Глава 11. Темная Вселенная

Глава 11.

Темная Вселенная

В 1996 году в Принстоне на конференции «Critical Dialogues in Cosmology» звезды космологии попарно дискутировали о состоянии Вселенной. Организаторы выбрали для обсуждения ряд спорных открытых вопросов и пригласили собравшихся вступить в полемику. Пары докладчиков — ведущих астрономов, физиков и математиков, — выходя на сцену, отказывались от принятого на конференциях протокола. Они бросались в бой, пытаясь в пух и прах разбить аргументы оппонента. Это был странный, но увлекательный способ обсуждения научных вопросов.

Военные действия открыл Мартин Рис, человек, ставший одним из мастодонтов релятивистской астрофизики благодаря огромному вкладу в теорию черных дыр и Большого взрыва. Он утверждал, что космология является «фундаментальной наукой» и «одной из величайших наук об окружающей среде». Она обеспечивает максимальную применимость красивых математических и физических теорий, разработанных в XX веке Эйнштейном, Дираком и другими учеными. Более того, ей приходится иметь дело с множеством эмпирических данных о галактиках, квазарах и звездах, в попытках объяснить, каким образом эти на первый взгляд крайне запутанные механизмы складываются в одну большую картину Вселенной. Рис доказывал, что при всей своей сложности, противоречивости и незавершенности задачи космологии имеют первостепенное значение.

Картина Вселенной, которую рисовала космология на момент Принстонской конференции, была очень странной. Казалось, что мы понимаем намного меньше, чем мы думали. Большая часть Вселенной состояла, по-видимому, из экзотической материи, которую никто и никогда не видел в лабораториях. Непонятные «темная материя» и «темная энергия» влияли на пространство-время, почему-то оставаясь неуловимыми и нераспознаваемыми. Аргументы в пользу темной Вселенной появились в один прекрасный полдень при обсуждении крупномасштабной структуры. В космологии именно эта тема привлекла меня в первую очередь.

Глядя на Вселенную, мы видим замысловатую световую мозаику из галактик, собирающихся в скопления, нити и стены, оставляя в промежутках большие пустые области. Богатый, полный информации и крайне сложный объект. Откуда берется крупномасштабная структура Вселенной? Для участников конференции это был самый актуальный вопрос, так как ответ на него пока еще никто не искал. Поэтому организаторы посвятили данной теме все утро. Долговязый астроном из Принстона Дж. Ричард Готт, растягивая слова, как это было принято у южан, защищал здравый смысл. На первый взгляд Вселенная выглядит очень пустой, поэтому Готт предположил, что она практически лишена материи, которая медленно эволюционирует в галактические нити и скопления, заполняющие наше небо. Другой молодой и энергичный астроном из Принстона, Дэвид Спергел, предположил, что Вселенная не пуста, а заполнена невидимой темной формой материи. Такая материя должна состоять из фундаментальных частиц, не учтенных в стандартной модели и пока не наблюдавшихся ни в одном эксперименте. Но самое необычное предположение выдвинул последний докладчик, остроумный космолог-теоретик из Чикаго Майкл Тернер. Почему не предположить, что Вселенная пронизана энергией с ненулевой космологической постоянной? Во Вселенной Тернера около двух третей материи должно учитываться при помощи космологической постоянной, которую так решительно отвергли семьдесят лет назад. Собравшихся это предложение не впечатлило. Космологическая константа считалась самым большим промахом Эйнштейна.

В гладиаторских боях между моделями Вселенных председательствовал Филипп Джеймс (Джим) Пиблс, научный профессор из Принстонского университета имени Альберта Эйнштейна. Высокий, стройный мужчина с лицом, как будто списанным с портретов Модильяни, Пиблс был джентльменом до мозга костей и вежливо выступал в роли арбитра. Тщательно следя за тем, чтобы дискуссия оставалась в рамках заданной тематики, он иногда с почти детской радостью хихикал над летящими с обеих сторон насмешками и комментариями. Конференция «Critical Dialogues» отчасти была организована как празднование его шестидесятилетнего юбилея. Вполне уместный подарок. Ведь три предыдущих десятилетия Пиблс был основным творцом теории крупномасштабной Вселенной, которая легла в основу современной космологии.

В начале 1970-х Джим Пиблс опубликовал небольшую книгу под названием «Физическая космология» — краткое изложение лекций, которые он читал аспирантам в Принстоне в 1969 году. На них присутствовал Джон Уиллер, писал конспекты и, если верить Пиблсу, практически вынудил его опубликовать лекции. Во введении Пиблс кратко упоминает космологическую константу, говоря, что «постоянная Л [греческая заглавная буква «лямбда», которая является математическим обозначением космологической константы] в конспектах встречается редко». С точки зрения Пиблса, она представляла собой ненужное усложнение, «маленький некрасивый секрет» космологии. Все знали, что математически эта константа допустима, но так как она делала физику слишком странной и трудной, ее предпочитали не замечать. И вот теперь, четверть века спустя, вопреки неодобрению большинства коллег Пиблса, космологическую константу пытались вернуть назад. И делали это чрезвычайно настойчиво.

Когда в 1958 году только что получивший диплом инженера в университете Манитобы Джим Пиблс прибыл в Принстон, он обнаружил, что Джон Уиллер со своей группой работает над проблемой черных дыр и конечного состояния. В Принстоне Уиллер был не единственным приверженцем общей теории относительности; там же работал Роберт Дикке. Дикке, как и Уиллер, в середине 1950-х понял, в каком отчаянном положении находилась теория Эйнштейна. Практически никто не ставил экспериментов для ее проверки. Он создал в Принстоне собственную группу, в которой общая теория относительности обсуждалась и, что куда важнее, измерялась и тестировалась. «Довольно быстро моя профессиональная жизнь стала вращаться вокруг Боба, и я начал заниматься восхитительными вещами», — говорит Пиблс. Он присоединился к группе Дикке еще в аспирантуре и после ее завершения сконцентрировался на экспериментах в области гравитационной физики. В Принстоне он провел следующие пятьдесят лет своей жизни.

В 1960-е, по воспоминаниям Пиблса, космология все еще была «скромной дисциплиной, — дисциплиной, продвижением которой занимались два или три человека». Он считал, что «дисциплина, продвигаемая двумя-тремя учеными, находится в бедственном положении». Мало кто активно работал в этой области, исследований практически не проводилось. Пиблса такая ситуация более чем устраивала. Она давала возможность не спеша заняться решением захвативших его воображение проблем, двигаясь в собственном темпе. После получения докторской степени по квантовой физике Пиблс посвятил себя развитию космологии. Начал он с объекта, который коллеги по Принстону называли «первичным огненным шаром», пытаясь понять, что происходило с атомами и ядрами на ранней стадии развития Вселенной, когда она была горячей и плотной. Он работал как настоящий мастер: закрылся в кабинете и покрывал страницу за страницей уравнениями, медленно продвигаясь в вычислениях вперед и совершенствуя свой подход.

Руководитель Пиблса имел другой взгляд на вещи. Как вспоминает Пиблс: «Для него физика, без всякого сомнения, была теорией, но теорией, которая в ближайшем будущем должна быть проверена экспериментально», поэтому Дикке заставил свою группу искать оставшееся от первичного огненного шара реликтовое излучение. Они разработали новый вид детектора, при помощи которого можно было сканировать небо с крыш зданий, но излучения не обнаружили. В один из вторников в конце 1964 года Дикке сидел со своей группой в офисе, проводя еженедельное собрание, и вдруг зазвонил телефон. После короткого разговора, положив трубку, Дикке сказал: «Нас обскакали». Ему звонил Арно Пензиас, чтобы сообщить, что вместе с Робертом Вильсоном из лабораторий Белла они, похоже, обнаружили признак реликтового излучения. За месяцы работы группа Дикке подтвердила результат, полученный в лабораториях Белла, но было слишком поздно: Нобелевская премия досталась Пензиасу и Вильсону.

С точки зрения Пиблса, с рисуемой учебниками физики в 1960-х годах картиной космоса было что-то не так. В то время обсуждались две совершенно разные темы. С одной стороны, история и эволюция Вселенной, рассказанная Фридманом и Леметром. Они объясняли, как менялись пространство, время и материя в самом крупном из возможных масштабов. На другой чаше весов находились объекты интереса астрономов — галактики и галактические скопления. Эти галактики были частью Вселенной, но их наличие казалось почти несущественным и не связанным с фундаментальным расширением и структурой Вселенной. Они напоминали яркие цветные световые завитушки, нарисованные на пространстве-времени. Разумеется, галактики давали много информации о Вселенной, например о скорости ее расширения или о количестве содержащейся в ней материи. Но глядя на небо, Пиблс ощущал, что галактикам следует отвести больше места, — он был убежден, что они должны играть ключевую роль в эволюции и крупномасштабной структуре Вселенной, с этим же должно быть связно и их происхождение. Галактики, все эти великолепные пятна света, газ и звезды, задним числом брошенные в пространство-время, не могли появиться из ничего. Значит, галактики должны были играть некую роль в общей теории относительности Эйнштейна. Вопрос был в том, какую. Для Пиблса это была идеальная задача: сложная открытая проблема, которой практически никто не хотел заниматься.

Роль гравитации в формировании отдельных галактик очевидна. Совокупность материи сжимается под действием собственной силы тяжести. Если материи достаточно много, ее кинетической энергии хватает на то, чтобы остановить сжатие в определенной точке, в которой итоговый конгломерат превращается в управляемую собственной силой тяжести галактику. Намного менее понятной для Пиблса была связь гравитационных эффектов при формировании отдельной галактики с ролью гравитации при расширении Вселенной. На эту связь указывал аббат Леметр. Задумывался о механизме формирования галактик в расширяющейся Вселенной и русский теоретик Георгий Гамов. Но ни один из них не смог подтвердить свои гипотезы соответствующими вычислениями. В 1946 году один из учеников Ландау, Евгений Лившиц, взял уравнения Эйнштейна и попытался связать происходящее в масштабе Вселенной с происходящим в намного меньшем масштабе отдельных галактик. Его результат дал представление о том, каким образом могла бы возникать крупномасштабная структура Вселенной: небольшая рябь в пространстве-времени начинает развиваться и расти в соответствии с его уравнениями, и в областях высокой кривизны формируются и группируются галактики, образуя крупные структуры, которые мы можем наблюдать в наши дни.

Работая над поведением атомов и света в изначальной Вселенной, Пиблс понял, что новые данные способны объяснить механизм формирования галактик после Большого взрыва. Приблизительно оценив возраст Вселенной, плотность атомов и температуру реликтового излучения, Пиблс обнаружил, что масса сколлапсировавших структур, таких как Млечный Путь, могла бы составлять от миллиарда до сотен тысяч миллиардов масс Солнца. Как ранее предположил Гамов, Вселенная на ранних стадиях развития казалась идеальным для возникновения галактик местом.

В своих попытках детально понять процесс формирования галактик Пиблс был не одинок. Аспирант из Гарварда Джозеф Силк утверждал, что коллапсирующие сгустки, в конечном счете сформировавшие галактики, должны были оставить свой след в первичном огненном шаре — слабую мешанину горячих и холодных областей в недавно открытом Пензиасом и Вильсоном реликтовом излучении. Результатам Силка вторили Райнер Сакс и его студент Артур Вольфе в Остине, обнаружившие, что даже в самом большом масштабе на реликтовое излучение будет влиять гравитационное сжатие всей материи во Вселенной. К аналогичному заключению пришла и группа Якова Зельдовича в Советском Союзе. Они показали, что по пульсациям реликтового излучения, сохранившегося с момента, когда возраст Вселенной насчитывал всего несколько сотен тысяч лет, можно смоделировать первые мгновения, приведшие к формированию галактик. Такими вот разными и несогласованными путями физическая космология Гамова и Пиблса начала приносить свои первые плоды.

Пиблс хотел объяснить расширение Вселенной — горячее начало, первичный огненный шар, атомы, гравитационный коллапс — в терминах базового учебника физики, скомбинировав общую теорию относительности с термодинамикой и законами распространения света. Вместе с Джер Ю, своим аспирантом из Гонконга, он написал полный набор уравнений, позволяющих проследить за эволюцией Вселенной от первых моментов после Большого взрыва до наших дней. Вселенная Пиблса начиналась с однородного горячего состояния, в котором практически отсутствовали импульсы, возмущающие изначальную смесь газа и света. Но по мере своего развития эти возмущения наталкивались на давление со стороны беспорядочной липкой плазмы, состоящей из свободных электронов и протонов. Вселенная шла волнами, как поверхность пруда, пока электроны и протоны не объединились друг с другом, сформировав водород и гелий. После этого наступила следующая стадия: атомы и молекулы стали собираться в группы, сжимаясь под действием силы тяжести, образуя рассеянные по пространству-времени крупицы массы и света. Это были возникшие после Большого взрыва галактики и галактические скопления.

В модели Пиблса и Ю способ распределения галактик по пространству-времени, определяющий крупномасштабную структуру Вселенной, несет на себе отпечаток горячего начала Вселенной. Оставшееся от Большого взрыва реликтовое излучение, температура которого, согласно измерениям Пензиаса и Вильсона, равна всего 3° кельвина, должно нести отголосок небольших импульсов, ставших причиной формирования галактик. Решая уравнения Вселенной как согласованное единое целое, Пиблс и Ю нашли новый мощный способ изучения общей теории относительности Эйнштейна: наблюдать, как галактики распределяются в пространстве, образуя крупномасштабную структуру Вселенной, и использовать эту информацию для построения модели начала и развития пространства-времени.

Это была яркая, захватывающая интерпретация, но результаты Пиблса и Ю встретили молчанием. «На нашу статью никто не обратил внимания», — вспоминает Пиблс. Объединив различные области физики, Пиблс и Ю забрели туда, где еще никто не был. Их работу нельзя было однозначно отнести к астрономии, общей теории относительности или фундаментальной физике. С точки зрения Пиблса, отсутствие реакции было в порядке вещей. Он продолжал работать над теорией Вселенной, периодически привлекая к своим странным изысканиям какого-нибудь студента или молодого коллегу, но по большей части проводя свои вычисления самостоятельно.

Когда Пиблс занялся моделью Вселенной, ему потребовались экспериментальные данные, чтобы понять, в верном ли направлении он двигается. В начале 1950-х работающий в Техасе французский астроном Жерар де Вокулер, просматривая заслуживающий внимания каталог Шепли-Эймса, включающий в себя свыше тысячи галактик, обнаружил растянутый по небу «поток галактик», превышающий любое скопление и больше напоминающий «сверхскопление», или «сверхгалактику». Эту работу принимали не очень хорошо. Астроном из Калтеха Вальтер Бааде пренебрежительно отзывался о результатах Вокулера, сказав: «Доказательств существования сверхгалактик нет», так же как и Фриц Цвики, который попросту заявил: «Сверхгалактик не бывает». Скептически отнесся к данным Вокулера и Пиблс, но как вспоминает один из его студентов, он придерживался взглядов своего учителя Боба Дикке, гласивших, что «хорошее наблюдение стоит больше еще одной посредственной теории». Поэтому вместе со своими протеже он решил самостоятельно нанести на карту крупномасштабные структуры. А когда молодые исследователи из Гарварда Марк Дэвис и Джон Хукра и в самом деле обнаружили в создаваемых ими более четких обзорах галактик плотные вкрапления, Пиблс был «ошарашен». Как он признавался: «Я написал ряд ядовитых статей с примерами из прошлого, демонстрирующими, как астрономов вводила в заблуждение тенденция… находить в шумах регулярные структуры. Было ясно, что требовалось понять механизм формирования структур». Со временем он обнаружил, что галактики и в самом деле упорядочены в огромную мозаику из стен, нитей и скоплений. Впоследствии это явление назвали ячеистой структурой. Предсказанная в компьютерной модели Пиблса крупномасштабная структура стала проявляться в реальном мире.

В 1979 году Стивен Хокинг в соавторстве с южноафриканским релятивистом Вернером Израэлем пишет работу «Общая теория относительности: обзор к столетию Эйнштейна». В ней они объединили главные космологические исследования, черные дыры и квантовую гравитацию. Свой вклад в виде эссе «Космология большого взрыва — загадки и панацея» внесли Боб Дикке и Джим Пиблс. Эссе было коротким. На нескольких страницах Дикке и Пиблс рассказали, какие фундаментальные проблемы, на их взгляд, присутствуют в удивительно успешной теории.

Что же было не так? Для начала Вселенная казалась слишком однородной. В прошлом предпринимались попытки объяснить этот факт, но Дикке и Пиблс не нашли ни одного объяснения, которое бы их удовлетворило. Более того. Почему геометрия пространства в отличие от геометрии пространства-времени выглядит так просто? Казалось, что пространство не искривляется и к нему применимы правила изучаемой в школах геометрии Евклида. Все выглядело так, как будто во всех случаях соблюдались правила о параллельных прямых, которые никогда не пересекаются, и сумме углов треугольника, составляющих 180 градусов. Общая теория относительности допускает Вселенную без пространственной кривизны, но это частный случай. Уравнения Эйнштейна предсказывают, что в процессе эволюции кривизна Вселенной должна быстро увеличиваться. Поэтому если современная Вселенная почти лишена кривизны, значит, в прошлом кривизна была еще меньше. Вселенная, в которой мы живем, выглядит совершенно неправдоподобно. В конце концов, откуда-то должны были появиться заполнившие небо галактики и сформированные из них структуры. В момент Большого взрыва тенденция Вселенной к расширению должна была оказаться достаточной для компенсации силы тяжести и предотвращения коллапса пространства-времени, но вряд ли этого хватило бы, чтобы пространство-время разлетелось в пустом вакууме. Смысл статьи сводился к простому вопросу: что произошло в самом начале?

За материалом Дикке и Пиблса следовала короткая статья Якова Зельдовича. В ней он размышлял о ранней Вселенной, повторяя рассуждения, впервые изложенные аббатом Леметром при рассмотрении первичного атома. Горячая стадия сопровождалась множеством интересных явлений, которые могли оказать влияние на эволюцию Вселенной и сказаться на ее современном состоянии. Прояснить эти явления Зельдович призывал сообщество ученых и релятивистов, занимающихся физикой элементарных частиц.

Статьи Дикке, Пиблса и Зельдовича оказались пророческими. Всего через год простое предположение об эволюции ранней Вселенной перевернет космологию с ног на голову.

В общем виде идея носилась в воздухе, но именно Алан Гут, научный сотрудник Стэнфордского центра линейного ускорителя, выдвинул идею космической инфляции. Гут понял, что в соответствии с некоторыми крупными обобщенными теориями — теориями, пытающимися объединить электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия в одну всеобъемлющую силу, — Вселенная могла застрять в состоянии, когда одно из полей становится необычайно сильным и начинает доминировать над всем остальным. В этом состоянии Вселенная будет вынуждена быстро расшириться. Несмотря на ошибочность исходной идеи Гута — у Вселенной, застрявшей в подобном состоянии, нет способов из него выйти, — ученые быстро начали предлагать другие гипотезы инфляционного расширения. Идея инфляции Вселенной открыла перед космологами новую дорогу, показав в прошлом Вселенной период, который следовало изучить. Появилась теория, точно предсказавшая, какой должна была быть Вселенная в начале формирования ее структур. И казалось, она решила вопрос, поднятый Дикке и Пиблсом. В первую очередь теория инфляции дает толчок к пониманию механизма мгновенной потери кривизны. Представьте, что у вас в руках воздушный шар, который вы при помощи помпы можете быстро и практически мгновенно надуть до размеров Земли. После этого расположенный перед вашим носом фрагмент шара с вашей точки зрения будет казаться совершенно плоским. Аналогичным образом Вселенную к крайне однородному и примитивному состоянию ведет инфляция. Любые крупные фрагменты массы и естественным образом разнообразящие ландшафт пространства-времени пустоты будут разбросаны на расстояния, недоступные нашему наблюдению. А еще инфляция показывает, каким способом мог быть дан толчок росту структуры в ранней Вселенной. В период интенсивной инфляции микроскопические квантовые флуктуации в ткани пространства-времени могли растянуться и оставить свой отпечаток в большем масштабе.

Теория инфляции, как лаконично выразились астрофизики в Чикаго, установила связь между «внутренним и внешним космосом». Внутреннее пространство представляет собой мир квантов и фундаментальных взаимодействий, в то время как внешнее пространство охватывает космос, в котором вступает в свои права общая теория относительности. В результате у программы исследований, которую в предыдущие десятилетия разрабатывал Пиблс вместе с Зельдовичем, Силком и остальными, появилась новая цель: крупномасштабная структура Вселенной; распределение галактик и реликтовое излучение должны были дать ключ к разгадке связи внешнего и внутреннего космоса. Люди начали обращать внимание на внешний мир.

В 1982 году Пиблс попытался построить новую Вселенную. Старая модель, разработанная с Джер Ю и состоявшая из атомов и излучения, перестала его устраивать. Он сравнил предсказания этой модели с нанесенными на карту неба галактиками и обнаружил расхождения. Реальность не укладывалась в рамки его элегантных вычислений. Более того, за предыдущее десятилетие сами галактики приобрели более сложный вид. Происходящие внутри них процессы давали странную картину.

Американский астроном Вера Рубин обнаружила, что галактики вращаются слишком быстро, напоминая удерживаемый какой-то мистической силой фейерверк «огненное колесо». Рубин направила свой телескоп на галактику Андромеда — водоворот звезд и газа, вращающийся со скоростью сотни километров в секунду. По крайней мере, такое ощущение возникало при наблюдении через телескоп. Больше всего света оказалось в центре, где сконцентрированы все звезды, поэтому Рубин ожидала, что источником гравитационного притяжения, благодаря которому галактика сохраняет свою форму, является ее сердцевина. Однако наблюдение за удаленными от центра звездами показало, что они движутся чрезмерно быстро. Более того, звезды перемещались так стремительно, что Рубин не могла понять, каким образом гравитационному притяжению центра галактики удается их обуздать. Это все равно как если бы Земля внезапно удвоила или утроила скорость своего вращения вокруг Солнца. Солнце должно было каким-то образом увеличить свое гравитационное притяжение, в противном случае Земля сорвалась бы с орбиты и улетела в пространство. Внешние звезды на своих орбитах удерживала какая-то другая сила, большая и невидимая.

Аналогичное явление в 30-х годах наблюдал Фриц Цвикки, но на его наблюдения почти сорок лет никто не обращал внимания. Цвикки подсчитал галактики в скоплении Волосы Вероники и оценил общую массу наблюдаемых объектов. Измеренная скорость движения галактик внутри скопления оказалась слишком большой. Как он писал в статье, опубликованной в Швейцарии в 1937 году: «Плотность светящейся материи в скоплении Волосы Вероники должна быть мизерной по сравнению с плотностью какого-то вида темной материи».

У Джима Пиблса с галактиками возникли собственные проблемы. Со своим молодым коллегой из Принстона Джерри Острайкером он решил построить для сформировавшихся галактик простые компьютерные модели, представив их в виде набора частиц, притягивающихся друг к другу через гравитационное взаимодействие и вращающихся по спирали. Как только к модели добавлялось вращение, галактики распадались. В центре формировалась капля, которая растягивалась и разрывала галактику на части. Острайкер и Пиблс пытались стабилизировать модель, погрузив вращающиеся частицы в шар скрытой массы. Этот шар — они называли его гало — помогал силе тяжести удерживать галактику от разбегания. Гало должно было быть темным (то есть невидимым), а значит, недоступным для обнаружения при помощи телескопов. Как ни парадоксально, но модель показала, что темной материи должно быть намного больше, чем видимых нами в звездах атомов. В конце 1970-х Сандра Фабер, работающая в Санта-Крузе, штат Калифорния, вместе с Джеем Галлахером из Иллинойса написали обзор странных открытий, которые астрономы сделали путем наблюдений, а Пиблс и его коллеги — путем компьютерного моделирования. Они заключили, что «открытие темной материи выдержит испытание временем как один из основных итогов современной астрономии».

В 1982 году Пиблс начал строить новую модель Вселенной, решив включить в нее атомы и темную материю. Собственно, он предположил, что почти вся Вселенная была получена из этой таинственной формы материи, состоящей из тяжелых частиц, которые мы не в состоянии увидеть, так как они не взаимодействуют со светом. Простая модель холодной темной материи, предложенная Пиблсом, позволила ему предсказать, как будет выглядеть распределение галактик и насколько большими должны быть возмущения реликтового излучения. Данный подход мог оказаться знаковым для развития космологии, но как вспоминает Пиблс: «Я не воспринимал его всерьез. Я записал решение просто потому, что оно оказалось простым и совпадало с данными наблюдений».

Хотя Пиблс не касался недавно предложенной концепции инфляции, его новая модель была полностью в духе времени. В ней нашли свое воплощение массивные частицы, появившиеся в результате попыток фундаментальной физики соединить внутренний и внешний космос. Модель холодной темной материи (Cold Dark Matter, CDM) приняло множество астрономов и физиков, занимавшихся выяснением подробностей формирования галактик. Марк Дэвис из Беркли объединился с двумя британскими астрономами, Джорджем Эфстатиу и Симоном Уайтом, а также с мексиканским астрономом, Карлосом Фрэнком, для создания компьютерной модели формирования отдельных галактик и галактических скоплений в виртуальных вселенных. В своих построениях «банда четырех», как их позднее прозвали, отслеживала взаимодействие сотен тысяч частиц, соединяющихся друг с другом и формирующих крупномасштабную структуру Вселенной.

Несмотря на популярность и общепризнанность модели CDM, слишком многое в ней выглядело некорректно. В модели Пиблса возраст Вселенной составлял всего 7 миллиардов лет. Астрономы обнаружили в галактиках плотные участки звезд, известные как шаровые скопления. Эти яркие конгломераты света были наполнены старыми звездами, сформировавшимися на ранних этапах развития Вселенной, когда она была наполнена преимущественно водородом и гелием. Возраст шаровых скоплений насчитывал по меньшей мере 10 миллиардов лет. И это еще не все. Если постулировать, что Вселенная в основном состоит из темной материи, ее пропорция по отношению к атомам составит примерно 25:1. При этом, несмотря на все свои старания, астрономы не смогли обнаружить следы этой темной материи. По скорости вращения галактик или по температуре наблюдаемых скоплений можно оценить силу гравитации (чем горячее галактика, тем выше должно быть гравитационное притяжение) и количество темной материи, необходимой для создания притяжения такой силы. И по расчетам, соотношение темной материи к атомам выходило равным примерно 6:1. Конечно, методы оценки веса темной материи были примитивными и ненадежными, но разница оказалась слишком большой, чтобы ее можно было объяснить погрешностью вычислений. Практически сразу после создания модели CDM Пиблз от нее отказался и принялся за поиск альтернатив. «В восьмидесятые и в начале девяностых было много разных идей», — вспоминает он.

Не лучше шли дела и у «банды четырех». Они создавали компьютерные модели виртуальных вселенных и сравнивали их с реальной Вселенной, ища сходство. Но сходства не было. Прежде всего, в большом масштабе реальная Вселенная имела более структурированный и сложный вид. В модели CDM галактики на малых масштабах сгруппированы плотнее, а при попытке отодвинуться и увидеть большой фрагмент общей картины сглаживание происходило намного быстрее, чем в реальности. Некоторая подгонка результатов позволяла решить часть проблем виртуальной Вселенной, но правда состояла в том, что простая модель Пиблса оказалась не совсем рабочей.

Впрочем, большинство астрономов и физиков приняло модель CDM, невзирая на несовпадения с результатами наблюдений. Концептуально она была простой и хорошо вписывалась в идею инфляции и свидетельства присутствия в галактиках темной материи. Сторонники модели искали способы ее доработки и устранения недостатков. Один из способов требовал восстановления космологической константы Эйнштейна. Многим это казалось немыслимым.

С 1917 года, когда Эйнштейн впервые ввел космологическую константу, доводы против нее усилились. После открытия расширяющейся Вселенной Эйнштейн быстро отказался от этого дополнительного параметра, но некоторые его коллеги продолжали за него цепляться. В свои модели Вселенной эту константу включили и Эддингтон, и аббат Леметр. Леметр даже предположил, что это не что иное, как плотность энергии вакуума. В 1967 году Зельдович показал, какой серьезной проблемой может стать космологическая константа. Он сложил энергию всех виртуальных частиц, которые могли существовать во Вселенной, и обнаружил, что итоговая плотность энергии выглядит как космологическая константа, но имеет гигантскую величину. Строго говоря, она стремится к бесконечности по тем же самым причинам, по которым бесконечным является все, что имеет отношение к квантовой гравитации, хотя путем небольших манипуляций значения можно сделать конечными. Но даже в этом случае получается огромное число, на порядки превосходящее любую энергию, когда-либо измерявшуюся в космосе.

Расчеты Зельдовича показали, что если бы существовала энергия вакуума — а значит, и космологическая константа, — она была бы слишком большой, чтобы совпасть с результатами наблюдений. Единственным вариантом сохранения этой константы оставалось предположение о существовании некоего еще не открытого физического механизма, обеспечивающего ее равенство нулю. Практикующие космологи предпочитали игнорировать космологическую константу, делая вид, что ее никогда не существовало.

Тем не менее при любой попытке разобраться с проблемами, присущими модели CDM, в качестве одного из возможных решений появлялась эта постоянная, иногда называемая лямбда-членом. В 1984 году Пиблс сам обнаружил, что для жизнеспособности модели с холодной темной материей лямбда-член должен составить около 80% от общей энергии Вселенной. Когда «банда четырех» — Дэвис, Эфстатиу, Фрэнк и Уайт — ввела в одну из своих моделей лямбда-член, разрешились многие проблемы, сопровождавшие простой сценарий холодной темной материи.

В 1990 году Джордж Эфстатиу, уже работающий в Оксфорде, опубликовал в журнале Nature статью «Космологическая константа и холодная темная материя». В ней крупномасштабная структура содержащей константу компьютерной модели сравнивалась с реальной Вселенной. На этот раз Эф-статиу использовал каталог с миллионом галактик, который они с коллегами составляли несколько лет. В начале статьи была оговорка: «Мы предполагаем, что в пространственно плоской космологии, в которой 80% критической плотности обеспечивается положительной космологической константой, можно сохранить плюсы теории CDM и ее согласованность с результатами наблюдений». Далее было показано, что такая Вселенная совпадает со всеми имеющимися эмпирическими данными. Одни из отцов-основателей инфляционной модели, Джерри Острайкер и Пол Стейнхардт, в 1995 году опубликовали в журнале Nature статью, в которой утверждали, что «существуют свидетельства в пользу Вселенной с критической плотностью энергии и большой космологической постоянной». Казалось, все указывало на лямбда-член.

Впрочем, все намеки на лямбда-член в крупномасштабной структуре Вселенной предпочитали не замечать. В 1984 году Джим Пиблс писал: «Проблема была в том, что эта версия не выглядела правдоподобной». Как отметил в заключении своей статьи Эфстатиу: «Отличная от нуля космологическая константа оказывала бы глубокое влияние на фундаментальную физику». В другой статье Джордж Блюменталь, Авишай Декель и Джоэль Примак из Калифорнийского университета утверждали, что наличие космологической константы «требует невероятной корректировки параметров теории». И в самом деле, как писали Джерри Острайкер и Пол Стейнхардт, данные наблюдений поставили перед учеными нереально сложную задачу: «Как с теоретической точки зрения объяснить отличие космологической постоянной от нуля?». Дальше замалчивать этот некрасивый маленький секрет было невозможно.

В 1996 году на конференции в Принстоне Майкл Тернер из Чикагского университета, дискутируя с Ричардом Готтом и Дэвидом Шпергелем в защиту космологической константы, столкнулся со шквалом критики. Наблюдения говорили в его пользу, но коллеги-космологи все еще воспринимали эту постоянную с неприязнью. Она считалась концептуально невозможной и эстетически непривлекательной. Наверное, даже если бы вместо введения константы он указал на божественное вмешательство, противодействие было бы не столь интенсивным. В конце дискуссии победителем была признана стандартная модель CDM, не содержащая космологической константы. Джим Пиблс зачарованно наблюдал за этим спектаклем.

К 1996 году космология претерпела преобразования, превзошедшие самые смелые ожидания Пиблса. Вместе с Яковом Зельдовичем, Джо Силком и несколькими другими учеными он был одиноким пионером, работавшим над теорией крупномасштабной структуры. Он, по сути, разработал приемы, использовавшиеся не только для теоретизирования, но и для анализа наблюдений. Теперь новое поколение теоретиков с пугающим неистовством продвигало вперед его идеи, пока астрономы занимались составлением все более точных карт Вселенной.

В новых реалиях Пиблс обнаружил, что оказался в странном положении еретика в области, к созданию которой он приложил руку. Он не одобрял горячность, с которой его коллеги признавали модель CDM, и постоянно выдвигал конкурирующие концепции. Но как говорил его учитель Боб Дикке, главным козырем являются хорошие данные. Однако как сторонников модели CDM, так и Пиблса ждала неожиданность.

В 1992 году Джордж Смут, один из руководителей программы Cosmic Background Explorer (СОВЕ) заявил: «Быть религиозным все равно что смотреть на Бога». Проект СОВЕ представлял собой спутник, предназначенный для регистрации с невиданной доселе точностью реликтового излучения, оставшегося от Большого взрыва, и фиксации изменений его яркости при наблюдении с различных точек. В своем высказывании Смут имел в виду неуловимую рябь в реликтовом излучении, небольшие нарушения структуры, о которых в течение двадцати пяти лет говорили Пиблс, Силк, Новиков и Сюняев. Ее поиск был долгим и почти бестолковым. Неоднородности долгое время оставались невидимыми, заставляя теоретиков перерабатывать прогнозы, корректируя ожидания. Но в 1992 году спутник СОВЕ при помощи набора детекторов, в основу которых легли идеи Боба Дикке, создал карту реликтового излучения, вызвав всеобщий вздох облегчения. За свою работу над проектом СОВЕ Смут получил Нобелевскую премию.

Открытие СОВЕ было только началом. Снятая им картина неоднородностей реликтового излучения оказалась размытой. Следовало получить резкое изображение ряби, потому что, как показали Пиблс, Новиков и Зельдович, излучение должно было представлять собой богатую палитру горячих и холодных областей, позволяющих понять геометрию пространства. В случае геометрии Евклида размеры областей должны были образовывать на небе угол примерно в 1 градус. А согласно общей теории относительности, измерение геометрии пространства равносильно измерению энергии во всей Вселенной. Требовались более точные эксперименты. Десятки групп по всему миру занялись разработкой инструментов, способных с большей точностью и фокусировкой измерить реликтовое излучение. Это напоминало толпу неустрашимых исследователей, рвущихся составить карты только что открытого континента. Когда, наконец, на рубеже нового тысячелетия удалось сложить полную картину, группа экспериментаторов объявила, что угловой размер горячих и холодных областей действительно составляет примерно 1 градус, а значит, геометрия пространства является плоской. Именно этот результат предсказывался инфляционной моделью и свидетельствовал в пользу крупномасштабной структуры Вселенной из модели CDM, а также в пользу космологической константы.

Последний фрагмент данных, окончательно нарушивших баланс в пользу космологической константы, был получен не благодаря любовно выстраиваемой Пиблсом теории крупномасштабной структуры, а в результате взрыва сверхновой в далекой Вселенной. Первый намек был брошен в январе 1998 года на ежегодной встрече Американского астрономического общества, когда группа астрономов и физиков с Западного побережья, известная как проект SCP (Supernova Cosmology Project), заявила, что гравитационного притяжения темной материи и атомов недостаточно, чтобы сдержать и замедлить расширение Вселенной. Фактически в рамках проекта SCP было обнаружено, что расширение Вселенной, возможно, ускоряется. Это означало одно из двух. Либо Вселенная была более пустой, чем казалось раньше, либо раздвигающая пространство космологическая константа все же существует.

Проект SCP в некоторой степени повторял действия Хаббла и Хьюмасона в 1920-х: в его рамках измерялось расстояние до удаленных объектов и их красное смещение. Но теперь наблюдатели искали не галактики, а отдельные сверхновые — звезды, взрыв которых сопровождался вспышкой света, яркостью сравнимой с целой галактикой, сжатой в точку. Это позволяло заглянуть на расстояния, которые и не снились Хабблу и Хьюмасону. Хотя по форме работа в рамках проекта SCP повторяла действия Хаббла и Хьюмасона, она больше не была уделом двух одиночек. Все операции выполнялись большими группами, находящимися на трех континентах и использующими как обычные телескопы, так и космический телескоп «Хаббл». Методы измерений усложнялись и совершенствовались в течение более чем десяти лет.

Проект High-Z Supernova Search был копией проекта SCP и дал аналогичные результаты: экспериментальное доказательство ускоряющегося расширения Вселенной, а следовательно, существования космологической константы.

Ни одна из команд не могла заставить себя объявить о своих достижениях. В январе 2008 года на собрании Американского астрономического общества в Вашингтоне презентации были крайне осторожными, практически вымученными. Истинный смысл результатов закулисно обсуждался в коридорах, но все-таки попал в газеты. На следующий день после докладов занимающихся сверхновыми групп рецензия в Washington Post гласила: «Кажется, эти открытия вдохнут новую жизнь в теорию, в которой присутствует так называемая космологическая константа». Несколько недель спустя журнал Science пошел еще дальше, опубликовав статью с заголовком «Взрывающиеся звезды указывают на вселенскую отталкивающую силу». В самой статье лидер проекта SCP Сол Перлмуттер отказался делать столь глобальные выводы, прокомментировав ситуацию просто: «Требуются дополнительные исследования».

Всего месяц спустя группа High-Z открыла карты, и тайное наконец стало явным: в полученных данных присутствует лямбда-член. Во Вселенной имеет место недостаток атомов и темной материи, Вселенная заполнена чем-то другим, заставляющим ее ускоряться. Членов группы High-Z по всему миру приглашали на телевидение, чтобы они объяснили широкой публике свои странные непостижимые результаты. Телеканал CNN анонсировал, что ученые «ошеломлены возможным ускорением Вселенной», руководитель группы High-Z Брайан Шмидт, согласно New York Times, сказал следующие слова: «Я испытал нечто среднее между изумлением и ужасом. Изумление, потому что я не ожидал подобных результатов, и ужас оттого, что большинство астрономов, скорее всего, в них не поверит. Они, как и я сам, крайне скептически настроены по отношению к неожиданностям». Группа SCP быстро поступила аналогичным образом со своими результатами, официально признав наличие лямбда-члена. За свое открытие руководители обеих групп Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисе в 2011 году получили Нобелевскую премию.

Неопределенность по поводу компонентного состава Вселенной, ее возраста, геометрии и основных составляющих существовала годы и даже десятилетия. Выдвигались различные предположения, каждое со своими плюсами и минусами, и космология как наука превратилась в вопрос эстетических предпочтений с приверженцами, выбирающими теории по личному вкусу. А в результате победила самая неприятная из всех теорий. За несколько месяцев новая модель, известная как согласованная модель, или модель «Лямбда-CDM», укрепила свои позиции. Это был коктейль из атомов, холодной темной материи и космологической константы. Это была Вселенная, на которую в течение десяти лет указывала крупномасштабная структура, но которую практически никто не был готов принять. Даже Пиблс с его нежеланием следовать за толпой был поражен тем, как сложились кусочки мозаики. И все это случилось благодаря результатам наблюдений, в точности согласно словам его учителя. Пиблсу пришлось признать: «Лучшим объяснением того, что показывают нам экспериментальные данные, является космологическая константа или что-то на нее очень похожее».

В 2000 году, прекратив преподавать в Принстоне, Джим Пиблс начал много ходить пешком и фотографировать природу. Он получал удовольствие от красоты, а порой и необычности попадавшихся ему птиц, ведь теперь у него было на это время. Отвлекшись от узоров, вычерчиваемых на небе галактиками, и способов их вращения, он пропадал в окружающей красоте рощ и лесов. Именно наблюдательность и внимание к деталям позволили ему поучаствовать в превращении космологии в точную науку. Еще один аспект общей теории относительности был доработан и получил собственную жизнь. Тихие и настойчивые попытки Пиблса, его «писанина», как он любил выражаться, перенесли проблему изучения крупномасштабной структуры Вселенной в центр физики и астрофизики. Индивидуалист по своей природе, он инициировал движение к странной модели Вселенной, которая стала общепринятой: Вселенной, в которой 96% энергии находится в некоем темном состоянии, эдакой комбинации темной материи и космологической константы. Если вспомнить, с чего он начинал почти пятьдесят лет назад, это был сюрреалистический поворот событий.

Сейчас космологическая константа общепринята. Фундаментальная проблема никуда не делась: гигантское несоответствие предсказания, сделанного Зельдовичем путем сложения энергии всех виртуальных частиц во Вселенной, и реально наблюдаемого значения. Несоответствие составляет более ста порядков. Однако если в прошлом оно мешало космологам даже думать о возможности введения космологической константы, то теперь они ее признали. Она неизбежно присутствовала в данных. В своем учебнике релятивистской астрофизики, написанном в 1967 году, Яков Зельдович и Игорь Новиков писали: «Согласно легенде, после того как джинна выпустили из бутылки, загнать его обратно можно только с большим трудом». В этой аналогии есть истина. Теперь, после общего сдвига в сторону согласованной модели, настала пора всерьез взяться за космологическую константу.

А может быть, и нет. Следующее усилие в попытке снова избавиться от космологической константы породило новый тип сущности, раздвигающей пространство. Это экзотическое новое поле, частица или вещество вело себя очень похоже на космологическую константу, но скоро все начали называть его «темной энергией». Были и до сих пор есть большие надежды на темную энергию и ее возможное применение для связывания успехов наблюдательной космологии с творческим подходом физики частиц и квантовой теории. Молодые и старые космологи в массовом порядке занялись этой темой; на одной конференции докладчик продемонстрировал слайды с более чем ста различными моделями темной энергии — свидетельство творческих способностей нового поколения космологов. Тем не менее даже введение темной энергии не решает поднятую Зельдовичем проблему — слишком большую, чтобы быть приемлемой, энергию вакуума. Здесь снова возобладало стремление сделать вид, что никакого расхождения не существует. Решение этой проблемы могло бы стать причиной революции в квантовой теории гравитации.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.



Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Похожие главы из других книг:

Глава 6. РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ

Из книги автора

Глава 6. РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ Надо быть благодарными, когда есть за что. Благодаря популярным статьям в «Нью-Йорк тайме» и передачам на канале «Дискавери», а также множеству научно-популярных книг по данному вопросу[90], в общественное сознание удалось внедрить


I. Что такое темная материя?

Из книги автора

I. Что такое темная материя? Представляется, что наша Вселенная куда страннее, чем нужно. Например, мы обнаружили, что в ней царит загадочная темная энергия, а большинство остальной массы не имеет к нам никакого отношения, потому что состоит из некоей темной материи,


ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ

Из книги автора

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ Не исключено, что помимо вопросов физики элементарных частиц БАК поможет осветить природу темной материи (известной также как скрытая масса) Вселенной — вещества, которое оказывает гравитационное воздействие, но не излучает и не поглощает свет. Все, что


ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Из книги автора

ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ Но обычного вещества и темного вещества, даже вместе взятых, недостаточно, чтобы объяснить суммарную энергию Вселенной. Все вещество — и темное, и обычное — составляет здесь всего лишь около 27%. Субстанция, представляющая оставшиеся 73% энергии и еще более


ГЛАВА 19. ВСЕЛЕННАЯ НАИЗНАНКУ

Из книги автора

ГЛАВА 19. ВСЕЛЕННАЯ НАИЗНАНКУ Когда?то давно, когда я училась в начальной школе, однажды утром я прочла ошеломляющую новость о том, что Вселенная внезапно состарилась вдвое. Меня это поразило до глубины души. Как может такой важный фактор, как возраст Вселенной, меняться


1. Самая темная ночь

Из книги автора

1. Самая темная ночь Мы с Джонатаном редко оставались наедине надолго. Перед Стивеном и детьми мы старались следовать определенным правилам: вели себя как хорошие друзья, порой с трудом подавляя проявления близости, которые могли бы ранить чьи-то чувства. Каждый вечер я


Глава 5 Пульсирующая вселенная

Из книги автора

Глава 5 Пульсирующая вселенная Первый вечер своего пребывания в гостинице «На берегу Канала» [4] мистер Томпкинс завершил ужином в ресторане, разумеется, в обществе старого профессора и его очаровательной дочери. Ужин удался на славу. Профессор без умолку


Глава 6. Астрономия. Почему Вселенная расширяется со все большейскоростью?

Из книги автора

Глава 6. Астрономия. Почему Вселенная расширяется со все большейскоростью? Разведка — вот что вам предстоит! Не нанесение на карту звезд и изучение туманностей, а вычерчивание неведомые возможностей бытия. Слова Кью, обращенные к капитану Пикару («Звездным путь:


103. Что такое темная материя?

Из книги автора

103. Что такое темная материя? Никто не знает. В отличие от обычной материи (атомов) она не выделяет света или дает слишком мало света для того, чтобы быть обнаруженной с помощью наших лучших современных инструментов.Она перевешивает видимую материю Вселенной — звезд и


104. Что такое темная энергия?

Из книги автора

104. Что такое темная энергия? Она «невидима»[30]. Заполняет все пространство. И характеризуется отталкивающей гравитацией, которая ускоряет расширение Вселенной.Темная энергия обнаружена в 1998 двумя группами — одна во главе с американцем Саулом Перлмуттером и другая —


Первая глава Вселенная где-то рядом

Из книги автора

Первая глава Вселенная где-то рядом Изобретение телескопа и последующее его усовершенствование на протяжении многих лет помогло подтвердить факт, ставший сегодня азбучной истиной: есть многое во Вселенной, что недоступно нашим наблюдениям. Действительно, согласно


Глава 6 Расширяющаяся Вселенная

Из книги автора

Глава 6 Расширяющаяся Вселенная Если Вселенная расширяется, то куда она расширяется? Надо быть благодарными, когда есть за что. Благодаря популярным статьям в «Нью-Йорк таймс» и передачам на канале «Дискавери», а также множеству научно-популярных книг по данному


I. Что такое темная материя?

Из книги автора

I. Что такое темная материя? Представляется, что наша Вселенная куда страннее, чем нужно. Например, мы обнаружили, что в ней царит загадочная темная энергия, а большинство остальной массы не имеет к нам никакого отношения, потому что состоит из некоей темной материи,