Лоуренс Краусс - Всё из ничего [litres]

Все изменилось в 1998 г. – и по странному совпадению в том же году проект BOOMERanG показал, что Вселенная плоская.

В течение 70 лет, которые прошли с тех пор, как Эдвин Хаббл впервые измерил темп расширения Вселенной, астрономы не жалели сил на то, чтобы как можно точнее определить его величину. Вспомним, что в 1990-е гг. они наконец нашли «стандартную свечу», то есть такой объект, светимость которого можно установить независимо, а значит, измерив его наблюдаемую яркость, определить, на каком он находится расстоянии. Казалось, что это надежная «стандартная свеча», которую можно наблюдать в глубинах пространства и времени.

Как уже говорилось, яркость и продолжительность вспышки определенной разновидности взрывающихся звезд – так называемых сверхновых типа Ia – связаны определенным соотношением. Но, чтобы измерить, сколько времени та или иная сверхновая типа Ia остается яркой, нужно прежде всего учесть эффекты «растяжения» времени из-за расширения Вселенной, а из этого следует, что измеряемое нами время жизни такой сверхновой на самом деле больше, чем реальное время жизни в ее неподвижной системе отсчета. Тем не менее из наблюдаемой длительности вспышки можно вывести светимость такой сверхновой, измерить наблюдаемую яркость с помощью телескопа и в конечном итоге определить расстояние до галактики, в которой взорвалась эта сверхновая. Если одновременно измерить красное смещение этой галактики, можно определить ее скорость. Комбинируя оба результата, мы можем измерять темп расширения Вселенной все точнее и точнее.

Поскольку сверхновые очень яркие, они не просто служат отличным инструментом для измерения постоянной Хаббла, но и дают наблюдателям возможность заглядывать в прошлое на расстояния, составляющие заметную долю полного возраста Вселенной.

А это открывает перед нами новую ошеломительную возможность поохотиться на еще более соблазнительную добычу – возможность измерить, как постоянная Хаббла меняется с течением времени.

Измерить, как меняется постоянная? Казалось бы, оксюморон – и был бы оксюморон, если не учитывать, что мы, люди, по меркам Вселенной, живем очень недолго. В масштабах человеческой жизни темп расширения Вселенной и в самом деле неизменен. Однако, как я только что объяснил, из-за воздействия гравитации темп расширения Вселенной должен меняться с течением времени.

Астрономы полагали, что если измерить скорость очень далеких сверхновых, расположенных на самом краю видимой Вселенной, и расстояние до них, то можно будет измерить и темп, с которым замедляется расширение Вселенной (поскольку все думали, что Вселенная должна вести себя разумно и главная гравитационная сила в ней – сила притяжения). А это, как они надеялись, в свою очередь поможет понять, открытая ли, замкнутая или плоская у нас Вселенная, поскольку темп замедления как функция времени при каждой геометрии должен быть свой.

В 1996 г. я провел полтора месяца в Лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Я читал там лекции по космологии и обсуждал разные научные проекты с местными коллегами. В частности, я прочитал доклад о нашей гипотезе, предполагающей, что в пустом пространстве может содержаться энергия. После доклада ко мне подошел молодой физик Саул Перлмуттер, который как раз работал над обнаружением далеких сверхновых, и сказал: «Мы докажем, что вы не правы!»

Саул имел в виду один из аспектов нашей гипотезы о плоской Вселенной, 70 % энергии которой заключено в пустом пространстве. Мы помним, что такая энергия порождает космологическую постоянную, которая обеспечивает отталкивающую силу. Эта сила действует по всему пространству и будет доминировать в расширении Вселенной, отчего оно будет ускоряться , а не замедляться.

Как я уже писал, если расширение Вселенной с течением космического времени ускорялось, Вселенная сегодня должна быть старше, чем мы могли бы заключить, если бы расширение замедлялось. А из этого следует, что и взгляд в прошлое на галактики с заданным красным смещением окажется более далеким. С другой стороны, если они удалялись от нас в течение большего времени, из этого должно следовать, что свет от них зародился дальше от нас. Сверхновые в галактиках с тем или иным измеренным красным смещением должны казаться нам более тусклыми, чем если бы свет зародился ближе. Если посмотреть на график и представить, что мы измеряем зависимость скорости от расстояния, то наклон кривой для сравнительно близких галактик позволяет нам определить темп расширения на сегодня. Далее кривая для далеких сверхновых может изогнуться вверх или вниз, и это скажет нам, разгоняется Вселенная или замедляется с течением космического времени.

Спустя два года после нашей встречи Саул и его коллеги в составе международной рабочей группы по космологии на базе сверхновых (так называемый Supernova Cosmology Project) опубликовали на основании первых предварительных данных статью, из которой следовало, что мы ошиблись. (На самом деле они не написали прямо, что мы с Тёрнером не правы, поскольку, как и большинство других наблюдателей, не обратили особого внимания на нашу статью.) По их данным получалось, что график зависимости расстояния от красного смещения изгибается вниз, а значит, верхний предел энергии пустого пространства гораздо ниже, чем требуется для того, чтобы она составляла значительную часть полной энергии Вселенной на сегодняшний день.

Однако, как часто бывает, первые полученные данные могут не быть представительными в отношении всего объема данных: случается невезение со статистикой, а бывают и непредвиденные систематические ошибки, влияющие на данные, которые не видны, пока не накопится гораздо более обширная выборка. Так и получилось с данными, которые опубликовала эта рабочая группа: их выводы оказались ошибочными.

Другой международный проект по исследованию сверхновых под названием High-Z Supernova, которым руководил Брайан Шмидт из Обсерватории Маунт-Стромло в Австралии, осуществлялся с той же целью, и он начал давать другие результаты. Недавно Брайан рассказал мне, что, когда они получили первый обоснованный результат, позволяющий заявить об ускоренном расширении Вселенной и о значительной энергии вакуума, ученым «зарезали» заявку на наблюдательное время на телескопе, а один журнал сообщил им, что они, должно быть, ошибаются, потому что Supernova Cosmology Project уже определил, что Вселенная плоская и в ней преобладает обычное вещество.

Подробная история соперничества этих групп, несомненно, будет рассказана еще не раз и не два, особенно после того, как ученые поделят Нобелевскую премию, а это их наверняка ждет [18] Когда первое издание этой книги готовилось к печати, я узнал, что Саул и Брайан вместе с Адамом Риссом, который тоже участвовал в проекте High-Z Supernova, в 2011 г. получили Нобелевскую премию за свое открытие. – Прим. авт. . Здесь же не место для спора о приоритете. Достаточно сказать, что к началу 1998 г. группа Шмидта опубликовала статью, где было показано, что Вселенная, судя по всему, расширяется с ускорением. Примерно через полгода группа Перлмуттера объявила, что получила сходные результаты, и опубликовала статью, где подтверждала результаты High-Z Supernova и, в сущности, признавала свои прежние ошибки. Теперь более обоснованной представлялась картина Вселенной, в которой доминирует энергия пустого пространства, то есть, как теперь ее принято называть, темная энергия.