ГЛАВА 20. ЧТО ВЕЛИКО ДЛЯ ТЕБЯ, МАЛО ДЛЯ МЕНЯ

Когда я работала в Массачусетском технологическом институте, наша кафедра испытывала трудности: офисных помещений на третьем этаже, где работали специалисты по физике элементарных частиц, перестало хватать. Поэтому я переехала в свободный кабинет рядом с кабинетом Алана Гута, этажом ниже, где тогда размещались теоретики – астрономы и космологи. Сам Алан начинал как специалист по физике элементарных частиц, но сегодня он известен как один из лучших космологов нашего времени. Я к моменту переезда успела уже познакомиться с некоторыми связями между физикой элементарных частиц и космологией. Но проводить такие исследования намного проще, если сосед разделяет твои интересы и столь же рассеян – так, что в его кабинете ты чувствуешь себя как дома.

Многие специалисты по физике элементарных частиц освоили другие, самые разные области научных исследований. Уолли Гилберт, один из основателей биотехнологической компании Biogen, начинал в физике элементарных частиц, но оставил эту область ради исследований в биологии и химии, достойных Нобелевской премии. Его примеру последовали многие. С другой стороны, многие из тех, кто учился вместе со мной, оставили науку и стали «квантами» Уолл–стрит, где можно играть на будущих измерениях на рынке. Они выбрали прекрасное время для такого перехода, поскольку тогда как раз разрабатывались финансовые инструменты хеджирования подобных рисков. Если в биологии пригодились способы организации мышления и решения задач, то в мире финансов небесполезными оказались некоторые методы и уравнения.

Но физика элементарных частиц и космология, разумеется, пересекаются гораздо глубже, чем любые другие науки. Подробное исследование Вселенной на различных масштабах вскрыло множество неразрывных связей между элементарными частицами на самых маленьких масштабах и самой Вселенной на самом большом. В конце концов, Вселенная по определению уникальна и охватывает все сущее. Специалисты по физике элементарных частиц смотрят вглубь и задаются вопросом о том, какой тип фундаментальной материи лежит в основе всякой материи, а космологи смотрят в небо и пытаются понять, как возникло и развивалось все то, что там есть. Загадки Вселенной – то самое, из чего она в основном и состоит – одинаково интересуют и космологов, и специалистов по физике элементарных частиц.

В той и другой области исследований изучаются базовые структуры и используются фундаментальные физические законы. Ученым необходимо принимать во внимание результаты друг друга. Состав Вселенной, изучаемый в физике элементарных частиц, является важным предметом исследования и для космологов. Более того, законы природы, включающие в себя и общую теорию относительности, и физику элементарных частиц, описывают эволюцию Вселенной, как, собственно, и должно быть, если обе теории верны и применимы к одному и тому же космосу. В то же время известные черты эволюции Вселенной накладывают определенные ограничения на свойства, которые может иметь материя, не вступая при этом в противоречие с данными наблюдений. В определенном смысле Вселенную можно назвать первым и самым мощным в истории ускорителем частиц. Энергии и температуры на ранних стадиях ее эволюции были чрезвычайно высоки, и те высокие энергии, которые мы сегодня стремимся получить в ускорителях, призваны воспроизвести именно эти условия, но в земных лабораториях.

Возросшее в последнее время внимание к этому пересечению интересов уже вызвало к жизни множество плодотворных исследований и серьезных открытий; можно надеяться, что процесс конвергенции будет продолжаться. В этой главе рассматриваются некоторые крупные вопросы космологии, которые сейчас исследуют и сами космологи, и специалисты по физике элементарных частиц. Мы рассмотрим такие явления, как космическая инфляция, скрытая масса (темная материя) и темная энергия.

КОСМИЧЕСКАЯ ИНФЛЯЦИЯ

Мы не можем пока сказать, что происходило в самом начале эволюции Вселенной, потому что у нас нет непротиворечивой теории, которая включала бы в себя и квантовую механику, и гравитацию. Тем не менее мы можем утверждать с определенной долей уверенности, что в некоторый момент в самом начале (возможно, всего лишь через 10~³⁹ сек после рождения Вселенной) произошло явление, известное как космическая инфляция.

В 1980 г. Алан Гут первым предложил эту модель, согласно которой в самом начале развития Вселенная взорвалась. Интересно, что первоначально он пытался решить для физики элементарных частиц проблему, связанную с космологическими последствиями теорий Великого объединения[57]. Он в то время занимался частицами, поэтому использовал методы, основанные на теории поля–теории, которая совмещает в себе специальную теорию относительности и квантовую механику. Однако дело кончилось тем, что он выдвинул совершенно новую теорию, которая резко изменила наш подход к космологии. Как и когда произошла инфляция, ученые спорят до сих пор. Но Вселенная, претерпевшая такое взрывное расширение, должна была оставить тому четкие свидетельства, и значительная часть этих свидетельств уже обнаружена.

В стандартном сценарии Большого взрыва Вселенная после рождения росла спокойно и равномерно: к примеру, с увеличением времени жизни вчетверо она должна была удвоиться в размерах. Но в инфляционную эпоху молодая Вселенная пережила период невероятно стремительного расширения и росла экспоненциально. Это значит, что за фиксированное время размер Вселенной удвоился, затем снова удвоился за то же время – и так не менее 90 раз подряд, пока инфляционная эпоха не закончилась и Вселенная не стала такой однородной, какой мы видим ее сегодня. Такое экспоненциальное расширение означает, к примеру, что за то время, пока возраст Вселенной увеличился в 60 раз, ее размеры выросли более чем в триллион триллионов триллионов (10³⁶) раз; без инфляции же они выросли бы за то же самое время всего лишь в восемь раз. В определенном смысле инфляция стала началом развития от малого к большому. Первоначальное громадное инфляционное расширение должно было «развести» субстанцию из вещества и излучения Вселенной до практически нулевой концентрации. Поэтому все, что мы сегодня наблюдаем во Вселенной, должно было возникнуть сразу после инфляции, когда энергия, питавшая инфляционный взрыв, превратилась в вещество и излучение. Лишь в этот момент времени начался Большой взрыв в его традиционном понимании – и Вселенная начала дальнейшее неспешное расширение в ту громадную структуру, которую мы видим сегодня.

Можно говорить об инфляционном расширении как о «взрыве–предвестнике» того дальнейшего развития Вселенной, которое шло по стандартному сценарию Большого взрыва. На самом деле это не начало – мы не знаем, что происходило, когда основную роль играла квантовая гравитация, – но это тот момент эволюции Вселенной, вслед за которым началась стадия Большого взрыва с охлаждением материи, а затем и формированием из нее крупных космических объектов.

Отчасти именно инфляции мы обязаны тем, что во Вселенной существуют самые разные объекты, а не сплошное «ничто». Часть энергии громадной плотности, накопленной во время инфляционного расширения, превратилась (согласно формуле Е = mc ² ) в вещество, из которого, собственно, и сформировалось все, что мы сегодня видим вокруг. Физики хотели бы все же узнать, почему во Вселенной больше вещества, чем антивещества. Но каков бы ни был ответ на этот вопрос, нынешнее вещество согласно теории Большого взрыва начало эволюционировать фазу же после окончания космической инфляции.

Инфляционная модель решала важные проблемы традиционной теории Большого взрыва, но мало кто из ученых поверил в предложенные сценарии возникновения инфляции. Поскольку создать достоверную модель было чрезвычайно трудно, многие физики (включая и тех, кто работал в то время в Гарварде, где я училась) сомневались в том, что эта странная идея может оказаться верной. С другой стороны, Андрей Линде, физик русского происхождения из Стэнфордского университета и один из первых, кто начал работы по инфляции, считал, что эта гипотеза должна быть верна просто потому, что никто не нашел никакого иного решения загадок, связанных с размером, формой и однородностью Вселенной, – загадок, на которые с легкостью отвечала инфляционная теория.

Инфляция, кстати говоря, может служить интересным примером связи между истиной и красотой – или отсутствия такой связи. С одной стороны, экспоненциальное расширение Вселенной красиво и легко объясняет многие явления, связанные с начальным этапом ее существования, а с другой – поиски теории, которая естественным образом объясняла бы экспоненциальное начальное расширение, приводит, как правило, к созданию не слишком красивых моделей.

В последнее время, однако, большинство физиков склоняется к тому, чтобы принять инфляционную модель, хотя обоснования ее корректности по–прежнему многих не устраивают. Наблюдения последних нескольких лет подтвердили космологическую картину Большого взрыва, предваряемого инфляцией. Сегодня многие физики уверены, что и развитие по схеме Большого взрыва, и инфляция имели место, поскольку предсказания, сделанные на основе этих теорий, оправдываются с впечатляющей точностью. Вопрос о том, какая модель лежит в основе инфляции, по–прежнему остается открытым, но сама по себе экспоненциальная инфляция в настоящее время подтверждается достаточным количеством свидетельств.

Одно из свидетельств в пользу космологической инфляции должно иметь отношение к отклонениям от равномерного распределения реликтового излучения по небесной сфере, о котором упоминалось в предыдущей главе. Фоновое излучение сообщает нам далеко не только о том, что Большой взрыв на самом деле имел место. Прелесть ситуации в том, что, поскольку это излучение, по существу, представляет собой мгновенный снимок состояния Вселенной на раннем этапе развития – до того, как успели сформироваться звезды, – оно позволяет нам заглянуть в прошлое и увидеть начало структурирования в тот момент, когда Вселенная еще была однородной. Измерения реликтового излучения позволили выявить крохотные отклонения от идеальной равномерности. Инфляционная модель предсказывает такие неоднородности, поскольку из‑за квантово–механических флуктуаций инфляция в разных областях Вселенной прекратилась в разное время, отчего и возникли крохотные отклонения от идеальной однородности.

Спутник под названием WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), названный в честь одного из инициаторов проекта принстонского физика Дэвида Уилкинсона и нацеленный на поиск анизотропии микроволнового фона, провел точные измерения, позволившие отличить инфляционные предсказания от прочих возможных вариантов. Несмотря на то что инфляция протекала давным–давно и к тому же при невероятно высоких температурах, инфляционная теория точно предсказывает статистические закономерности распределения температурных вариаций, которые должны проявляться в реликтовом излучении сегодня. Эта обсерватория измерила небольшие неоднородности температуры и плотности энергии с большей точностью и более высоким угловым разрешением, чем прежде, и распределение этих параметров вполне совпало с инфляционными ожиданиями.

Главным подтверждением инфляционной теории, полученным от WMAP, стало измерение кривизны Вселенной, а точнее – ее удивительной прямизны. Эйнштейн учил, что наше пространство может быть искривлено (на рис. 73 можно увидеть примеры искривленных двумерных поверхностей). Степень кривизны зависит от плотности энергии во Вселенной. В те времена, когда была впервые предложена инфляционная теория, было уже известно, что Вселенная на самом деле искривлена намного меньше, чем можно было ожидать, но измерения в то время были недостаточно точными и проверить инфляционное предсказание (инфляционная теория утверждает: Вселенная расширилась настолько, что любое искривление растянулось практически в нуль) было невозможно. На сегодняшний день измерения реликтового излучения показали, что Вселенная на самом деле плоская с точностью до одного процента, – и понять это без дополнительных физических объяснений очень трудно.

Отсутствие у Вселенной заметной кривизны стало громадной победой инфляционной космологии. Если бы дело обстояло иначе, инфляционную теорию можно было бы исключить. Данные WMAP стали и большой научной победой. Когда теоретики впервые предложили точно измерить микроволновой фон и поближе познакомиться, таким образом, с геометрией Вселенной, все сочли, что это, конечно, очень интересно и заинтересует научное сообщество, но слишком сложно технически, чтобы проект можно было осуществить в обозримом будущем. Однако вопреки ожиданиям не прошло и десяти лет, как космологи провели необходимые измерения и снабдили научный мир ценнейшими данными. Мы узнали об эволюции Вселенной множество поразительных фактов. WMAP и сегодня продолжает давать новые результаты, проводя на небесной сфере детальные измерения тончайших температурных вариаций. Спутник Planck, действующий сегодня, измеряет эти флуктуации еще точнее[58]. Исследования реликтового излучения оказались бесценным и главным источником сведений об истории ранней Вселенной и, скорее всего, еще долго будут им оставаться.

Недавние подробные исследования космического излучения, пронизывающего пространство с древнейших времен, позволили добиться громадных успехов и в других областях наших знаний о Вселенной и ее эволюции. Данные об излучении сообщили нам много нового о веществе и энергии вокруг нас. Мало того, что мы узнали, в каком состоянии была Вселенная, когда это излучение только начинало свой путь к нам; реликтовое излучение рассказало нам и о том, что встречало в пути. Если бы Вселенная изменилась за последние 13,75 млрд лет или если бы ее энергия отличалась от ожидаемой, то, как учит нас теория относительности, маршрут световых лучей тоже изменился бы, а следовательно, изменились бы и свойства излучения, которое мы сегодня регистрируем. Микроволновое фоновое излучение–чувствительнейший индикатор сегодняшнего энергетического состава Вселенной – обеспечивает нас информацией о том, что в этой Вселенной есть, в том числе о скрытой массе и темной энергии, о которых мы сейчас и поговорим.

СЕРДЦЕ ТЬМЫ

Помимо успешного подтверждения инфляционной теории исследование космического реликтового излучения породило несколько новых серьезных загадок, над которыми уже работают космологи, астрономы и специалисты по физике элементарных частиц. Инфляционная теория говорит нам, что Вселенная должна быть плоской, но не говорит, где скрывается в настоящее время энергия, необходимая для обеспечения ее плоского состояния. Однако при помощи уравнений Эйнштейна мы можем вычислить, какая энергия нужна для того, чтобы Вселенная сегодня была плоской. Оказывается, все известное видимое вещество обеспечивает лишь 4% необходимой энергии.

Дополнительной загадкой, требующей объяснения, стало то, что флуктуации температуры и плотности, первоначально измеренные СОВЕ, оказались такими крошечными. Если бы во Вселенной существовало только видимое вещество, а возмущения были такими крохотными, Вселенная просто не просуществовала бы так долго, чтобы возмущения успели настолько увеличиться и стать базой для формирования ее структуры. Но существование галактик и скоплений галактик вкупе с минимальными масштабами измеренных флуктуаций указывает на существование вещества, непосредственно увидеть которое никому пока не удалось.

На самом деле уже давно, задолго до проведенных СОВЕ измерений реликтового излучения, ученые знали, что должен существовать еще один тип материи, известный как темная материя (или скрытая масса). Другие наблюдения и раньше указывали на существование некоего невидимого вещества. Эта загадочная штука, получившая название скрытой массы, подвержена действию гравитационных сил, но не взаимодействует со светом. Поскольку это вещество не излучает и не поглощает свет, оно невидимое, а вовсе не темное. До сих пор о скрытой массе нам не известно практически ничего – только то, что она гравитирует и слабо взаимодействует с другими элементами и структурами.

Более того, гравитационное влияние и измерения указывают на присутствие еще одной сущности, даже более загадочной, чем скрытая масса; эта сущность получила название темной энергии. Она пронизывает Вселенную, но не «слипается», как обычное вещество, и не «растекается» по мере расширения. Она очень похожа на ту энергию, которая в свое время стала причиной инфляции, но ее плотность сегодня намного меньше, чем была тогда.

Можно сказать, что в космологии сейчас наступила эпоха Возрождения: теории и наблюдения достигли такой стадии, когда можно проверять истинность новых гипотез. С другой стороны, мы по–прежнему живем в Темные века. Как показано на диаграмме (см. рис. 74), около 23% энергии Вселенной заключено в темной материи, а еще примерно 73% приходится на таинственную темную энергию.

В последний раз некая сущность в физике получила название «темной» в середине XIX в., когда Урбен Жан Жозеф Леверье из Франции предположил существование невидимой темной планеты, которую назвал Вулканом. Целью его было объяснить странную траекторию движения планеты Меркурий. До этого Леверье, изучив одновременно с англичанином Джоном Адамсом возмущения орбиты Урана, сделал вывод о существовании планеты Нептун, который полностью оправдался. А вот с Меркурием он ошибся. Оказалось, что странности его орбиты объясняются гораздо более сложно, чем просто существованием еще одной планеты, и объяснить их смогла только теория относительности Эйнштейна. Собственно, первым свидетельством в пользу общей теории относительности и стало успешное предсказание с ее помощью поведения орбиты Меркурия.

Может оказаться, что скрытая масса и темная энергия представляют собой следствия известных физических законов и теорий, а может быть, эти недостающие элементы Вселенной тоже являются предвестниками не менее серьезной смены парадигмы. Только время может сказать, каким образом разрешатся проблемы скрытой массы и темной энергии.

Я бы предположила, что скрытая масса, скорее всего, получит более традиционное объяснение, укладывающееся в рамки уже известных нам на сегодняшний день физических законов. В конце концов, даже если новое вещество ведет себя в соответствии с законами взаимодействий, похожими на те, что мы знаем, то почему все вещество во Вселенной обязано вести себя, как знакомое нам вещество? Или, более конкретно, почему всякое вещество обязано взаимодействовать со светом?

Многие думают по–другому. Они считают существование скрытой массы полной загадкой и задаются вопросом: как может быть, что большая часть вещества Вселенной – примерно в шесть раз больше того, что мы видим – представляет собой нечто, что невозможно зарегистрировать при помощи традиционных телескопов. Некоторые даже подозревают, что скрытая масса может оказаться какой‑то ошибкой. Лично я думаю наоборот (хотя следует признать, что даже среди физиков далеко не все согласны со мной). Было бы куда большей загадкой, если бы во Вселенной не нашлось другого вещества, помимо того, которое мы можем увидеть глазами. Почему человек должен обладать идеальными чувствами, способными непосредственно воспринимать все на свете? Опять же история развития физики на протяжении столетий учит нас, что от человеческого взгляда скрыто очень многое. С этой точки зрения непонятно, почему то, что мы воспринимаем непосредственно, должно составлять хотя бы одну шестую от энергии всего вещества. Мне это кажется совпадением, и мы с коллегами в настоящее время пытаемся в этом совпадении разобраться.

Нам известно, что должно существовать нечто со свойствами скрытой массы. Видеть это мы не можем, но гравитационное воздействие регистрируем исправно, и многочисленные наблюдательные данные о гравитационных эффектах в космосе говорят о том, что скрытая масса существует.

Первое указание на ее существование было получено при измерении скорости вращения звезд в скоплениях галактик. В 1933 г. Фриц Цвикки заметил, что галактики обращаются вокруг общего центра быстрее, чем следовало бы, исходя из видимой массы[59].

Вскоре после этого Ян Оорт обнаружил аналогичное явление и в Млечном Пути. Цвикки на основании собственных данных сделал вывод о существовании темной материи, которую никто не может непосредственно увидеть. Однако ни одно из этих наблюдений не было абсолютно убедительным. Казалось, что куда проще объяснить данные ошибкой наблюдения или пока неизвестной особенностью галактической динамики, чем придумывать исключительно для этого какую‑то невидимую субстанцию.

В то время, когда Цвикки проводил свои измерения, у его аппаратуры не хватало разрешения, и он не мог различать отдельные звезды. Гораздо более убедительные доказательства существования скрытой массы были получены Верой Рубин – астроно‑ мом–наблюдателем, которая много позже, в конце 1960–х – начале 1970–х гг. провела детальные количественные измерения движения звезд в далеких галактиках. То, что поначалу казалось «скучным» исследованием – наблюдения за движением звезд в галактиках (Вера обратилась к этой теме только потому, что этим в то время почти никто из астрономов не занимался), – оказалось первым серьезным свидетельством существования во Вселенной скрытой массы. Наблюдения Рубин и Кента Форда дали неопровержимые доказательства того, что Цвикки в давние времена пришел к корректному выводу.

Вам может показаться странным, что человек, посмотрев в телескоп, может увидеть нечто «темное» или «скрытое». Дело в том, что астрономы «видят» не скрытую массу, а ее гравитационное действие на другие объекты. Свойства любой галактики, в частности скорости движения звезд в ней вокруг общего центра, зависят от ее суммарной массы. Если бы во Вселенной не было ничего, кроме видимого вещества, то звезды на дальних пределах галактики и даже далеко за ее пределами должны были бы чувствовать ее гравитационное воздействие в намного меньшей степени. На самом же деле оказалось, что звезды, отстоящие от центра галактики вдесятеро дальше, чем видимый размер светящейся центральной части, обращаются вокруг центра галактики с той же скоростью, что и близкие к центру. А это означает, что плотность массы в галактике практически не уменьшается по мере удаления от центра – по крайней мере до расстояний вдесятеро больших, чем размер светящейся части.

Астрономы делают вывод о том, что галактики состоят преимущественно из невидимой – «темной» – материи. Светящееся вещество, которое мы наблюдаем, составляет немалую их часть, но большая часть галактики невидима, по крайней мере в обычном смысле этого слова.

Сегодня у нас имеется немало и других косвенных доказательств существования скрытой массы. Пожалуй, самые непосредственные из них основаны на явлении линзирования (рис. 75). Линзирование – явление, возникающее при прохождении света мимо массивного объекта. Даже если сам этот объект не излучает света, то гравитационное воздействие он оказывает. Его гравитация может искривить траекторию прохождения света, излученного обычным, нетемным объектом, расположенным позади него (с нашей точки зрения). Поскольку свет искривляется в разные стороны в зависимости от того, с какой стороны от объекта он проходит, и поскольку мы автоматически считаем траекторию света прямолинейной, линзирование может породить на небе множественные изображения одного и того же яркого объекта. Эти множественные изображения, в свою очередь, позволяют нам «увидеть» темный объект или по крайней мере сделать выводы о его существовании и свойствах, вычислив силу тяготения, необходимую для такого изгибания наблюдаемого света.

Возможно, самое сильное доказательство того, что все эти явления объясняются скрытой массой, а не, скажем, модифицированной теорией гравитации, можно видеть в так называемом кластере «Пуля», который представляет собой результат столкновения двух скоплений галактик (рис. 76). По ходу столкновения видно, что скопления содержат звезды, газ и скрытую массу (темная материя). Горячий газ в скоплениях взаимодействует настолько активно, что остатки газа сконцентрировались в центральной зоне столкновения. Темная материя, с другой стороны, не взаимодействует или по крайней мере взаимодействует слабо. Измерения эффектов линзирования показали, что темная материя действительно отделилось от горячего газа в соответствии с моделью, в которой существует слабо взаимодействующая темная материя и активно взаимодействующая обычная материя.

Еще одно свидетельство существования скрытой массы исходит от реликтового излучения, о котором мы уже говорили. В отличие от линзирования, измерения этого излучения ничего не говорят нам о распределении скрытой массы. Зато реликтовое излучение сообщает нам суммарное энергетическое содержание скрытой массы: какую именно часть космического «пирога» она составляет по энергетическому показателю.

Измерения реликтового излучения много сообщают нам о ранней Вселенной и снабжают подробной информацией о ее свойствах. Эти исследования говорят в пользу существования не только скрытой массы, но и темной энергии. Согласно уравнениям общей теории относительности Эйнштейна Вселенная может быть «плоской» только в том случае, если она обладает нужным количеством энергии. Материи, даже с учетом всей скрытой массы, просто не хватит, чтобы объяснить ничтожную степень кривизны, измеренную WMAP и приборами на аэростатах. Должна существовать еще какая‑то энергия. Темная энергия – единственный способ объяснить «плоскую» Вселенную без доступной измерениям кривизны трехмерного пространства и согласовать теорию с имеющимися на сегодняшний день экспериментальными данными.

Темная энергия, на которую приходится основная часть – приблизительно 70% – всей существующей во Вселенной энергии, ставит перед учеными еще больше проблем, чем скрытая масса. Доказательством, убедившим физическое сообщество в существовании такой энергии, стало открытие того факта, что расширение Вселенной в настоящее время ускоряется – примерно так же, как это происходило в начале времен, в инфляционный период, но гораздо медленнее. В конце 1990–х гг. две независимые команды ученых, работавшие на космическом телескопе «Хаббл» над проектами по космологии сверхновых звезд (Supernova Cosmology Project) и по сверхновым звездам с большими красными смещениями (High‑z Supernova Team), удивили ученый мир открытием: скорость расширения Вселенной более не уменьшается, а наоборот, увеличивается.

До измерений сверхновых было получено несколько намеков на существование загадочной недостающей энергии, но доказательства были слишком слабыми. Однако в 1990–е гг. тщательные измерения показали, что отдаленные сверхновые звезды светят более тускло, чем ожидалось. Конкретный тип сверхновых отличается достаточно одинаковой и, главное, предсказуемой интенсивностью излучения, поэтому объяснить необычный фактор можно было только чем‑то новым. И этим новым стало, судя по всему, ускоренное расширение Вселенной, то есть сейчас считается, что Вселенная расширяется со все большей скоростью.

Ускорение, о котором идет речь, не могло возникнуть из‑за обычного вещества, гравитационное притяжение которого, наоборот, должно было бы замедлять расширение Вселенной. Единственным объяснением может быть Вселенная, расширяющаяся инфляционно, но с гораздо меньшей энергией, чем во время уже пережитой когда‑то фазы космологической инфляции. Причиной ускорения может быть только какая‑то сущность, играющая роль введенной Эйнштейном космологической константы, или, как ее назвали теперь, темная энергия.

В отличие от вещества, темная энергия оказывает на окружающее отрицательное давление. Обычное положительное давление побуждает вещество сжиматься, тогда как отрицательное давление вызывает все более быстрое расширение. Самый очевидный кандидат на роль источника отрицательного давления – космологическая постоянная Эйнштейна, представляющая энергию и давление, которые пронизывают Вселенную, но не связаны с веществом. Темная энергия – это более общий термин, которым мы в настоящее время пользуемся; тем самым мы допускаем, что соотношение между энергией и давлением, выраженное космологической константой, является не точным, а лишь приближенным.

Сегодня считается, что темная энергия – основной компонент энергии Вселенной. Это тем более замечательно, что плотность темной энергии, оказывается, чрезвычайно мала. Темная энергия доминирует во Вселенной на протяжении лишь нескольких последних миллиардов лет. До этого в эволюции Вселенной главную роль играли сначала излучение, затем вещество. Но плотность излучения и вещества снижается по мере их распределения по объему все расширяющейся Вселенной. С другой стороны, плотность темной энергии остается постоянной, несмотря на расширение. За то время, пока Вселенная достигла своего нынешнего возраста, плотность энергии в виде излучения и материи уменьшилась настолько, что на передний план вышла темная энергия, которая не «растекается» по растущему объему и не снижает своей плотности. Несмотря на невероятно низкую плотность темной энергии, когда‑нибудь она обязательно должна была перехватить лидерство. И вот после 10 млрд лет все более медленного расширения Вселенная наконец почувствовала влияние темной энергии и начала увеличивать скорость расширения. Со временем во Вселенной не останется ничего, кроме энергии вакуума, а ее расширение достигнет соответствующей скорости (рис. 77). Возможно, эта «кроткая» энергия и не будет определять развитие Земли, но Вселенную она, скорее всего, действительно получит в свое распоряжение.

ДАЛЬНЕЙШИЕ ЗАГАДКИ

Темная энергия и скрытая масса говорят о том, что мы не так уж преуспели в разгадке эволюции Вселенной, несмотря на невероятное совпадение космологической теории и ее прогнозов с экспериментальными данными. Большую часть Вселенной составляет нечто такое, о сущности и составе чего мы не можем ничего сказать. Лет через 20, может быть, наше сегодняшнее невежество будет вызывать лишь улыбку.

И это не единственная загадка, связанная с энергией Вселенной. Величина темной энергии, в частности, на самом деле представляет собой всего лишь «хвост» куда более значительной загадки: почему энергия, которая пронизывает всю Вселенную, так мала? Если бы ее суммарная величина была больше, она гораздо раньше по ходу эволюции Вселенной взяла бы верх над веществом и излучением, и структура Вселенной (и, естественно, жизнь в ней) не успела бы сформироваться. Кроме того, никто не знает, откуда раньше взялась огромная плотность той же энергии, запустившая и питавшая инфляционные процессы. Но самая крупная проблема, связанная с энергией Вселенной, – это проблема космологической постоянной.

Если исходить из квантовой механики, объем темной энергии должен был бы составлять куда большую величину и в инфляционный период, и сегодня. Квантовая механика учит нас, что вакуум – состояние, в котором нет постоянных частиц – на самом деле заполнен эфемерными частицами, которые то возникают, то исчезают вновь. Эти короткоживущие частицы могут обладать любой энергией – иногда настолько большой, что гравитационными эффектами от присутствия такой частицы уже нельзя пренебречь. Высокоэнергетические частицы придают вакууму необычайно большую энергию – намного большую, чем позволяет долгая эволюция Вселенной. Чтобы Вселенная выглядела именно так, как сейчас, объем энергии вакуума должен быть фантастически – на 120 порядков (!) – меньше, чем можно было бы ожидать исходя из законов квантовой механики.

Существует и еще один вопрос, связанный с этой задачей. Случайно ли мы живем именно в такое время, когда плотности энергии, связанной с веществом, скрытой массой и темной энергией, сравнимы между собой? Конечно, сейчас темная энергия преобладает над веществом, но менее чем втрое. Имея в виду, что все три вида энергии имеют принципиально разное происхождение и любой из них мог бы взять верх над остальными, тот факт, что их плотности близки, представляется чрезвычайно загадочным. Странность такого совпадения особенно заметна потому, что так дело обстоит только в наше время (грубо говоря). Ранее во Вселенной темная энергия играла заметно меньшую роль в общем балансе, а материя – большую. Спустя какое‑то время энергия будет играть намного более серьезную роль. Только сегодня все три компонента – обычное вещество, скрытая масса и темная энергия – сравнимы между собой.

Вопросы о том, почему плотность энергии настолько мала и почему разные источники энергии вносят сегодня почти равный вклад в общий баланс, не получили пока никакого ответа. Более того, некоторые физики считают, что настоящего ответа на них не существует. Они уверены, что мы живем во Вселенной с таким маловероятным объемом энергии вакуума просто потому, что любой больший объем не позволил бы во Вселенной сформироваться галактикам и другим структурам, а соответственно, и нам тоже. Нас бы не существовало, и некому было бы задавать вопросы об объеме энергии в какой‑то иной вселенной с иной величиной космологической постоянной. Эти физики считают, что вселенных множество и в каждой из них свой объем темной энергии. Но из всего множества вселенных только в тех, где могли возникнуть структуры, мог зародиться разум. Объем энергии в нашей Вселенной до смешного мал, но мы могли возникнуть и существовать только в таком мире. Это все тот же антропный принцип, который мы обсуждали в главе 18, и я уже тогда сказала, что меня он не убеждает. Тем не менее ни я и никто другой не может предложить лучшего ответа. Объяснение малой плотности темной энергии – возможно, самая главная на сегодняшний день загадка физики элементарных частиц и космологии.

Помимо загадок, связанных с энергией, у нас есть и космологическая загадка, связанная с веществом. Почему во Вселенной вообще имеется материя? Согласно нашим уравнениям вещество и антивещество равноправны. Сталкиваясь друг с другом, они аннигилируют и исчезают. По идее, после остывания Вселенной не должно было остаться ни вещества, ни антивещества.

Если скрытая масса не очень охотно вступает во взаимодействие и потому никуда не исчезает, то обычное вещество достаточно активно участвует в сильном взаимодействии. Без экзотических дополнений к Стандартной модели почти все наше обычное вещество к моменту остывания Вселенной до нынешней температуры должно было бы исчезнуть. Единственная причина, по которой вещество могло сохраниться, – это явное преобладание вещества над антивеществом. Но простейшие версии наших теорий не предусматривают ни преобладания, ни какого бы то ни было преимущества. Необходимо установить причины, по которым протоны, существуя, не могут отыскать вокруг антипротоны, с которыми можно было бы аннигилировать. Где‑то в систему должна быть встроена асимметрия между веществом и антивеществом.

Да, количество оставшегося вещества в несколько раз меньше, чем скрытой массы, но все же именно на видимое вещество приходится заметная доля массы Вселенной, не говоря уже о том, что оно есть источник всего, что мы все знаем и любим. Как и когда возникла асимметрия между веществом и антивеществом – еще один серьезный вопрос, с которым специалистам по физике элементарных частиц и космологам очень хотелось бы разобраться.

Вопрос о том, что представляет собой скрытая масса, тоже, естественно, сохраняет принципиальную важность. Возможно, когда‑нибудь мы обнаружим, что фундаментальная модель связывает плотность скрытой массы с плотностью обычного вещества, на что, вероятно, намекают недавние исследования. Во всяком случае, мы надеемся, что вскоре эксперименты помогут нам больше узнать о скрытой массе. Об этих‑то экспериментах мы сейчас и поговорим.

Поиск по сайту: