Лоуренс Краусс - Всё из ничего [litres]

Специалисты по элементарным частицам, в том числе и я, ничуть не удивились, когда обнаружилось, что темное вещество доминирует и в скоплениях. Хотя у нас не было ни единого прямого доказательства, все мы надеялись, что темного вещества окажется достаточно, чтобы наша Вселенная стала плоской, а для этого его должно было оказаться более чем в 100 раз больше, чем видимого вещества.

Причина была проста: только плоская Вселенная обладает математической красотой. Почему? Следите за ходом моей мысли.

Независимо от ответа на вопрос, достаточно ли темного вещества, чтобы Вселенная оказалась плоской, наблюдения, полученные путем гравитационного линзирования (я напомню, что эффект гравитационной линзы – это результат локального искривления пространства вокруг массивных объектов, а то, плоская ли Вселенная, связано со средней кривизной пространства в целом, где не учитывается локальная рябь в окрестностях массивных объектов), а также относительно недавние результаты в других областях астрономии подтвердили, что общее количество темного вещества в галактиках и скоплениях намного превосходит тот уровень, который можно допустить исходя из теории нуклеосинтеза после Большого взрыва. Сейчас мы, можно сказать, уверены, что темное вещество – а его существование, повторяю, подтверждается независимо в самых разных астрофизических контекстах, от отдельных галактик до скоплений галактик, – должно состоять из чего-то совершенно нового, чего-то такого, чего в обычных земных условиях не существует. Это не звездное вещество, но и не земное. Но что-то такое существует!

Первые выводы о существовании темного вещества в нашей Галактике породили совершенно новую область экспериментальной физики, и я рад отметить, что и сам сыграл роль в ее разработке. Как я уже говорил, частицы темного вещества окружают нас повсюду – и здесь, в комнате, где я набираю этот текст, и «там», в космосе. Следовательно, мы можем ставить эксперименты, чтобы искать темное вещество и элементарные частицы нового типа (или типов), из которых оно состоит.

Такие эксперименты проводятся в шахтах и туннелях глубоко под землей. Почему под землей? Потому что на поверхности Земли нас постоянно бомбардируют всевозможные космические лучи – и от Солнца, и от более далеких объектов. Поскольку темное вещество по самой своей природе не вступает в электромагнитное взаимодействие и не испускает свет, мы предполагаем, что оно взаимодействует с нормальным веществом очень слабо, поэтому зарегистрировать его будет невероятно трудно. Даже если мы каждый день подвергаемся бомбардировке миллионов частиц темного вещества, большинство из них проходят сквозь нас и сквозь Землю, даже не «заметив» нас, и мы их тоже не замечаем. Если хочешь обнаружить крайне редкие исключения из этого правила – те частицы темного вещества, которые все-таки рассеялись на атомах обычного вещества, – готовься регистрировать крайне редкие события. А чтобы это стало хотя бы в принципе возможно, необходимо в достаточной степени отгородиться от космических лучей, то есть уйти под землю.

Однако сейчас, когда я пишу эти строки, появилась и другая возможность, не менее интересная. Недавно запущен Большой адронный коллайдер, расположенный в Швейцарии, недалеко от Женевы, и это самый крупный и мощный в мире ускоритель частиц. У нас есть много причин полагать, что при очень высоких энергиях, с которыми сталкиваются протоны в этой установке, воссоздаются условия первых мгновений существования Вселенной, пусть и в микроскопически малых масштабах. В этих объемах те же самые взаимодействия, которые когда-то породили частицы темного вещества в космосе, могут породить такие же частицы в лаборатории! То есть сейчас идет большая гонка: кто первым обнаружит частицы темного вещества – экспериментаторы глубоко под землей или экспериментаторы на Большом адронном коллайдере? Хорошая новость состоит в том, что, кто бы ни выиграл гонку, никто не проиграет. Выиграем мы все, поскольку узнаем, из чего на самом деле состоит это вещество.

Астрофизические эксперименты, о которых я рассказал выше, не раскрыли природу темного вещества, зато показали нам, какое количество этого вещества существует на свете. Окончательно и прямо определить общее количество вещества во Вселенной стало возможно благодаря изящным выводам из измерений, полученных при гравитационном линзировании, вроде тех, о которых я уже говорил, в сочетании с наблюдениями рентгеновского излучения скоплений галактик. Независимую оценку общей массы скоплений можно провести потому, что температура газа в скоплениях зависит от общей массы системы, в которой он находится и излучает (в рентгеновском диапазоне). Результаты получились неожиданные и, как я уже упоминал, для многих из нас, ученых, огорчительные. Когда осела пыль (и буквально, и метафорически), оказалось, что общая масса, содержащаяся в галактиках и скоплениях и вокруг них, составляет лишь около 30 % общего количества массы, которая нужна, чтобы Вселенная была плоской. Обратите внимание, что и это количество более чем в 40 раз больше массы видимого вещества, которое, таким образом, составляет менее 1 % массы, необходимой для того, чтобы Вселенная оказалась плоской.

Эйнштейн был бы удивлен, если бы узнал, что его «статейка» в конечном итоге оказалась совсем не пустой. Благодаря поразительным новым инструментам для наблюдений и экспериментов, открывшим новые окна в космос, новым теоретическим разработкам, которые привели бы Эйнштейна в восторг, а также открытию темного вещества, которое бы сильно его взволновало, крошечный шажок Эйнштейна в мир искривленного пространства обернулся колоссальным скачком. К началу 1990-х гг. Священный Грааль космологии, похоже, удалось обрести. Наблюдения однозначно показали, что мы живем в открытой Вселенной, которая, следовательно, расширяется и будет расширяться вечно.

Но показали ли?

Если вдуматься, то сама идея определять общую кривизну Вселенной посредством измерения общей массы, которая в ней содержится, и решать обратную задачу с помощью уравнений ОТО чревата серьезными трудностями. Неизбежно приходит в голову вопрос: не прячется ли где-нибудь вещество так, что нам его не найти? Например, мы можем догадываться о существовании невидимого вещества в наблюдаемых системах вроде галактик и их скоплений на основании гравитационной динамики. А вдруг значительная масса умудряется спрятаться от нас где-то еще, вне галактик и скоплений, и мы ее не замечаем? Лучше было бы непосредственно измерить геометрию непосредственно всей видимой Вселенной.