейчас давайте познакомимся с другим типом дополнительного измерения.

В 2000 году ученые создали новую модель, названную моделью DGP в честь трех физиков, которые первыми ее предложили, — Георгия (Гия) Двали, Григория Габададзе и Массимо Поррати. Эта модель включает в себя дополнительное измерение пространства, но, в отличие от крошечных измерений в теории струн, в модели DGP оно весьма внушительное. Как же так получилось, что мы его не замечаем? Почему мы, трехмерные люди, не можем ворваться в четвертое измерение, прямо как двумерная нарисованная рука Мортена Харкета в трехмерный мир в легендарном музыкальном клипе A-ha на написанную в 1985 году песню Take on me? Все дело в том, что в модели DGP дополнительное измерение доступно лишь гравитационным силам. Все частицы Стандартной модели намертво привязаны к трем нашим измерениям. Внутри нашей Галактики и Солнечной системы гравитация, по сути, останется в пределах трех измерений. Но чем больше расстояния, на которые распространяются гравитационные силы, тем большая их часть «просачивается» в дополнительное измерение. В результате такой утечки гравитация на больших расстояниях ведет себя иначе.

При составлении уравнений гравитационного поля, которые включают это дополнительное измерение, оказывается, что модель DGP сможет обеспечить отталкивающие гравитационные силы, когда расстояния станут достаточно большими. И хотя пока космологическая постоянная лучше согласуется с наблюдениями, чем модель DGP, это хорошее доказательство того, что ускорение Вселенной можно объяснить далеко не единственным способом.

Космологическая постоянная, квинтэссенции, модифицированная гравитация, дополнительные измерения… Похоже, я упомянул почти все модели, которые пытаются объяснить ускоряющееся расширение пространства. И как же нам понять, какое описание Вселенной верное?

Расставить все по местам нам поможет история Вселенной. Различные модели темной энергии будут соответствовать различным хронологиям расширения. А стандартные свечи и стандартные линейки могут помочь с картографированием расширения в разные периоды. Пока что большинство наблюдений, кажется, хорошо согласуется с существованием космологической постоянной. Но наблюдения все еще настолько неточны, что многие другие возможности остаются открытыми.

Сейчас планируется интересный эксперимент — исследовательский спутник под названием «Евклид». Проект разрабатывается Европейским космическим агентством (ЕКА), а запуск планируется в 2022 году. Основная задача «Евклида» заключается именно в проведении наблюдений, которые позволят различать разные модели темной энергии, задуманных для того, чтобы в ближайшие годы разобраться с нашими хаотичными представлениями об ускоряющейся Вселенной.

Именно хаос наставляет нас на истинный путь в попытках понять ускоренное расширение Вселенной. Нам приходится биться над необъяснимо малой космологической постоянной, множеством моделей квинтэссенции, странными законами гравитации и дополнительными измерениями. Кроме того, перспективы обнаружения темной энергии гораздо мрачнее, чем темной материи. Уже существует множество экспериментов, которые вот- вот обнаружат частицу темной материи. По сути, в любой день есть вероятность проснуться и узнать, что темная материя проявила себя где-то в том или ином эксперименте в какой-то шахте. А вот с ускоряющимся расширением Вселенной дела обстоят иначе. Здесь мы сталкиваемся с загадкой, которую, вероятно, придется разгадывать медленно. С более точными наблюдениями мы сможем значительно облегчить поиски, но нет гарантий, что мы вообще придем к однозначному заключению.

Существует несколько различных сценариев того, что нас ожидает. Первый и самый скучный вариант развития событий такой: все новые наблюдения прекрасно совпадают с космологической постоянной. Означает ли это полный отказ от всех альтернатив? К сожалению, нет. У всех моделей квинтэссенции есть кнопочки и рычажки, с которыми можно поэкспериментировать. Во многих из них можно настроить все так, что квинтэссенция будет похожа на космологическую постоянную в нужной нам степени. Таким образом, невозможно окончательно заключить, что мы имеем дело с космологической постоянной, основываясь только на наблюдениях за Вселенной. Тогда вся надежда на микроскопический квантовый мир. Не исключено, что появится более совершенная теория, подробно объясняющая, почему космологическая постоянная именно такая. Или, может быть, в ЦЕРНе обнаружат суперсимметрию, и, возможно, суперсимметрия откроет скалярные поля, которые дадут нам совершенно естественную квинтэссенцию. Кто знает?

В ходе другого, гораздо более захватывающего сценария благодаря усовершенствованным наблюдениям за Вселенной может выясниться, что темная энергия — это никак не космологическая постоянная. Возможно, тогда люди всерьез возьмутся за ускорение Вселенной. Может, наблюдения проложат дорогу к экзотической физике, которая включит в себя дополнительные измерения или скатывающиеся скалярные поля, и, возможно, это, в свою очередь, поможет физикам, изучающим элементарные частицы и стремящимся понять квантовый мир.

Надеяться на то, что крупные масштабы дадут нам необходимые ответы, не стоит. Альтернативные теории гравитации и дополнительные измерения, кстати, предсказывают эффекты, которые можно проверить и в нашей Солнечной системе. Например, модель DGP дает несколько иные прогнозы движения перигелиев внешних планет, нежели стандартная общая теория относительности. Расхождения слишком малы, чтобы провести четкое разграничение между моделями сегодня, но, возможно, это удастся сделать в последующие годы.

Ситуация на сегодняшний день такова, что модели темной энергии пока являются наиболее популярными для объяснения ускоряющегося расширения Вселенной. Как и с темной энергией, кажется, гораздо проще впихнуть что-то новое во Вселенную, чем менять законы притяжения. С каждым годом новые наблюдения все сильнее приближают нас к пониманию ускоренного расширения Вселенной. Благодаря разрабатывающимся масштабным проектам, например «Евклиду», будущее темной энергии выглядит весьма светлым. Но нельзя исключить, что решения этой загадки придется ждать еще долгие годы.

Мне хотелось бы упомянуть еще об одной теории. Не потому, что я в нее верю, а просто потому, что это интересный и забавный пример, в котором еще и мораль присутствует.

Допустим, Вселенная не расширяется с ускорением. Не существует никакой темной энергии или больших дополнительных измерений, а в уравнениях Эйнштейна все сходится. Тем не менее нельзя забывать про наблюдения сверхновых и угловых размеров стандартных линеек. Как связать все это воедино? Давайте в первую очередь разберемся со сверхновыми. Разве сверхновые не показали нам, что Вселенная сегодня расширяется быстрее, чем раньше? Нет, они говорят об этом не напрямую. Сейчас объясню.

Наблюдая за далекими сверхновыми, мы заглядываем в прошлое. Именно этот эффект мы и используем для картографирования истории Вселенной. Но далекая сверхновая звезда показывает нам Вселенную не только такой, какой она была раньше, но и такой, какой она была где-то еще. Мы не можем взглянуть в прошлое, не увидев в то же время Вселенную в другом месте. А еще невозможно наблюдать за Вселенной в другом месте, не заглядывая при этом в прошлое.

Когда мы использовали сверхновые для выяснения истории Вселенной, то предполагали, что она по большому счету везде одинаковая. Мы предположили, что далекие сверхновые находятся в той части Вселенной, которая не отличается от нашей. Мы обнаружили, что в местах взрыва сверхновых расширение Вселенной происходило быстрее, чем сейчас около нас. Согласно нашим предположениям, различные скорости расширения обусловлены различием эпох. Но не связано ли видимое ускорение с тем, что мы смотрели на Вселенную в разных местах? И что отдаленные ее места ведут себя иначе, чем близкие?

Наблюдения за скоплениями галактик говорят о том, что Вселенная выглядит примерно одинаково во всех направлениях.

Но это совсем не значит, что Вселенная одинакова повсюду. Например, мы можем представить Землю в центре огромной пузыреобразной структуры во Вселенной. Около нас материя заполняет пространство не так плотно, но, если двигаться к границам пузыря, плотность материи увеличится. Из центра пузыря, где мы находимся, Вселенная может показаться одинаковой во всех направлениях. Но видимость обманчива.

В 2006 году трое норвежских исследователей — Ховард Ал- нес, Морад Амарцгиуи и Эйвинд Грён — опубликовали захватывающую статью. В ней они проанализировали наблюдения за вспышками сверхновых, исходя из предположения о том, что мы находимся в центре своеобразного пузыря, в котором плотность ниже, чем снаружи. В статье им удалось объяснить наблюдения, не прибегая к темной энергии и ускоренному расширению Вселенной. Как мы помним, чем больше материи, создающей гравитацию, тем сильнее замедляется расширение Вселенной. В неоднородной Вселенной в различных местах возможны различные скорости расширения. В местах большего скопления материи расширение медленнее, чем в более разреженных. Тогда если мы окажемся в центре менее плотного пузыря и посмотрим наружу, то с перемещением в пространстве и времени увидим все более плотные части Вселенной. Чем более далекие сверхновые мы видим, тем плотнее Вселенная и тем медленнее она будет расширяться. Чем ближе к нам сверхновые во времени и пространстве, тем быстрее расширяется Вселенная. То, что мы ранее интерпретировали как ускоренное расширение Вселенной, в этой модели объясняется тем фактом, что мы находимся в определенном месте во Вселенной.

Модель интересна и вполне привлекательна, ведь она способна описать наши наблюдения без привлечения новой неизвестной сущности. Тем не менее у нее не так уж и много последователей, да и сами авторы статьи больше склонны к идее темной энергии. Все дело в том, что модель пузыря создает кучу серьезных проблем. И хотя космический пузырь неплохо согласуется с наблюдениями сверхновых, у него возникают большие проблемы, когда дело доходит до реликтового излучения. Модель также не в силах объяснить наблюдения интегрального эффекта Сакса — Вульфа (эффект исчезнувшего горнолыжного склона). Еще одна проблема заключается в том, что модель размещает нас в весьма особом месте — ровно в середине огромного пузыря. Те же ученые исследовали в более поздней статье, насколько близко мы должны быть к центру пузыря, чтобы наблюдения соответствовали модели. Оказалось, что при перемещении в случайное место внутри космического пузыря вероятность оказаться настолько близко к центру, чтобы результаты наблюдений были верными, составляет всего один к миллиону. Таким образом, для того чтобы считать модель состоятельной, необходимо очень точное совпадение факторов, и трудно представить себе причину, которая приведет нас в самую сердцевину такого пузыря.

Несмотря на проблемы, у этой модели имеется мораль: выдвигая гипотезы, следует мыслить трезво. Вывод об ускоряющемся расширении Вселенной основан на предположении, что Вселенная везде одинакова. И хоть это и кажется вполне разумным, альтернативные варианты исключать нельзя.

3.5. Участь Вселенной

А что произойдет с нашей Вселенной в будущем? Будет ли она существовать вечно? Ответы на эти вопросы зависят от природы темной энергии. Давайте рассмотрим три различных сценария: вечное расширение, Большой хлопок вследствие коллапса или же Большой разрыв и гибель Вселенной.

Этот сценарий, пожалуй, наиболее вероятен и осуществится, если темная энергия окажется космологической постоянной. Как вы помните, по мере расширения Вселенной темная энергия начинает преобладать, а скорость расширения увеличивается.

И как же Вселенная будет выглядеть в долгосрочной перспективе? Структуры, которые сейчас крепко связаны гравитацией, например планетные системы, галактики и скопления галактик, так и останутся рядом. Но расстояние между скоплениями галактик значительно увеличится. Примерно где-то через 100 миллиардов лет — впрочем, все зависит от природы темной материи — объекты за пределами нашего Местного скопления галактик увидеть будет уже невозможно. По нашим оценкам, у Солнца закончится энергия и оно умрет примерно через пять миллиардов лет, поэтому Земля в любом случае станет непригодной для жизни задолго до того, как скопления галактик исчезнут из нашего поля зрения.

Для излучения света звездам необходимы легкие химические элементы, которые будут «сгорать» в термоядерных реакциях. Примерно через 10¹⁴ (сто тысяч миллиардов) лет все звездное топливо во Вселенной будет израсходовано. Последние звезды погаснут, и Вселенная станет темной. Эта темная Вселенная продолжит свое вечное расширение.

Большой хлопок, или Большое сжатие, — это Большой взрыв наоборот. Вселенная начнет сжиматься и в конце концов скол- лапсирует. Этот сценарий был популярен до открытия ускоренного расширения в 1990-х годах.

В мире без темной энергии судьба Вселенной зависела бы от количества материи. Если материя достаточно плотная, то гравитация начнет замедлять расширение до тех пор, пока оно не остановится.

Тоща Вселенная начнет сжиматься, и закончится все это Большим хлопком. Если плотность материи недостаточна, то гравитационные силы никогда не смогут остановить расширение. Да, Вселенная будет расширяться все медленнее, но никогда уже не начнет сжиматься.

Ранее мы рассматривали искривление пространства. Кривизна Вселенной определяется плотностью находящегося в ней «вещества». Я уже упоминал «критическую плотност ь» — эта величина описывает, насколько плотной должна быть материя, чтобы Вселенная была плоской. Плотность меньше критической приведет к искривлению, похожему на лошадиное седло. Такую Вселенную-седло, где сумма углов треугольника меньше 180°, мы называем открытой. Плотность, превышающая критическую, даст изогнутую внутрь Вселенную, как поверхность шара. Такую Вселенную называют закрытой. В этом случае сумма углов будет больше 180°. Оказывается, что плоская Вселенная, заполненная материей (без темной энергии), обладает недостаточной для большого сжатия плотностью. Открытая Вселенная без темной энергии тоже не сможет начать сжиматься. Закрытая Вселенная без темной энергии обладает достаточно большой плотностью, чтобы заставить Вселенную снова сжиматься. Именно поэтому наблюдения кривизны пространства стали столь важны для предсказания судьбы Вселенной.

Но после открытия ускоряющегося расширения пространства эта тесная взаимосвязь между искривлением и судьбой Вселенной пропала. Трудно представить, что Вселенная снова начнет сжиматься после того, как темная энергия в ней стала преобладать. Тем не менее пока мы на все сто не уверены в причинах расширения пространства, не стоит полностью исключать остальные варианты. Например, есть модели квинтэссенции, где темная энергия в конечном итоге перестанет отталкивать и начнет притягивать. Согласно этим моделям, когда-нибудь в будущем Вселенная может исчезнуть в результате Большого хлопка.

И хотя Большой хлопок — не самая вероятная судьба Вселенной, этот сценарий кажется мне очень привлекательным как для физиков, так и для простых любителей. Думаю, эта теория находит у нас отклик потому, что гораздо легче представить что-то имеющее конец, нежели нечто вечное. Кроме того, некоторые утверждают, что Большое сжатие может породить новый Большой взрыв и новую Вселенную. Таким образом, у нас получится длинная, возможно, бесконечно долгая череда Больших взрывов с Большими хлопками. Такая цикличность тоже может оказаться притягательной. Во-первых, она способна объяснить причину Большого взрыва. Во-вторых, наше расположение в космосе становится чуть менее особенным. Если Вселенной суждено вечно расширяться, то мы живем в особую эпоху, когда Вселенная допускает жизнь. Эта эпоха бесконечно мала по сравнению с бесконечной жизнью Вселенной. У многих такая мысль вызывает неприятие. В циклической Вселенной пригодные для жизни условия могут возникать снова и снова. Это делает нас менее особенными.

Идея Большого хлопка возникла довольно давно. Первым, кто применил общую теорию относительности для описания циклических Вселенных, был русский физик Александр Фридман — статью об этом он опубликовал еще в 1922 году.

(Здесь Фридман показывает, что общая теория относительности может дать «периодическую» Вселенную, которая расширяется и снова сжимается. По общему признанию, он не изучал более одного цикла в своей модели.)

Стоит также упомянуть, что мы понятия не имеем, приведет ли Большое сжатие к новому Большому взрыву. Пока у нас нет теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия, невозможно предсказать, что произойдет в случае коллапса.

В 2003 году была опубликована научная статья с живеньким заголовком: Phantom Energy and Cosmic Doomsday (Фантомная энергия и космический Судный день). В ней авторы описывают Вселенную с гипотетическим видом темной энергии, которую они называют фантомной. Мы помним, что космологическая постоянная обладает неизменной плотностью вне зависимости от того, насколько сильно увеличивается Вселенная. Фантомная энергия, как и космологическая постоянная, связана с отталкивающей гравитацией. Но в случае с фантомной энергией плотность будет увеличиваться вместе с расширением пространства. Таким образом, темная энергия становится все плотнее. Это приводит к еще более резкому расширению Вселенной, что, в свою очередь, приводит к еще большей плотности темной энергии. Через определенное время Вселенная расширится настолько сильно, что все связи между скоплениями галактик и галактиками полностью разорвутся. Затем на части разлетится Солнечная система. И в конце концов усиливающиеся отталкивающие силы все более плотной фантомной энергии разъединят все атомы и молекулы. Этот момент называется Большим разрывом и знаменует конец нашей Вселенной.

Позднее были выдвинуты различные модели поведения фантомной энергии. Большинство из них основаны на вариациях форм квинтэссенции. Как мы неоднократно упоминали, сегодня наблюдения указывают на то, что темная энергия подобна космологической постоянной. Но все же на основании наблюдений мы не можем полностью вычеркнуть вероятность существования фантомной энергии. И сколько тогда ждать до разрыва Вселенной? Ответ, естественно, зависит от природы этой формы энергии. Если сопоставить наблюдения Вселенной с простейшей моделью фантомной энергии, то Большой разрыв произойдет не раньше, чем через 100 миллиардов лет. Иными словами, беспокоиться пока особо не о чем.

А что произойдет после Большого разрыва? Образуются новые Вселенные? Время остановится? Мы не знаем. Отсутствие полноценной теории, описывающей фундаментальные взаимодействия, снова вставляет нам палки в колеса.

Хоть мы и не можем полностью исключить фантомную энергию и Большой разрыв, многие считают, что для этих моделей требуется нечто большее, чем экзотичная физика. На сегодняшний день наиболее правдоподобным кажется первый сценарий, тот самый, с вечно расширяющейся Вселенной, которая окажется в непроглядной темноте, но никогда не разорвется на части.

Один из сложнейших вопросов, которые мне задают люди, узнав, что я астроном, вот какой: «Что находится за пределами Вселенной?» или «А Вселенная бесконечна?» Вопрос, конечно, слегка не по теме этой книги, но, поскольку мы начали двигаться в сторону бесконечности, возникает соблазн все равно осветить его.

Короткий ответ на эти вопросы: мы не знаем. Всю Вселенную мы не видим. Нам под силу разглядеть только те части, которые находятся достаточно близко, чтобы свету оттуда удалось достичь нас за время эволюции Вселенной. Когда мы смотрим на электромагнитное излучение, то границы наблюдаемого определяются реликтовым излучением. Высказываясь о том, как Вселенная выглядит за пределами космического горизонта, мы полагаемся исключительно на теорию, а не наблюдения. Тем не менее наблюдения, как мы убедились, показывают, что Вселенная везде одинакова. Поэтому давайте возьмем это за отправную точку. Мы также не утверждаем, будто за пределами Вселенной ничего нет. Вселенная включает в себя все существующее пространство. Само это пространство было создано в результате Большого взрыва, и говорить о чем-либо вне всего существующего не имеет смысла.

Бесконечна ли большая Вселенная или нет, зависит от кривизны. Сначала можно взглянуть на ситуацию с замкнутой Вселенной: пространство изгибается внутрь, как поверхность земного шара, а сумма углов треугольника превышает 180°. В этом случае Вселенная необязательно должна быть бесконечно большой. Как и в случае с глобусом, можно подумать, что если начать двигаться наружу в одном направлении и продвинуться достаточно далеко, то все равно вернешься именно туда, откуда начинал. На практике же это невозможно, ведь Вселенная расширяется. Даже если мы будем двигаться со скоростью света, постоянное расширение пространства гарантирует, что размер Вселенной будет постоянно увеличиваться быстрее скорости нашего движения. Это как улитка, пытающаяся обползти воздушный шар, а тот постоянно надувается, причем с достаточно высокой скоростью. В итоге улитка никогда не завершит круг. Измерения реликтового излучения показали нам, что Вселенная практически полностью плоская. Так что если она обладает внутренней кривизной, то искривление должно быть весьма незначительным. Это означает, что путь вокруг Вселенной сегодня должен быть очень длинным — намного длиннее, чем наблюдаемая Вселенная. Если Вселенная плоская или открытая, то, вероятнее всего, она бесконечно велика. Во всех случаях «вне Вселенной» ничего не существует. Насколько нам известно, границ Вселенная не имеет.

3.6. Невидимая Вселенная

За время чтения этой книги мы познакомились с темной материей и энергией, а именно с 95 процентами содержимого нашей Вселенной, которых мы не видим. Мы рассмотрели доводы в пользу существования темной материи и энергии и то, чем в итоге они могут оказаться. Осталось еще много вопросов без ответов, однако и известно нам немало.

В книге речь шла не только об этих невидимых субстанциях. Мы также поговорили о нашей Вселенной, о том, как мы действительно можем узнать что-то об огромном космосе, о том. что мы уже знаем и что нам только предстоит узнать.

Можно ли считать научным заявление о существовании невероятных количеств невидимого вещества, о котором мы ничего не знаем? Да. Исследования темной материи и темной энергии — это не просто наука, а чуть ли не идеальный пример того, какой должна быть наука.

Наши познания в физике и о Вселенной развиваются благодаря взаимодействию теории и наблюдений. Наблюдать, не связывая увиденное с теорией, — это все равно что марки коллекционировать. Никакого понимания из этого не последует. Наблюдения становятся интересными только тогда, когда они используются для подтверждения или опровержения имеющихся у нас теорий. В то же время физические теории бесполезны, если их нельзя проверить на основе наблюдений. И когда теория и наблюдения не совпадают, правда всегда будет на стороне наблюдений. Хорошего исследователя отличает готовность опровергнуть даже дело всей жизни лучшего друга, если оно противоречит действительности.

В этом отношении теориям темной материи и энергии нет равных, ведь эти концепции нравятся лишь немногим физикам. Они «уродливые» и усложняют картину Вселенной, а введение новых неизвестных переменных в красивую теорию или модель не может пройти безболезненно. Поэтому столько камней и летит в альтернативные интерпретации наших наблюдений. Возможна ли ошибка в наблюдениях? Или что-то не так с самими моделями? Может, законы гравитации недостаточно точны? Вселенная-пузырь и теория MOND Милгрома — это попытки найти альтернативы темной энергии и темной материи. Для проверки моделей темной материи и темной энергии проводятся новые эксперименты, в результате которых осуществляются новые наблюдения. Мы ищем частицы темной материи в глубоких шахтах и запускаем спутники, чтобы нанести на карту космоса стандартные линейки. И все это для проверки наших моделей.

Большинство из нас все-таки считает, что темная материя и энергия существуют. Не потому, что нам нравится эта мысль, а потому что все факты на нашей стороне. Это и есть наука во всей ее красе.

3.7. Встреча наибольшего с наименьшим

Эта книга — о Вселенной, а огромнее Вселенной объектов не существует. Тем не менее вам довелось прочитать немало об элементарных частицах, взаимодействующих исключительно на микроскопических расстояниях, об ускорителях частиц и квантовых флуктуациях. А объектов более маленьких в природе не существует. Тем не менее эти темы неотделимы от нашего понимания космоса. Распределенную по скоплениям галактик темную материю ищут, в том числе и в экспериментах с частицами. Ученые в ЦЕРНе пытаются воссоздать условия, соответствующие тем, что сложились сразу после Большого взрыва. Если им удастся обнаружить суперсимметрию, это значительно поможет в разгадке тайны темной материи. Или, может быть, это даст нам поле квинтэссенции, которое объяснит темную энергию? Возможно, найдется способ объяснить, почему космологическая постоянная настолько мала? Или почему ее вовсе не существует?

Но не только астрофизики заглядывают в труды физиков элементарных частиц. Это работает и в обратную сторону. Отличный пример — нейтрино, те самые частицы-призраки. Наблюдения за реликтовым излучением и скоплениями галактик дают нам гораздо более точные представления о количествах нейтрино, чем всевозможные эксперименты с частицами. Получается, с помощью космоса мы взвешиваем легчайшие частицы.

Наука о самом большом встречается с наукой о наименьшем. В грядущие годы новые наблюдения внесут свой вклад в оба конца физической шкалы масштабов. Просто ужасно интересно посмотреть на ожидаемые или неожиданные результаты. Будут ли физика элементарных частиц и астрофизика указывать в одну сторону? Но одно точно: взаимный интерес у представителей обеих научных сфер вряд ли ослабнет.

3.8. Антропный принцип — потому что мы здесь

Я только что хвастался, насколько прекрасны научные исследования темной материи и энергии. Теперь, ближе к концу книги, мы сделаем небольшой шаг за пределы жестких научных рамок. Мы познакомимся с антропным принципом.

Одна из сложностей, с которыми мы столкнулись на протяжении книги, — проблема космологической постоянной. Мы задавались вопросом, почему космологическая постоянная настолько мала, ведь предсказанное квантовой физикой «правильное» значение будет аж в 10 раз превышать наши измерения. Потом я еще упомянул, что мы должны быть благодарны такому маленькому значению. Будь оно намного больше, и галактики, звезды, планеты и цивилизации никогда бы не сформировались. Тут я уже практически намекнул на антропный принцип.

Грубо говоря, антропный принцип гласит, что Вселенная, которую мы наблюдаем, должна быть такой, какая она есть, ибо, если бы она была другой, никакие сознательные существа не появились бы, чтобы спросить, почему она именно такая.

(Антропный принцип встречается во многих различных формулировках у разных авторов. В частности, часто проводится различие между слабым и сильным антропным принципом. Моя не особо строгая формулировка ближе всего к слабому антропному принципу, сформулированному в книге известных космологов Джона Д. Барроу и Фрэнка Дж. Типлера «The Anthropic Cosmological Principle».)

Тот факт, что мы вообще задаемся этим вопросом, уже закладывает некоторые строгие требования к законам природы.

При помощи антропного принципа пытаются объяснить ряд физических величин. Например, мы упоминали, что гравитация намного слабее электромагнитных сил. Никаких естественных причин такой слабости гравитационных сил нет. Но будь они гораздо сильнее, и Вселенная стала бы слишком хаотичной и быстротечной для зарождения жизни. И тогда, опять же, некому было бы задаваться вопросом о слабости сил притяжения. Тот факт, что мы можем задать вопрос, сам по себе становится ответом.

Но наука ли это? Или, выражаясь точнее, можно ли назвать это естественной наукой? И да и нет. Но скорее все-таки нет. Это наука в том смысле, что рассуждения достаточно логичны. Мы бы действительно не смогли задать эти вопросы, если бы Вселенная была совсем другой. К тому же к этому принципу относятся как к науке, когда серьезные исследователи публикуют статьи на эту тему в серьезных профессиональных журналах. Однако антропный принцип сталкивается с серьезными проблемами, когда дело доходит до одного из священных принципов науки — фальсифицируемости.

В естественных науках люди выдвигают идеи, часто называемые гипотезами: их еще не проверили и не факт, что они верны. Но важно, чтобы был метод опровержения этих идей. То есть должна оставаться возможность провести эксперимент или наблюдение, способные доказать, что гипотеза неверна. Поэтому утверждение вроде «завтра пойдет дождь» — хорошее, опровержимое утверждение. «Я вчера видел НЛО» — не поддающееся опровержению утверждение. То, что гипотеза неопровержима, не значит, что она неверна. Однако современным критериям научности она не соответствует.

То, что космологическая постоянная остается такой, какая она есть, потому что мы здесь и можем ее наблюдать, не является опровергаемым утверждением. Не факт, что это неверно, но наукой это назвать нельзя.

(He все согласны с тем, что антропный принцип не допускает заявлений, которые можно опровергнуть. Наглядный пример этого дает статья 1987 года известного физика Стивена Вайнберга. Это было за десять лет до того, как космологическая постоянная приобрела популярность. В ней он использует антропный принцип, чтобы «предсказать», что значение космологической постоянной будет иметь примерно такое же значение, как мы наблюдаем.)

Антропные соображения интересны, потому что обсуждаемые нами физические величины на самом деле могли быть разными. Вернемся к космологической постоянной: верно ли, что в принципе она могла иметь все возможные значения? И получается, во время формирования Вселенная «придумала» одно конкретное значение космологической постоянной? Мы не знаем. Как я неоднократно повторял: у нас нет единой теории, объединяющей все силы природы. Может, когда-нибудь у нас появится такая теория, и, может быть, она расскажет нам, почему космологическая постоянная настолько мала, или мы поймем, что эта постоянная вообще равняется нулю. Или, возможно, это число, которое всегда нужно вводить вручную даже в самой совершенной теории, — число, которое могло быть чем угодно. Мы не знаем.

Предположим, значение космологической постоянной могло быть иным. От чего тогда оно зависит? И тут в игру вступает Мультивселенная.

(Слово «Мультивселенная» используется при описании множества моделей и феноменов. Я ссылаюсь на тот тип Мультивселенной, который связывают с инфляционными моделями Вселенной. Инфляционная стадия — это непостижимо короткий период времени сразу же после Большого взрыва, когда Вселенная расширялась невероятно быстро. Фаза инфляции постепенно вкралась в нашу стандартную картину Вселенной, несмотря на то что до сих пор не хватает наблюдений, которые могли бы точно подтвердить, что так и было. Существуют различные механизмы, объясняющие, как эта инфляция могла возникнуть. Популярный тип модели называется «хаотическая инфляция» или «вечная инфляция». Эти модели основаны на скалярных полях, мало чем отличаясь от квинтэссенции. Предполагается, что при хаотической инфляции будет создано бесконечное количество Вселенных.)

Часть физиков-теоретиков считает, что наша Вселенная не единственная, а такие процессы, как Большой взрыв, могут создавать большое, возможно, бесконечное количество Вселенных. Некоторые представляют, что новые Вселенные-пузыри возникают, как пузырьки на зарослях водорослей. Идея заключается в том, что часть физических величин, а к ним относится и космологическая постоянная, могут варьироваться в таких различных Вселенных. Таким образом, космологическая постоянная в подавляющем большинстве Вселенных будет несовместима с формированием таких сознательных наблюдателей, как мы. Но в некоторых Вселенных физические величины совпадут таким образом, что создадут условия для появления сознательных существ, которые зададутся вопросом, почему физические величины именно такие. При первом рассмотрении концепции Мультивселенной крайне соблазнительно прибегнуть к антропному принципу как разъяснительной модели.

Проблема с Мультивселенной опять же связана с фальсифицируемостью. В большинстве моделей разные Вселенные полностью отделены друг от друга. Нет никакой возможности наблюдать за другими Вселенными. И нельзя точно сказать, что их нет. И, опять же, немного обнадеживает вера в существование более фундаментальной теории. Такую теорию уж точно можно будет проверить. Если она способна описать условия, сопутствующие Большому взрыву, и предсказать формирование множества Вселенных, то у нас появятся косвенные признаки возможного существования Мультивселенной. Но до этого нам еще далеко. Такой теории у нас нет. Неизвестно, возможно ли ее вообще создать. Да и что в итоге предскажет эта теория, пока непонятно.

Хоть антропный принцип и привлекателен в своей простоте, он вряд ли поможет значительно продвинуться в понимании Вселенной. Этот принцип занимает оборонительную позицию. Он дает нам ответ наподобие такого: «Вселенная такая, какая она есть, потому что она такая, какая есть, разговор окончен» — не особо удовлетворительный ответ. Может, мы действительно живем в одной из множества независимых Вселенных и космологическая постоянная в каждой из них разная. В таком случае мы, наверно, никогда не узнаем, почему она настолько мала. Или все же узнаем. Я верю, что узнаем. Давайте по крайней мере попытаемся.

3.9. Счастье узнавать то, чего не знаешь

В наше время легко разочароваться. Так много о Вселенной мы еще никогда не знали. Но в то же время прежде мы и не думали, что нам столько неизвестно. Впрочем, эта «известная» неизвестность также дает нам невероятно привилегированное положение в (возможно) бесконечной Вселенной. Мы вот-вот сделаем эпохальные открытия, которые будут оставаться вехами в истории человечества на протяжении всего нашего существования. И мы сами это осознаем!

Но так было не всегда. И здесь мне очень хочется вспомнить слова американского физика Альберта Майкельсона. Май кельсон — это вам не первый попавшийся: в конце XIX века они с Эдвардом Морли осуществили исследования, доказавшие, что скорость света одинакова независимо от направле ния движения.

Выводы сделали излишним эфир и проложили путь теории относительности Эйнштейна. Они предшествовали великой физической революции, которая произошла в начале XX века, когда квантовая физика и теория относительности перевернули наш мир с ног на голову. Но, как и многие другие, Майкельсон этого не ожидал. В 1903 году он написал: «Наиболее важные физические законы и факты уже давно открыты, и теперь они закрепились настолько прочно, что вероятность их вытеснения в результате новых открытий чрезвычайно мала».

Майкельсон полагал, будто все основные физические законы и истины уже открыты. Сегодня-то мы знаем, что все иначе. Мы знаем, что не понимаем ключевых свойств Вселенной, но также знаем, что ответы могут открыться нам в любой момент обозримого будущего.

В несущественно коротком отрезке пространства-времени в (возможно) бесконечной жизни Вселенной существуют условия, позволившие появиться сложным структурам и жизни. И люди существуют в исчезающе малой части этого времени. Бегло взглянув на историю человечества, можно узнать, из чего состоит почти вся Вселенная и чем она закончится. И многое указывает на то, что именно в этом коротком миге мы и находимся.