На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё - Гефтер Аманда

Благодаря гравитации наше пространство искривлено. При этом возможны три варианта космической геометрии: Вселенная может иметь положительную кривизну, подобно поверхности сферы; отрицательную кривизну, подобно поверхности седла; или быть плоской, как обычное евклидово пространство, в котором параллельные линии не расходятся и не пересекаются.

Лучший способ определить геометрию пространства – это нарисовать большой треугольник и сложить его углы. Если их сумма больше 180 градусов, вы будете знать, что пространство положительно изогнуто; если их сумма меньше, то кривизна отрицательна.

Слушая доклады, я узнала, что реликтовое излучение позволяет построить идеальный космический треугольник со спутником WMAP в самом остром из его углов. Траектории двух фотонов, испущенных из противоположных концов горячего или холодного пятна, представляют собой две равные стороны длинного узкого треугольника, их длина определяется временем, которое свет провел в пути, поскольку плазма излучила фотоны одновременно. Длина третьей стороны треугольника определяется расстоянием, на которое звуковые волны могут распространиться за 380 000 лет, то есть поперечным размером горячего или холодного пятна.

Зная длины всех трех сторон и используя простейшие законы тригонометрии, физики вычислили, что углы у основания треугольника составляют каждый 89,5 градусов, или в сумме 179 градусов. Теперь им просто нужен третий ближайший к нам угол. Если фотоны распространялись вдоль прямой линии, этот угол будет равняться одному градусу, доведя общую сумму до 180. Если их траектории были выгнуты наружу, как если бы они прошли сквозь положительно изогнутую Вселенную, то этот угол будет больше, а если их траектории были вогнуты внутрь из-за отрицательной кривизны, то этот угол был бы меньше. Согласно данным WMAP, третий угол равнялся точно одному градусу. Мы живем в евклидовом пространстве.

Но оставалась одна проблема. Геометрия Вселенной определяется суммарной массой или, с учетом того, что E = mc2, энергией, которую она содержит. Как сказал бы Уилер, масса говорит пространству, как ему искривляться. Для того чтобы Вселенная была плоской, требуется критическая плотность массы, соответствующая в среднем шести атомам водорода на один кубический метр. На первый взгляд это совсем не много. Можно подумать, что в космосе наберется более чем достаточно материала, с учетом всех звезд и галактик. Но нет. И даже не близко.

Обычная материя – частицы, такие как протоны, электроны и кварки, – составляет жалкие 4 % от того, что нам нужно, чтобы набрать критическую плотность. Наша планета, звезды, мы сами – все, что мы видим и знаем, – дает пренебрежимо малый вклад в космическую систему вещей. Это не более чем скорбная, хоть и сияющая, вершина огромного темного айсберга.

Так что же еще находится во Вселенной? У физиков на этот счет есть несколько идей.

С одной стороны, они уже давно знали, что во Вселенной содержится гораздо больше материи, чем видит глаз. Это было обнаружено благодаря простому факту: галактики не рассыпаются на миллиарды звезд, покидающих свой галактический дом во всех направлениях. Некая сила притяжения удерживает их вместе, собрав в тугую спираль или эллиптические образования, несмотря на то что общая масса всех звезд в типичной галактике не обеспечивает достаточной гравитации, чтобы проделать этот фокус. Что-то еще должно прятаться тут, скрытое в темном пространстве между звездами или окружающее каждую галактику невидимым забором, не позволяя звездам вылетать из нее. Это что-то должно обеспечивать необходимую силу тяжести, но одновременно оставаться невидимым, это что-то крепкое и твердое, как и материя, но не безразличное к электромагнетизму. Что-то темное.

Астрономы подсчитали, сколько этой темной материи скрывается в космосе. Но когда вы сложите ее с видимой частью материи, то получите только 27 % общей массы и энергии, необходимых для того, чтобы распрямить Вселенную. Неизвестные 73 % по-прежнему отсутствуют.

Введем темную энергию. В конце 90-х годов две команды астрофизиков – одна под руководством Сола Перлмуттера, другая под руководством Брайана Шмидта и Адама Рисса – занимались поисками сверхновых звезд в надежде измерить скорость расширения Вселенной. Они знали, что все началось с инфляционного раздувания, но считали, что затем расширение Вселенной стало замедляться, сдерживаемое гравитацией, и так и продолжает замедляться до сих пор.

Перлмуттер, Шмидт и Рисс поняли, что история расширения Вселенной записана в свете от взорвавшихся когда-то звезд. Некоторые виды сверхновых звезд, так называемые стандартные свечи, светят всегда с одной и той же силой, даже если кажутся несколько потускневшими из-за большого расстояния до них. Именно то, насколько потускневшей мы видим стандартную свечу, позволяет определить, как далеко от нас она находится. По мере того как ее свет проходит через расширяющееся пространство, его волны удлиняются, смещаясь по спектру в красную сторону. Это красное смещение показывает, насколько Вселенная расширилась за время, которое потребовалось свету, чтобы добраться до нас. Регистрируя свет от многих стандартных свечей, расположенных на различных расстояниях, физики нанесли на карту историю расширения Вселенной. Оказалось, что расширение Вселенной не только не замедляется. Оно ускоряется.

Что же может ускорить расширение Вселенной вопреки замедляющим его силам гравитации? Какие-то таинственные темные силы должны пронизывать пустоту межзвездного пространства, прячась в глубинах вакуума, расталкивая его, как своего рода антигравитация, заставляя пространство-время расширяться все быстрее и быстрее. Сколько этой темной энергии содержится в космосе, если судить по наблюдениям за сверхновыми звездами? Ответ похож на чудо. Это именно то количество, которое требовалось, чтобы покрыть недостаток плотности массы-энергии в плоской Вселенной: 73 %.

Все данные находились в довольно впечатляющем согласии друг с другом. Что касается инфляционной модели, то WMAP подтвердил ее наиболее общие предсказания. Флуктуации температуры не проявляют характерного масштаба, а горячие и холодные пятна были распределены случайным образом. Было кое-что и сверх того: плоская Вселенная точно соответствовала предсказаниям инфляционной модели, потому что даже если пространство в ранней Вселенной было сильно искривлено, то со временем радиус кривизны увеличится до такой степени, что пространство будет казаться плоским, как кажется плоской земля под моими ногами. Физики были так довольны полученными WMAP подтверждениями инфляционной модели, что просто светились от счастья. Уже ходили слухи, что Гут может получить Нобелевскую премию.

Но за праздничным настроением угадывалось что-то и не совсем радостное. Не все детали головоломки, разгаданной WMAP, встали на свои места. Инфляционная модель предсказывала, что флуктуации температуры должны быть на любых масштабах, а в наблюдениях они резко останавливались, если размер области звездного неба превышал 60 градусов. Эта проблема известна как «аномально низкая мощность квадрупольной компоненты реликтового излучения», и при всяком ее упоминании лица физиков мрачнели. У меня было такое чувство, что она может быть слишком важна, чтобы ей можно было пренебречь.

Если и есть в физике сюрреалистическая суперзвезда вроде Майкла Джексона, то это Стивен Хокинг. Увидеть его живьем – нечто на грани фантастики! Даже другие физики, многие из которых знали его в течение многих лет как коллегу и близкого друга, казалось, тушевались в его присутствии.

Во время одной из лекций я сидела прямо за Хокингом. Я старалась изо всех сил сконцентрировать свое внимание на докладчике, но была буквально загипнотизирована словами, возникавшими на экране компьютера, вмонтированного в поручень его инвалидной коляски. У парализованного в результате тяжелого заболевания Хокинга подвижность осталась лишь в мимической мышце щеки, напротив которой был закреплен датчик, и с его помощью он мог управлять курсором на мониторе. Курсор постоянно прокручивается через каталог наиболее часто используемых слов, и движением мышцы щеки он мог выбрать одно слово из списка. Так, слово за словом, Хокинг медленно, с трудом, строил предложения, последние затем отправлялись на синтезатор речи, выговаривавший фразы голосом робота, которому не хватало не только человеческих чувств, но и, как сетовал Хокинг, британского акцента.