Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Благодаря космологии и физике элементарных частиц мы получаем достоверные знания о явлениях, обнаруживаемых на разных расстояниях — от огромных до кратчайших. Ученые-космологи вглядываются в космический горизонт — на предельное расстояние, которое свет мог пройти с того момента, как Вселенная стала прозрачной для него, то есть за 13,8 млрд лет, а физики, занимающиеся элементарными частицами, изучают процессы на расстояниях много меньше размера атомного ядра. И наши стандартные модели действительно работают: они позволяют с высокой точностью выполнять количественные расчеты, результаты которых согласуются с наблюдениями.

До некоторого момента историю космологии и физики частиц можно рассказывать независимо друг от друга. Однако к концу статьи эти истории сойдутся, так же как они сходятся в нашей научной работе.

Научная космология началась в 1920-х гг. Именно тогда ученые выяснили, что маленькие облака, которые не меняют своего видимого положения среди звезд, на самом деле далекие галактики вроде нашего Млечного Пути, и в каждой из них — многие миллиарды звезд. Затем обнаружилось, что все эти галактики удаляются от нас и друг от друга. Несколько десятилетий все космологические исследования были почти полностью сосредоточены на попытках определить скорость расширения Вселенной и измерить возможное изменение этой скорости.

Как ни странно, очень мало внимания было уделено очевидному выводу: если галактики удаляются друг от друга, значит, в какой-то момент времени в прошлом они все были «спрессованы» вместе. По измеренной скорости расширения можно определить, что этот момент времени удален от нас на несколько миллиардов лет. Расчеты, выполненные в конце 1940-х гг., показали, что ранняя Вселенная должна была быть очень горячей, иначе весь водород в ней (самый распространенный элемент) образовал бы более тяжелые химические элементы. Горячая материя должна излучать свет, который сохранился бы до настоящего времени в виде слабого статичного микроволнового фона (реликтового излучения), охлажденного в результате расширения Вселенной до современного уровня температуры, составляющего несколько градусов выше абсолютного нуля [33] Говорят, что излучение имеет определенную температуру, если плотность его энергии распределена по длинам волн так же, как энергия равновесного излучения в комнате, стены которой имеют эту температуру. Для нас такое излучение в основном видимо при температуре в несколько тысяч градусов, инфракрасное излучение имеет температуру, с которой мы имеем дело в повседневной жизни, а температура микроволнового излучения всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. .

Никаких попыток найти это остаточное космическое микроволновое фоновое излучение не предпринималось, и об этом предсказании практически забыли. Некоторое время теоретики даже допускали, что Вселенная находится в стационарном состоянии и всегда выглядит примерно одинаково, а пустоту между разбегающимися галактиками заполняет непрерывно образующаяся новая материя.

Современная эпоха научной космологии началась 48 лет назад, когда случайно было открыто реликтовое излучение. На этом стационарная космология закончилась — ранняя Вселенная действительно существовала. С тех пор реликтовое излучение интенсивно исследовалось с помощью как околоземных спутников, так и наземных радиотелескопов. Теперь мы знаем, что современное значение температуры реликтового излучения составляет 2,725° выше абсолютного нуля. Если эти данные использовать для расчетов образования атомных ядер в первые три минуты после Большого взрыва, тогда их результаты предскажут наблюдаемую распространенность легких элементов (изотопов водорода, гелия и лития) с некоторыми оговорками относительно лития. Более тяжелые химические элементы, как известно, образуются внутри звезд.

Куда важнее, чем точное измерение температуры, открытие 1992 г., что температура реликтового излучения для разных участков неба разная. В ее распределении были обнаружены флуктуации масштаба одной стотысячной доли. Это явление не стало сюрпризом. Такая мелкая зыбь в распределении температуры должна наблюдаться из-за малых сгустков материи в ранней Вселенной, которые впоследствии стали центрами гравитационной конденсации материи в галактики.

Эти сгустки и флуктуации обусловлены хаотическими волнами, похожими на звуковые в материи ранней Вселенной. Пока температура Вселенной превышала 3000 K, электроны в разогретой материи находились в свободном состоянии и непрерывно рассеивали излучение, поэтому сжатие и разрежение в звуковых волнах создавало соответствующие изменения в интенсивности излучения. Мы не можем заглянуть непосредственно в тот период времени, поскольку взаимодействие излучения со свободными электронами сделало Вселенную непрозрачной, но, когда Вселенная остыла до 3000 K, электроны оказались заперты в атомах водорода и Вселенная стала прозрачной. Излучение того времени сохранилось, остыло за счет расширения Вселенной и все еще несет в себе отпечаток волн, которые наполняли Вселенную до того, как она стала прозрачной.

Описанные физические процессы неизбежно стали предметом экспериментальных и теоретических исследований, которые показали, что Вселенная внезапно стала прозрачной примерно через 380 000 лет после возникновения атомного ядра. На основе данных о флуктуациях реликтового излучения мы можем рассчитать распространенность различных типов элементарных частиц во Вселенной до того, как она стала прозрачной.

Результаты озадачили ученых. Оказалось, что известных нам типов частиц недостаточно, чтобы учесть массу горячей материи, в которой должны были распространяться волны. Не меньше 5/6 массы Вселенной должно принадлежать некоторому типу темной материи, которая не излучает и не поглощает свет. Существование столь большого количества темной материи в современной Вселенной уже было обосновано тем фактом, что скопления галактик удерживаются вместе за счет гравитации вопреки высоким случайным скоростям движения галактик внутри этих скоплений. Так была сформулирована большая загадка: что такое темная материя? Теорий множество; предпринимаются попытки зафиксировать частицы темной материи или следы их аннигиляции в наземных детекторах, создать темную материю в ускорителях. Но до сих пор темная материя не найдена, и никто не знает, что это такое [34] Все еще верно и в 2019 г. .

Астрономы продолжали работать в рамках старой программы по регистрации скорости разбегания галактик от нас и друг от друга. Их работа привела к великому открытию. Изначально предполагалось, что расширение Вселенной должно замедляться из-за гравитационного притяжения галактик, почти как движение брошенного вверх камня замедляется под воздействием силы притяжения Земли. Главный вопрос всегда состоял в том, прекратится ли расширение Вселенной и начнется ли обратный процесс, как в случае с камнем движение вверх сменяется падением обратно на землю, или замедление продлится вечно, как движение камня, скорость которого превышает вторую космическую [35] Вторая космическая скорость — наименьшая скорость, которую необходимо придать объекту, чтобы вывести его за пределы замкнутой орбиты вокруг небесного тела, например Земли. — Прим. пер. . В 1998 г., используя данные о видимом блеске сверхновых звезд для измерения расстояния до дальних галактик, две группы астрономов обнаружили, что расширение Вселенной вовсе не замедляется, а, наоборот, ускоряется. В рамках ОТО это явление можно объяснить, только допустив существование энергии, не связанной с массой частиц любого типа, темных или нет, но представляющей собой «темную энергию», присущую пространству как таковому, которая создает нечто вроде антигравитационного воздействия, заставляющего галактики разбегаться.