Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

Среди ученых существует вполне естественная традиция – воздерживаться от вынесения суждения по любому новому научному утверждению, особенно когда оно появляется неожиданно, пока не будут получены независимые доказательства. Иногда до того, как это случается, проходит довольно много времени. Поэтому очень большой удачей было то, что две отдельные команды посвятили себя проекту изучения сверхновых в космологии. Первым важным игроком в этой области стал Сол Перлмуттер, физик, работающий в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, Калифорния. Возможно, из-за того, что в то время он не специализировался в области астрономии, Перлмуттера не испугали трудности и он начал работу примерно в 1990 г. Постепенно он объединил и вдохновил группу сотрудников как из Великобритании, так и из Соединенных Штатов. Вторая группа, также международная, появилась позже. В нее входили несколько исследователей, которые представили новые методы (позже использованные и группой Перлмуттера) для классификации сверхновых в подклассы, которые получили развитие.

К 1998 г. каждая команда обнаружила более 10 далеких сверхновых и добилась достаточной степени достоверности, чтобы объявить о предварительных результатах. Замедление было меньше, чем следовало ожидать, если бы число Ω было равно единице. Это само по себе было не удивительно – не имелось никаких доказательств того, что существует достаточно темной материи, чтобы оценить Ω выше 0,3, – хотя и шло вразрез с распространенным предубеждением теоретиков, что космос был бы «проще», если бы число Ω точно равнялось единице. Но удивительно было то, что, по всей видимости, никакого замедления не существовало вообще и на самом деле расширение даже, казалось, ускоряется . Журнал Science назвал это научным открытием номер один в 1998 г. во всех областях знания.

Эти наблюдения были верными, если учесть возможности телескопов того времени. Далекая сверхновая так слаба, что ее параметры трудно измерить точно. Более того, некоторые астрономы беспокоились, что вмешивающийся в наблюдения «туман» от пылевых облаков ослабляет свет, из-за чего сверхновая кажется дальше, чем на самом деле. Также «термоядерная бомба» не всегда бывает точно откалибрована: например, ее мощность может зависит от количества углерода и других элементов у звезды-предшественницы. Запасы элементов будут ниже у тех объектов, которые сформировались, когда Вселенная была моложе (иными словами, у объектов с наибольшим красным смещением). Однако постоянно проводятся перекрестные проверки, и каждый месяц появляются новые сверхновые для сравнения [28] Сейчас данные по ускоренному расширению вселенной проверены несколькими разными методами, и результаты 1998 г. подтвердились. За это открытие была вручена Нобелевская премия по физике. – Прим. науч. ред. .

Ускорение расширения Вселенной подразумевает значительное и неожиданное знание о самом космосе: должна быть какая-то дополнительная сила, которая обеспечивает космическое отталкивание даже в вакууме. Эта сила неощутима в Солнечной системе, не оказывает она и каких-либо эффектов внутри нашей Галактики, но она может преодолеть тяготение в значительно более разреженной среде межгалактического пространства. Несмотря на гравитационное притяжение темной материи (которое само по себе вызвало бы постепенное замедление), расширение на самом деле может ускоряться . И мы должны добавить в наш список еще одно очень важное число, которое описывает силу этой «антигравитации».

Обычно мы думаем о вакууме как о среде, где ничего нет. Но если даже убрать из некоего района межзвездного пространства те несколько частиц, которые в нем содержались, прикрыть его от излучения и охладить до температуры абсолютного нуля, оставшаяся пустота все еще будет хранить в себе какие-то остаточные силы и проявлять их. Это предполагал и сам Эйнштейн. Уже в 1917 г., вскоре после того, как он разработал свою ОТО, ученый начал размышлять о том, как эту теорию можно приложить ко Вселенной. В то время астрономы изучили только нашу собственную Галактику, и естественно было бы предположить, что Вселенная статична: не расширяется и не сжимается. Эйнштейн определил, что, если бы Вселенная появилась в статическом состоянии, она немедленно начала бы сжиматься, потому что все в ней притягивается. Вселенная не могла бы оставаться в статическом состоянии, если только не существовала бы дополнительная сила, противостоящая тяготению. Поэтому Эйнштейн добавил к своей теории новое число, которое назвал «космологической постоянной» и обозначил греческой буквой λ (лямбда). В те времена уравнения Эйнштейна допускали существование статической вселенной, где при соответствующем значении λ космическое отталкивание полностью уравновешивает тяготение. Эта вселенная была конечной, но неограниченной: любой посланный вами луч света рано или поздно вернется и попадет вам прямо в затылок.

После 1929 г. эта так называемая «эйнштейновская вселенная» стала не более чем любопытной выдумкой. К тому времени астрономы поняли, что наша Галактика – это всего лишь одна из многих, а далекие галактики от нас удаляются, т. е. Вселенная не статична, а расширяется. После этого открытия Эйнштейн утратил интерес к числу λ. В самом деле, в своей автобиографии «Моя мировая линия» Георгий Гамов [29] Гамов Д. Моя мировая линия: Неформальная автобиография. – М.: Наука, 1994. вспоминает разговор за три года до смерти Эйнштейна, где последний назвал число λ «самым большим промахом», поскольку, если бы он его не ввел, уравнения приводили бы к выводу о том, что наша Вселенная расширяется (или сжимается). Возможно, Эйнштейн предсказал бы расширение еще до того, как Эдвин Хаббл открыл его [30] Такое предсказание было сделано в 1922 г. Александром Фридманом в России. – Прим. науч. ред . .

На 70 лет причины, по которым Эйнштейн ввел число λ, стали неактуальными. Но это не дискредитировало само понятие. Напротив, сейчас число λ кажется менее надуманным и узкоспециализированным, чем считал его Эйнштейн. Теперь мы понимаем, что пустое пространство может быть каким угодно, только не простым. В нем в латентном состоянии находятся все виды частиц. Любая частица вместе с парной античастицей может быть создана при правильной концентрации энергии. На еще более мелких масштабах пустое пространство может оказаться кипящей неразберихой струн, обнаруживающихся в дополнительных измерениях. С нашей современной точки зрения самая главная загадка состоит в том, почему число λ так мало. Почему бы всем сложным процессам, пусть даже они происходят в пустом пространстве, не иметь намного большего суммарного воздействия? Почему бы космосу не быть таким плотным, как атомные ядра или нейтронные звезды (в этом случае он замкнулся бы на себя в пределах 10–20 км)? Или даже, возможно, почему бы космосу не быть таким плотным, как Вселенная в первые 10 –35секунд – в эпоху, значение которой для обобщающих теорий мы обсудим в следующих главах? На самом деле это значение меньше плотности ультраранней Вселенной в 10 120раз – возможно, это было самое большое изменение порядка оцениваемой величины во всей науке в целом. Может быть, число λ точно и не равно нулю, но оно, конечно, очень мало и может конкурировать только с очень ослабленным тяготением межгалактического пространства.