Книга: Вселенная из ничего: почему не нужен Бог, чтобы из пустоты создать Вселенную

Глава 5: Глава о разбегающейся Вселенной

Глава 5: Глава о разбегающейся Вселенной

То, что мы с Майклом Тернером утверждали в 1995 году, было в высшей степени еретическим. На основании не более чем теоретических предубеждений мы предположили, что Вселенная была плоской. (Здесь я должен еще раз подчеркнуть, что «плоская» трехмерная вселенная является не плоским двумерным блином, а, скорее, трехмерным пространством, которое все мы интуитивно себе представляем, и в котором лучи света проходят по прямой линии. Ее следует отличать от гораздо более трудно представимых изогнутых трехмерных пространств, в которых световые лучи, очерчивающие основополагающую кривизну пространства, идут не по прямой линии.) Тогда мы сделали вывод, что все доступные космологические данные в то время согласовывались с плоской Вселенной, только если около 30 процентов от общей энергии пребывало в той или иной форме «темной материи», которая, как указывали наблюдения, существовала вокруг галактик и скоплений, но гораздо более странно, чем даже это, то, что остальные 70 процентов от общей энергии во Вселенной пребывало не в какой-либо из форм материи, а, скорее, в самом пустом пространстве.

Наша идея была сумасшедшей по любым стандартам. Для того, чтобы привести значение космологической постоянной в соответствие с нашими требованиями, расчетное значение этой величины, описанной в предыдущей главе, должно было быть каким-то образом уменьшено на 120 порядков и все равно в точности не равняться нулю. Это предполагает самую строгую тонкую настройку любой физической величины, известной в природе, без малейшего представления, как ее корректировать.

Это была одна из причин, почему, когда я читал лекции в различных университетах о затруднениях с плоской вселенной, я вызывал в основном улыбки и не более того. Я не думаю, что многие люди воспринимали наше предположение всерьез, и я даже не уверен, что его воспринимали всерьез мы с Тернером. Нашей главной задачей в нашей работе было вызвать удивление, графически проиллюстрировав факт, который уже начинал проявляться не только в нашем сознании, но и в сознании некоторых наших коллег-теоретиков по всему миру: что-то казалось не так с прежней «стандартной» картиной нашей Вселенной, в которой почти вся энергия, необходимая общей теорией относительности, чтобы на сегодняшний момент произвести плоскую вселенную, предполагалось, пребывает в форме экзотической темной материи (с горсточкой барионов — то есть нас, землян, звезд и видимых галактик).

Коллега недавно напомнил мне, что в течение двух лет после нашего скромного предположения на него ссылались лишь несколько раз в последующих работах, и, должно быть, все эти ссылки, кроме одной или двух из них, были в работах, написанных мною или Тернером! Большая часть научного сообщества полагала, что наша столь сложная Вселенная не могла быть настолько сумасшедшей, как мы с Тернером предполагали.

Самым простым альтернативным исходом этих противоречий была возможность того, что Вселенная была не плоской, а открытый (в которой параллельные лучи света сегодня искривлялись бы в разные стороны, если бы мы проследили их траекторию в обратном направлении. Это, конечно, было до того, как изучение реликтового космического излучения дало понять, что этот вариант был нереалистичен.) Тем не менее, даже эта возможность имела свои собственные проблемы, впрочем, ситуация там также остается далеко не ясной.

Любой школьник, изучающий физику, будет рад сообщить вам, что гравитация засасывает — то есть, что она повсюду притягивает. Конечно, как и многое в науке, мы теперь понимаем, что мы должны расширять наши горизонты, потому что природа более богата воображением, чем мы. Если на данный момент мы полагаем, что притягивающая сущность гравитации означает, что расширение Вселенной замедлялось, напомню, что мы получили верхний предел возраста Вселенной, предположив, что скорость галактики, расположенной на некотором расстоянии от нас, была постоянной с момента Большого взрыва. Причина в том, что, если Вселенная замедлялась, то галактика когда-то отдалялась от нас быстрее, чем сейчас, и, следовательно, ей потребовалось бы меньше времени, чтобы добраться до своей нынешней позиции, чем, если бы она всегда двигалась со своей нынешней скоростью. В открытой вселенной, в которой преобладает материя, замедление вселенной будет медленнее, чем в плоской вселенной, и поэтому предполагаемый возраст вселенной будет больше, чем для плоской вселенной, в которой преобладает материя, с такой же текущей скоростью расширения. Фактически она была бы гораздо ближе к значению, которое мы получили, если предположить постоянную скорость расширения в течение космического времени.

Вспомните, что ненулевая энергия пустого пространства произвела бы космологическую постоянную — вроде гравитационного отталкивания — предполагающую, что расширение Вселенной наоборот, ускоряется в течение космического времени, и поэтому галактики ранее удалялись друг от друга медленнее, чем сегодня. Это означало бы, что галактикам потребовалось еще больше времени, чтобы добраться до своих нынешних расстояний, чем это было бы для постоянного расширения. Действительно, согласно установленным на сегодня результатам измерений постоянной Хаббла, наибольший возможный возраст нашей Вселенной (около 20 млрд. лет) получается, если учитывать вариант космологической постоянной вместе с измеренным количеством видимой и темной материи, и если мы согласуем ее значение с плотностью материи во Вселенной сегодня.

В 1996 году я работал с Брайаном Чебоером и нашими сотрудниками Пьером Демарком из Йельского университета и постдоком Питером Кернаном из Западного резервного университета Кейза, оценивая нижний предел возраста этих звезд, который должен был составлять около 12 миллиардов лет. Мы сделали это, моделируя эволюцию миллионов различных звезд на скоростных компьютерах и сравнения их цвета и яркости с фактическими звездами, наблюдаемыми в шаровых скоплениях в нашей галактике, которые были на протяжении долгого времени одними из старейших объектов в галактике. Предполагая, что для формирования нашей галактики потребовалось около миллиарда лет, этот нижний предел фактически исключает плоскую вселенную с преобладающей материей и поддерживает вселенную с космологической постоянной (один из факторов, которые повлияли на выводы в моей предыдущей работе с Тернером), в то время как открытая вселенная едва балансировала на краю выживания.

Тем не менее, возраст старейших звезд предусматривал выводы, основанные на наблюдениях с наибольшей на то время чувствительностью, и в 1997 году новые данные наблюдений заставили нас пересмотреть наши оценки в сторону уменьшения примерно на 2 миллиарда лет, что дает несколько младшую вселенную. Так что ситуация стала гораздо мрачнее, и все три космологии вновь оказались жизнеспособными, отправляя многих из нас назад к чертежной доске.

Все изменилось в 1998 году, по совпадению в том же году, в котором эксперимент BOOMERANG продемонстрировал, что Вселенная плоская.

За прошедшие семьдесят лет после того, как Эдвин Хаббл измерил скорость расширения Вселенной, астрономы все упорнее трудились, чтобы точно определить его значение. Напомню, что в 1990-х годах они, наконец, нашли «стандартную свечу», то есть, объект, внутреннюю светимость которого, как полагали наблюдатели, они могут самостоятельно установить, так что, когда они измерили видимую яркость этого объекта, они могли затем вывести расстояние до него. Стандартная свеча, казалось, была надежной, и ее можно было наблюдать сквозь глубины космоса и времени.

Определенный тип взорвавшейся звезды под названием сверхновая типа Ia недавно наглядно продемонстрировал зависимость между яркостью и долговечностью. Измерение, как долго данная сверхновая типа Ia остается яркой, требовало, впервые, чтобы учитывались эффекты замедления времени из-за расширения Вселенной, что подразумевает, что измеренное время жизни такой сверхновой на самом деле больше, чем ее реальное время жизни в ее покоящейся системе координат. Тем не менее, мы могли бы вывести абсолютную яркость, измерить ее видимую яркость с помощью телескопов и, в конечном счете, определить расстояние до галактики, в которой сверхновая взорвалась. Измерение красного смещения галактики в то же время позволило определить ее скорость. Объединение этих двух приемов позволяет нам измерить, с возрастающей точностью, скорость расширения Вселенной.

Из-за того, что сверхновые настолько яркие, они обеспечивают не только отличный инструмент для измерения постоянной Хаббла, но также позволяют наблюдателям взглянуть назад во время, представляющее собой значительную часть общего возраста Вселенной.

Это дало новую и захватывающую возможность, которую наблюдатели рассматривали как гораздо более захватывающий источник сведений: измерить, как постоянная Хаббла меняется с течением космического времени.

Измерить, как меняется постоянная, звучит как оксюморон, и так бы оно и было, если бы не факт, что мы, люди, живем такую короткую жизнь, по крайней мере, в космическом масштабе. В человеческом масштабе времени скорость расширения Вселенной действительно постоянна. Однако, как я только что описал, скорость расширения Вселенной будет меняться с течением космического времени из-за воздействия гравитации.

Астрономы полагали, что если бы они могли измерить скорость и расстояние до сверхновых, расположенных на большом расстоянии — через пространства видимой Вселенной — то они могли бы измерить скорость, с которой замедлялось расширение Вселенной (так как все полагали, что Вселенная вела себя разумно, и преобладающая гравитационная сила во Вселенной была притягивающей). В свою очередь они надеялись определить, была ли Вселенная открытой, закрытой или плоской, так как скорость замедления в зависимости от времени отличается для каждой геометрии.

В 1996 году я провел шесть недель, посещая лабораторию Лоуренса Беркли, давая там лекции по космологии и обсуждая различные научные проекты с моими коллегами. Я выступил с докладом о нашем заявлении, что пустое пространство может иметь энергию, а потом Сол Перлмуттер, молодой физик, который работал над выявлением далеких сверхновых, подошел ко мне и сказал: «Мы докажем, что вы неправы!»

Сол имел в виду следующий аспект нашего предположения плоской вселенной, 70 процентов энергии, которые должны содержаться в пустом пространстве. Напомним, что такая энергия произвела бы космологическую константу, вызвав отталкивающую силу, которая тогда существовала бы всюду по всему пространству, и она повлияла бы на расширение вселенной, заставляя её расширение ускорятся, а не замедляться.

Как я описал, если бы расширение вселенной ускорялось за космическое время, то вселенная была бы более старой сегодня, чем в ином случае, если бы мы сделали вывод, что расширение замедлялось. Это означало бы, что взгляд назад во времени на галактики с некоторым красным смещением будет более продолжительным, чем это было бы в противном случае. В свою очередь, если бы они разлетались от нас в течение более длительного времени, это означало бы, что свет от них начал исходить гораздо дальше. Сверхновые в галактиках с некоторым измеренным красным смещением тогда казались бы нам более тусклыми, чем, если бы свет возник ближе. Схематически, если измерить скорость в зависимости от расстояния, наклон кривой для близких галактик позволит нам определить скорость расширения сегодня, а затем то, наклоняется кривая вверх или вниз для далеких сверхновых сказало бы нам, ускоряется Вселенная или замедляется в течение космического времени.

Через два года после нашей встречи Сол и его сотрудники, члены международной команды под названием «Космологический проект сверхновых», опубликовали статью, основанную на первых, предварительных данных, которые действительно наводили на мысль, что мы были неправы. (На самом деле, они не утверждали, что мы с Тернером были неправы, так как они, наряду с большинством других наблюдателей, действительно не слишком доверяли нашему предположению.) Их данные свидетельствовали, что график зависимости расстояния от красного смещения изогнут вниз, и таким образом предельный уровень энергии пустого пространства должен был быть значительно ниже, чем было необходимо, чтобы внести существенный вклад в полную энергию сегодня.

Однако, как это часто бывает, первые поступившие данные могли не представлять всех данных — либо вы просто статистически невезучий, либо на данные могли повлиять неожиданные систематические ошибки, которые не проявятся, пока у вас не будет гораздо больше замеров. Так было в случае с данными, опубликованными «Космологическим проектом сверхновых», и поэтому выводы были неправильными.

Другой международный проект по поиску сверхновых, называемый «High-Z Supernova Search Team», во главе с Брайаном Шмидтом из обсерватории Маунт-Стромло в Австралии, выполнял программу с той же целью, и они начали получать другие результаты. Брайан недавно сказал мне, что когда появились их первые серьезные расчеты «High-Z Supernova», предполагающие ускоряющуюся Вселенную со значительной энергией вакуума, им отказали во времени работы с телескопом и сообщили в журнал, что они должны быть неправы, потому что «Космологический проект сверхновых» уже установил, что вселенная в действительности была плоской, и в ней преобладала материя.

Подробную историю конкуренции между этими двумя группами, несомненно, будут повторять много раз, особенно после того, как они разделят Нобелевскую премию, которую они, безусловно, получат. Здесь не место беспокоиться о первенстве. Достаточно сказать, что к началу 1998 года группа Шмидта опубликовала статью, демонстрирующую, что Вселенная, кажется, ускоряется. Примерно шесть месяцев спустя группа Перлмуттера объявила аналогичные результаты и опубликовала статью, подтверждающую результаты «High-Z Supernova», по сути, признавая свои прежние ошибки — и выражая больше доверия Вселенной с преобладанием энергии пустого пространства или, как ее теперь чаще называют, темной энергии.

Скорость, с которой эти результаты были приняты научным сообществом, даже при том, что они требовали полного пересмотра всей принятой картины мироздания, предлагает интересное исследование в научной социологии. Почти всю ночь, казалось, продолжалось всеобщее одобрение результатов, хотя, как подчеркивал Карл Саган: «Экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств». Это было, конечно, экстраординарное заявление, какое только можно представить.

Я был потрясен, когда, в декабре 1998 года журнал «Science» назвал открытие ускоряющейся Вселенной «научным прорывом года», представив замечательную обложку с изображением шокированного Эйнштейна.

Я шокирован не был, потому что считал, что результат был не достоин обложки. Совсем наоборот. По правде говоря, это было одно из самых важных астрономических открытий нашего времени, но эти данные в то время лишь заставляли сильно задуматься. Они требовали такого изменения в нашей картине мира, что я чувствовал, что все мы должны получше убедиться, что другие возможные причины эффектов, наблюдаемых командами, можно окончательно исключить, прежде чем все перейдут на сторону космологической постоянной. Как я говорил, по крайней мере, одному журналисту в то время: «Первый раз, когда я не поверил в космологическую постоянную, был, когда наблюдатели заявили, что ее открыли.»

Моя несколько шутливая реакция может показаться странной, учитывая, что я поддерживал эту возможность в той или иной форме в течение, наверное, десятилетия. Как теоретик, я чувствую, что это хорошая гипотеза, особенно, если она выдвигает новые возможности для эксперимента. Но я полагаю, что был настолько консервативным, насколько это возможно, при рассмотрении реальных данных, вероятно, потому что я достиг научной зрелости в период, когда так много новых и интересных, но умозрительных заявлений в моей собственной области физики элементарных частиц оказалась ложными. Были открытия, от заявленной новой пятой силы в природе и обнаружения новых элементарных частиц до мнимого наблюдения, что наша Вселенная, вращаясь как единое целое, возникает и исчезает с большим шумом.

В то время наибольшее опасение в отношении заявленного открытия ускоряющейся Вселенной вызывало то, что эти отдаленные сверхновые могут казаться более тусклыми, чем ожидалось, не из-за ускоренного расширения, а лишь потому, что либо (а) они более тусклые, либо (б) возможно, какая-то межгалактическая или галактическая пыль, присутствовавшая в ранние времена, частично их перекрывает.

В этом десятилетии, однако же, оказалось, что доказательства ускорения стали подавляющими, почти бесспорными. Во-первых, были измерены многие другие сверхновые в большом красном смещении. В результате, совместный анализ сверхновых, проведенный двумя группами в течение года после первоначальной публикации, дал следующий график:

В качестве ориентира, чтобы помочь вам увидеть, наклоняется ли кривая зависимости расстояния от красного смещения вверх или вниз, наблюдатели нарисовали пунктирную прямую линию в верхней половине графика с левого нижнего в правый верхний угол, которая проходит по данным, представленным близкими сверхновыми. Наклон этой линии указывает нам скорость расширения сегодня. Затем, в нижней части рисунка, они сделали ту же прямую горизонтальной, для ориентира. Если Вселенная замедляется, как ожидалось в 1998 году, далекие сверхновые в красном смещении, близком к единице, окажутся ниже прямой. Но как вы можете видеть, большинство из них попадает выше прямой. Это связано с одной из двух причин:

1. данные неверны, или

2. расширение Вселенной ускоряется.

Если мы примем, на минуту, вторую альтернативу и спросим: «Сколько энергии мы должны заложить в пустое пространство, чтобы получить наблюдаемое ускорение?» — мы получим замечательный ответ. Сплошная кривая, которая наилучшим образом отвечает данным, соответствует плоской Вселенной, с 30 процентами энергии в материи и 70 процентами в пустом пространстве. Примечательно, что именно это необходимо для того, чтобы заставить плоскую Вселенную соответствовать факту, что существует только 30 процентов от необходимой массы внутри и вокруг галактик и их скоплений. Очевидное соответствие было достигнуто.

Тем не менее, поскольку утверждение, что 99 процентов Вселенной невидимо (1 процент видимой материи вкрапляется в море темной материи, окруженное энергией в пустом пространстве), вписывается в категорию экстраординарных утверждений, мы должны серьезно рассмотреть первую из двух возможностей, упомянутых мною выше: а именно, что данные неверны. В этом десятилетии все остальные данные космологии продолжают укреплять общую гармоническую картину вздорной, плоской Вселенной, в которой преобладающая энергия содержится в пустом пространстве, и в которой на все, что мы можем видеть, приходится менее 1 процента полной энергии, с материей, которую мы не можем видеть, состоящей в основном из какого-то еще неизвестного, нового типа элементарных частиц.

Во-первых, новые данные о звездной эволюции были скорректированы, когда новые спутники предоставили нам информацию об относительном содержании элементов в старых звездах. С их помощью мы с коллегой Чебоером смогли в 2005 году однозначно продемонстрировать, что неопределенности в оценках возраста Вселенной при использовании этих данных были теперь достаточно малы, чтобы исключить возраст моложе приблизительно 11 миллиардов лет. Это не согласуется с любой вселенной, в которой само пустое пространство содержит значительное количество энергии. Опять же, поскольку мы не уверены, что эта энергия обусловлена космологической постоянной, она сейчас известна под более простым названием «темной энергии», по аналогии с названием «темной материи», которая преобладает в галактиках.

Эту оценку возраста нашей Вселенной значительно уточнили примерно в 2006 году, когда новые, высокоточные измерения космического микроволнового фона с помощью спутника WMAP позволили наблюдателям точно измерить время, прошедшее с момента Большого Взрыва. Теперь мы знаем возраст Вселенной до четырех значимых цифр. Ей 13,72 миллиарда лет!

Я никогда бы не подумал, что при моей жизни мы получим такую точность. Но теперь, когда мы это знаем, мы можем утверждать, что вселенная с измеренной на сегодня скоростью расширения никоим образом не может быть такой старой без темной энергии, и, в частности, без темной энергии, которая ведет себя фактически так, как вела бы себя энергия, отображаемая космологической постоянной. Другими словами, это энергия, которая, по-видимому, остается неизменной во времени.

В следующем научном прорыве наблюдатели смогли точно определить, как материя, в форме галактик, сгруппировалась вместе в течение космического времени. Результат зависит от скорости расширения Вселенной, поскольку силе притяжения, стягивающей галактики вместе, приходится состязаться с космическим расширением, расталкивающим материю друг от друга. Чем больше значение энергии пустого пространства, тем быстрее она станет господствующей энергией во Вселенной, и тем скорее увеличивающаяся скорость расширения, в конечном счете, остановит гравитационный коллапс материи во все большие размеры.

Поэтому, измеряя гравитационное скучивание, наблюдатели смогли подтвердить, снова же, что только плоская вселенная, то есть которая согласуется с наблюдаемой крупномасштабной структурой, это вселенная с примерно 70 процентами темной энергии и, опять же, что темная энергия ведет себя более или менее схоже с энергией, выраженной космологической постоянной.

Независимо от этих косвенных исследований истории расширения Вселенной, наблюдатели сверхновых всесторонне проверили возможности, которые могли бы вызвать систематические ошибки в их анализе, в том числе возможность увеличения пыли на больших расстояниях, которая заставляет сверхновые выглядят тусклее, и исключали их одну за другой.

Одна из самых важных проверок включала проникновение назад во времени.

Ранее в истории Вселенной, когда то, что сейчас является нашей наблюдаемой областью, было намного меньшего размера, плотность материи была намного больше. Тем не менее, плотность энергии пустого пространства остается одинаковой в течение долгого времени, если она отражает космологическую постоянную — или что-то вроде нее. Таким образом, когда размер Вселенной был бы примерно наполовину меньше нынешнего, плотность энергии материи превышала бы плотность энергии пустого пространства. Все время до этого материя, а не пустое пространство, создавала бы доминирующую гравитационную силу, оказывающую влияние на расширение. В результате, Вселенная замедлялась бы.

В классической механике есть название для точки, в которой система меняет свое ускорение и, в частности, переходит от замедления к ускорению. Она называется «jerk». В 2003 году я организовал конференцию в моем университете, чтобы рассмотреть будущее космологии, и пригласил одного из членов исследовательской группы «High-Z Supernova», Адама Рисса, который сказал мне, что у него есть кое-что интересное, чтобы сообщить на конференции. Он сообщил. На следующий день «Нью-Йорк Таймс», которая делала отчет о конференции, поместила фото Адама, сопровождаемое заголовком «Космический jerk обнаружен». Я сохранил эту фотографию и время от времени обращаюсь к ней ради развлечения.

Детальное картирование истории расширения Вселенной, демонстрирующее, что она перешла из периода замедления к ускорению, добавило существенный вес утверждению, что первоначальные наблюдения, которые подразумевали существование темной энергии, на самом деле были правильными. Принимая во внимание все другие ныне доступные доказательства, очень трудно представить, что, следуя этой картине, в настоящее время мы так или иначе вовлечены в космическую охоту за призраками. Нравится нам это или нет, темная энергия, похоже, укоренилась, или, по крайней мере, остается, пока каким-то образом не изменится.

Происхождение и природа темной энергии, несомненно, самая большая загадка в фундаментальной физике сегодня. У нас нет глубокого понимания того, как она возникла и почему приняла такие значения, как она имеет. Поэтому мы понятия не имеем, почему начало преобладать расширение Вселенной, причем лишь сравнительно недавно, в течение примерно последних 5 млрд лет, и не является ли это полной случайностью. Естественно было бы заподозрить, что ее природа связана с какой-то базовой особенностью происхождения Вселенной. И все признаки позволяют предположить, что она также будет определять будущее Вселенной.