Марио Ливио - От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Открытие ускоренного расширения Вселенной [440]сначала стало настоящим потрясением, поскольку предполагало наличие какой-то отталкивающей силы вроде той, на которую указывала космологическая постоянная: эта сила должна была подхлестывать расширение Вселенной. К этому неожиданному выводу астрономы пришли на основании наблюдений очень ярких вспышек звезд – так называемых сверхновых типа Ia . Вспышки эти такие яркие (в период максимальной яркости такая сверхновая излучает больше света, чем вся галактика, в которой она находится), что их можно обнаружить даже на расстоянии в половину наблюдаемой Вселенной и еще некоторое время после вспышки наблюдать эволюцию их яркости. Кроме того, сверхновые типа Ia [441]особенно хорошо подходят для подобного рода исследований благодаря тому, что они представляют собой превосходные стандартные свечи – на пике яркости у всех таких сверхновых примерно одинаковая абсолютная светимость, а небольшие отклонения можно откорректировать эмпирически. Поскольку наблюдаемая яркость источника света обратно пропорциональна квадрату расстояния – объект, расстояние до которого в три раза больше, в девять раз тусклее – то если знать его истинную светимость и измерить наблюдаемую, можно вполне надежно определить расстояние до него.

Сверхновые типа Ia очень редки, в пределах одной галактики они возникают примерно раз в сто лет. А значит, каждой группе пришлось изучить тысячи галактик, чтобы получить выборку из нескольких десятков сверхновых. Астрономы определили расстояние до этих сверхновых и до их галактик и скорость удаления последних. Располагая этими данными, они сравнили свои результаты с предсказаниями линейного «закона Хаббла». Если бы расширение Вселенной замедлялось, как все думали, то оказалось бы, что галактики, находящиеся на расстоянии, скажем, двух миллиардов световых лет, оказались бы ярче , чем ожидалось, поскольку находились бы несколько ближе, чем предсказывает модель равномерного расширения. И тут Рисс, Шмидт, Перлмуттер и их сотрудники обнаружили, что далекие галактики тусклее ожидаемого, а значит, успели отдалиться сильнее. Точный анализ показал, что такие результаты предполагают космологическое ускорение, происходящее, по крайней мере, примерно в течение последних шести миллиардов лет. В 2011 году Перлмуттер, Шмидт и Рисс получили за свое поразительное открытие Нобелевскую премию.

После 1998 года, когда было открыто ускоренное расширение Вселенной, то и дело появлялись новые детали головоломки, и все они свидетельствовали в пользу того, что существует какая-то неизвестная форма равномерно распределенной энергии, которая продуцирует отталкивающую гравитацию, а та заставляет Вселенную ускоряться. Сначала была значительно расширена выборка сверхновых, и теперь она покрывает большой диапазон расстояний, так что на ее основании можно делать значительно более надежные выводы. Рисс и его сотрудники провели дальнейшие наблюдения и показали, что нынешней фазе ускорения продолжительностью в шесть миллиардов лет в эволюции Вселенной предшествовала эпоха замедления. И складывается прелестная, убедительная картина: когда Вселенная была меньше и гораздо плотнее, гравитация одерживала верх и замедляла расширение. Однако вспомним, что космологическая постоянная потому и постоянная, что не уменьшается: плотность энергии вакуума постоянна. А плотности вещества и излучения, с другой стороны, на заре Вселенной были чудовищно велики, а с расширением Вселенной уменьшались. Когда плотность вещества и излучения упала ниже энергии вакуума, началось ускорение – и это произошло примерно шесть миллиардов лет назад.

Самое убедительное доказательство, что Вселенная расширяется с ускорением, дали нам наблюдения реликтового излучения, полученные с космического аппарата « Wilkinson Microwave Anisotropy Probe » [442], в сочетании с данными по сверхновым и с добавлением независимых измерений нынешнего темпа расширения ( постоянной Хаббла ). Сопоставив все ограничения, которые накладывают данные наблюдений, астрономы сумели точно определить предполагаемую долю энергии вакуума в общем энергетическом бюджете нынешней Вселенной. Наблюдения показали, что материя (и обычная, и темная) вместе обеспечивают лишь около 27 % общей плотности энергии во Вселенной, а так называемая «темная энергия» – тот самый равномерно распределенный компонент, который соответствует нашим представлениям об энергии вакуума – составляет около 73 %. То есть необычайно живучая космологическая постоянная Эйнштейна или что-то очень похожее на ее нынешнее обличье – энергия пустого пространства – в настоящее время доминирует во Вселенной!

Поясню, что величина плотности энергии, связанной с космологической постоянной, по данным измерений по-прежнему на 53–123 порядка меньше, чем наивные вычисления количества энергии, которую производит вакуум, однако тот факт, что она точно не равна нулю , очень огорчил многих физиков-теоретиков, которым мечталось совсем о другом. Вспомним, что с учетом неимоверных расхождений между разумным значением космологической постоянной – таким количеством энергии, которую Вселенная может вместить, не треснув по швам, – и ожиданиями теоретиков, многие физики предсказывали, что будет найдена какая-то симметрия, которая приведет к полной аннигиляции этой энергии. То есть они надеялись, что всевозможные начальные энергии, как бы велики они ни были по отдельности, делают свой вклад в общий баланс парами с противоположным знаком, так что в итоге получается ноль. Иногда подобные ожидания опирались на концепции вроде суперсимметрии [443]. Физики, занимающиеся элементарными частицами, предсказывают, что каждой частице из тех, которые мы знаем, любим и ценим, например, каждому электрону и кварку, должен соответствовать еще не открытый суперсимметрический партнер с таким же зарядом (электрическим или зарядом ядра), но со спином меньше на половину квантово-механической единицы. Например, у электрона спин равен ½, а у его «теневого» суперсимметрического партнера должен быть спин 0. Если у всех суперпартнеров будет еще и такая же масса, как и у их известных партнеров, то, по прогнозам теории, каждая пара будет и в самом деле полностью обнулять общий энергетический вклад. К сожалению, мы знаем, что у суперпартнеров электрона, кварка и нейтрино не может быть такой же массы, как у электрона, кварка и нейтрино, иначе мы бы их уже открыли. С учетом этого обстоятельства общий вклад в энергию вакуума по расчетам оказывается больше, чем наблюдаемый, примерно на 53 порядка. Оставалось разве что надеяться, что будет открыта еще какая-то симметрия, которая еще никому в голову не приходила, и она-то и обеспечит желаемое обнуление. Однако когда был совершен научный прорыв и удалось измерить ускорение расширения Вселенной, оказалось, что это маловероятно. Значение космологической постоянной – очень маленькое, но все же отличное от нуля – убедило многих теоретиков, что искать объяснение из соображений симметрии – дело безнадежное. В конце концов, как уменьшить число до 0,00000000000000000000000000000000000000000000000000001 его первоначальной величины и при этом не обнулить его вовсе? Похоже, что подобное решение требует такого уровня тонкости расчетов, какой большинство физиков не готово признать. В принципе, представить себе гипотетический сценарий, благодаря которому энергия вакуума станет равна нулю, гораздо проще, чем тот, где ее значение соответствовало бы результатам наблюдений. Есть ли хоть какой-то выход из этого положения? Некоторые физики от отчаяния даже прибегли к одной из самых неоднозначных концепций в истории науки – к антропному принципу, линии доказательств, согласно которой происходящее отчасти объясняется самим существованием людей как наблюдателей. Сам Эйнштейн не имеет ко всему этому никакого отношения, однако именно его космологическая постоянная – его идея, его «ляпсус» – убедила довольно многих ведущих ученых современности всерьез рассмотреть такое предположение. Вкратце поясню, о чем, собственно, речь.