Книга: Вселенная из ничего

Глава 2: Космическая мистическая история: Взвешивая Вселенную

Глава 2: Космическая мистическая история:

Взвешивая Вселенную

Установив, что у Вселенной было начало, и что она возникла в определенное и измеримое время в прошлом, следующий естественный вопрос звучит так: «Каков ее конец?»

На самом деле, это был именно тот вопрос, который привел меня из моей вотчины, физики элементарных частиц, в космологию. В течение 1970-х и 1980-х годов, благодаря детальному изучению движения звезд и газа в нашей Галактике, а также изучению движения галактик в больших группах галактик, называемых кластерами, становилось все более ясно, что во Вселенной есть не только то, что видится невооруженным глазом или в телескоп.

Гравитация является главной силой, действующей в огромных масштабах галактик, поэтому измерения движения объектов в этих масштабах позволяет нам исследовать гравитационное притяжение, вызывающее это движение. Такие измерения начались с новаторской работы американского астронома Веры Рубин и ее коллег в начале 1970-х. Рубин закончила Джорджтаун в степени доктора, посещая вечерние занятия, в то время как ее муж ждал в машине, потому что она не умела ее водить. Она подавала заявление в Принстон, но в этот университет не принимали женщин по программе аспирантов-астрономов до 1975 года. Рубин стала лишь второй женщиной, когда-либо награжденной Золотой медалью Королевского астрономического общества. Эта медаль и многие другие ее заслуженные награды стали следствием ее новаторских измерений скорости вращения нашей галактики. Наблюдая звезды и горячий газ все дальше от центра нашей галактики, Рубин определила, что эти области двигались гораздо быстрее, чем должны были бы, если бы гравитационная сила, вызывающая их движение, была обусловлена массой всех наблюдаемых объектов в галактике. Благодаря ее работе, космологам в конечном итоге стало ясно, что единственным способом объяснить это движение было постулировать существование значительно большей массы нашей Галактики, чем можно было объяснить, суммировав массу всего этого горячего газа и звезд.

В этой теории, однако, была одна проблема. Те же расчеты, которые так красиво объясняют наблюдаемое содержание легких элементов (водорода, гелия и лития) во Вселенной, также говорят нам, сколько примерно протонов и нейтронов, вещества обычной материи, должно существовать во Вселенной. Причина в том, что, как и в любом кулинарном рецепте — в данном случае в ядерной готовке — количество вашего конечного продукта зависит от того, сколько каждого ингредиента вы берете. Если вы удвоите рецепт, например, возьмете четыре яйца вместо двух, вы получите больше конечного продукта, в данном случае омлета. Тем не менее, начальная плотность протонов и нейтронов во Вселенной, возникшая в результате Большого Взрыва, как это установлено из наблюдаемого относительного содержания водорода, гелия и лития, обеспечивает примерно вдвое большее количество вещества, чем мы можем видеть в звездах и горячем газе. Где эти частицы?

Легко представить себе способы скрыть протоны и нейтроны (снежки, планеты, космологов… ничто из этого не светится), поэтому многие физики полагали, что в темных объектах находится столько же протонов и нейтронов, как и в видимых объектах. Однако когда мы подсчитываем, сколько должно быть «темной материи», чтобы объяснить движение видимой материи в нашей галактике, мы находим, что отношение всей материи к видимой материи должно быть не 2 к 1, а скорее 10 к 1. Если это не ошибка, то темная материя не может состоять из протонов и нейтронов. Их просто недостаточно.

Когда я был молодым физиком элементарных частиц в начале 1980-х, для меня было очень интересно узнать об этой возможности существования экзотической темной материи. Это предполагает, в буквальном смысле, что преобладающими частицами во Вселенной были не добрые традиционные нейтроны и протоны, а, возможно, какой-то новый вид элементарных частиц, что-то, чего не существует на Земле сегодня, что-то таинственное, текущее среди звезд и молча командующее парадом, который мы называем галактикой.

Что еще более увлекательно, по крайней мере, для меня, это означает три новых направления исследований, которые могли бы пролить новый свет на природу реальности.

1. Если эти частицы были созданы в результате Большого Взрыва, как легкие элементы, которые я описал, то мы можем использовать идеи о силах, управляющих взаимодействием элементарных частиц (вместо взаимодействия ядер, важного при определении относительного содержания элементов), чтобы оценить относительное количество возможных экзотических новых частиц во Вселенной сегодня.

2. Можно было бы вывести общее количество темной материи во Вселенной на основе теоретических представлений в физике элементарных частиц, или можно предложить новые эксперименты, чтобы обнаружить темную материю — то и другое может сказать нам, сколько есть материи всего и, следовательно, какова геометрия нашей Вселенной. Работа физики — не изобретать вещи, которые мы не можем увидеть, чтобы объяснить вещи, которые мы увидеть можем, а выяснить, как увидеть то, что мы не можем видеть, то, что было ранее невидимым, известную неизвестность. Каждая новая кандидатура на элементарную частицу темной материи предполагает новые возможности для экспериментов по прямому обнаружению частиц темной материи, разгуливающих по всей галактике, строя на Земле детекторные устройства, чтобы обнаружить их, когда Земля преграждает путь их движению в космосе. Вместо того, чтобы использовать телескопы для поиска далеких объектов, если частицы темной материи в диффузных сгустках проникают по всей Галактике, они сейчас здесь, и наземные детекторы могут выявить их присутствие.

3. Если бы мы могли определить природу темной материи и ее количество, мы могли бы узнать, каким будет конец Вселенной.

Это последняя возможность кажется самой захватывающей из всех, поэтому я начну с нее. На самом деле, я ввязался в космологию, потому что хотел быть первым человеком, который узнает, как Вселенная прекратит свое существование.

В то время это казалось хорошей идеей.

Когда Эйнштейн разработал свою теорию относительности, в ее основе была возможность, что пространство может искривляться в присутствии материи или энергии. В 1919 году эта теоретическая идея стала больше, чем просто гипотезой, когда две экспедиции наблюдали, как свет звезды изгибается вокруг Солнца во время солнечного затмения, ровно в такой степени, в которой, по предсказаниям Эйнштейна, это должно было произойти, если присутствие Солнца изгибает пространство вокруг себя. Эйнштейн почти мгновенно стал известным и знаменитым. (Большинство людей сегодня думают, что он стал знаменит из-за уравнения E=mc², которое появилось пятнадцатью годами ранее, но это не так.)

Итак, если пространство потенциально искривлено, то геометрия всей нашей Вселенной неожиданно становится гораздо более интересной. В зависимости от общего количества материи в нашей Вселенной, ее геометрия может принадлежать к одному из трех различных типов, так называемому открытому, закрытому или плоскому.

Трудно представить себе, как на самом деле может выглядеть изогнутое трехмерное пространство. Так как мы трехмерные существа, мы так же не можем легко интуитивно представить изогнутое трехмерное пространство, как двумерные существа в знаменитой книге «Флатландия» не могли представить, как их мир будет выглядеть для трехмерного наблюдателя, если этот мир изогнуть в виде поверхности сферы. Более того, если кривизна очень мала, то трудно представить, как можно было бы фактически обнаружить это в повседневной жизни, по крайней мере, так же, как в средние века многие люди считали, что Земля должна быть плоской, потому что с их точки зрения она выглядела плоской.

Изогнутые трехмерные вселенные трудно себе представить — замкнутая Вселенная похожа на трехмерную сферу, что звучит довольно устрашающе — но некоторые аспекты описать легко. Если бы вы посмотрели достаточно далеко в одном направлении в закрытой Вселенной, вы бы увидели свой затылок.

В то время как обсуждать эти экзотические геометрии может показаться забавным или впечатляющим, в рабочем отношении есть гораздо более важное следствие их существования. Общая теория относительности недвусмысленно говорит нам, что закрытая вселенная, энергетическая плотность которой в основном состоит из материи, такой как звезды и галактики, и даже из более экзотической темной материи, должна в один прекрасный день вновь сжаться в процессе, похожем на противоположность Большого Взрыва — Большом Разрыве, если угодно. Открытая вселенная будет продолжать расширяться вечно с конечной скоростью, а плоская вселенная находится как раз на границе, замедлится, но так и не остановится.

Выяснение количества темной материи, и таким образом суммарной плотности масс во Вселенной, поэтому обещает раскрыть ответ на извечный вопрос (по крайней мере, настолько же старый, как Т.С. Элиот): Будет ли конец Вселенной веселым или печальным? Сага определения общего количества темной материи восходит к временам по крайней мере полувековой давности, и можно было написать об этом целую книгу, что я на самом деле уже сделал в моей книге «Квинтэссенция». Тем не менее, в данном случае, как я сейчас продемонстрирую (на словах, а затем на снимке), верно, что один снимок стоит по крайней мере тысячи (или, возможно, сотни тысяч) слов.

Крупнейшие связанные гравитацией объекты во Вселенной называют сверхскоплениями галактик. Такие объекты могут содержать более тысячи отдельных галактик и простираться на десятки миллионов световых лет. Большинство галактик находятся в таких сверхскоплениях, да и наша собственная галактика находится в галактическом сверхскоплении Девы, центр которой расположен почти в 60 миллионах световых лет от нас.

Поскольку сверхскопления настолько велики и настолько массивны, по сути все, что куда-то входит, входит в скопления. Поэтому если бы мы могли бы взвесить сверхскопления галактик, а затем оценить общую плотность таких сверхскоплений во Вселенной, мы могли бы тогда «взвесить Вселенную», включая всю темную материю. Затем, используя уравнения общей теории относительности, мы могли бы определить, достаточно ли материи, чтобы Вселенная была закрытой, или нет.

Пока все хорошо, но как мы можем взвесить объекты, размером в десятки миллионов световых лет? Просто. Используя гравитацию.

В 1936 году Альберт Эйнштейн, по настоянию астронома-любителя Руди Мандла, опубликовал небольшую статью в журнале «Science» под названием «Линзоподобное действие звезды при отклонении света в гравитационном поле». В этой короткой заметке Эйнштейн продемонстрировал замечательный факт, что само пространство может действовать как линза, изгибая свет и увеличивая его, точно как линзы в моих очках для чтения.

Это было доброе, тихое время в 1936 году, и интересно читать неофициальное начало работы Эйнштейна, которая, в конце концов, была опубликована в известном научном журнале: «Некоторое время назад, Р.У. Мандл нанес мне визит и попросил меня опубликовать результаты небольшого расчета, который я сделал по его просьбе. Эта заметка написана согласно его желанию». Возможно, эта неформальность с ним гармонировала, потому что он был Эйнштейн, но я предпочитаю думать, что это был продукт той эпохи, когда научные результаты не всегда излагались на языке, далеком от просторечия.

В любом случае, тот факт, что свет следует по искривленным траекториям, если само пространство искривляется в присутствии материи, был первым значительным новым предвидением общей теории относительности и открытием, которое, как я уже упоминал, привело Эйнштейна к мировой известности. Поэтому, пожалуй, не удивительно (как недавно было обнаружено), что в 1912 году, задолго до того, как Эйнштейн фактически завершил свою общую теорию относительности, он выполнил расчеты — когда пытался найти некоторое наблюдаемое явление, которое бы убедило астрономов проверить его идеи — расчеты, которые были в основном идентичны тем, что он опубликовал в 1936 году по просьбе мистера Мандла. Возможно, поскольку в 1912 году он пришел к такому же выводу, который он изложил в своей работе 1936 года, а именно, что «шансы наблюдать это явление невелики», он никогда не потрудился опубликовать свою раннюю работу. Действительно, после изучения его тетрадей за оба эти периода, мы не можем с уверенностью сказать, что он вообще помнил, что сделал оригинальные расчеты двадцатью четырьмя годами ранее.

Что Эйнштейн признавал в обоих случаях, так это то, что искривление света в гравитационном поле может означать, что, если яркий объект был расположен далеко позади промежуточного распределения масс, лучи света, идущие в различных направлениях, могут огибать промежуточное распределение и сходиться снова, так же, как они делают, когда пересекают обычную линзу, создавая либо увеличение исходного объекта, либо многочисленные копии изображений исходного объекта, некоторые из которых могут быть искажены (см. рисунок ниже).

Когда он рассчитывал предсказываемый эффект для линзирования далекой звезды промежуточными звездами на переднем плане, эффект был настолько мал, что оказался совершенно неизмеримым, и это побудило его сделать замечание, упомянутое выше — что маловероятно, что такое явление когда-нибудь будет наблюдаться. В результате Эйнштейн посчитал, что в его работе было мало практической пользы. Как он тогда выразился в своем сопроводительном письме к редактору «Science»: «Позвольте мне также поблагодарить Вас за сотрудничество в небольшой публикации, которую мистер Мандл из меня выжал. Она не имеет большой ценности, но сделает бедного парня счастливым».

Однако Эйнштейн не был астрономом, а нужно было быть астрономом, чтобы понять, что эффект, предсказанный Эйнштейном, мог быть не только измерен, но и полезен. Его польза была в применении линзирования удаленных объектов гораздо большими системами, такими как галактики или даже скопления галактик, а не в линзировании звезд звездами. Через несколько месяцев после публикации Эйнштейна блестящий астроном из Калифорнийского технологического института, Фриц Цвикки, представил статью в «Physical Review», в которой он продемонстрировал практичность именно этой перспективы (а также косвенно опозорил Эйнштейна тем, что тот не принял во внимание возможный эффект линзирования галактиками, а не звездами).

Цвикки был запальчивой личностью и далеко обогнал свое время. Еще в 1933 году он проанализировал относительное движение скопления галактик в созвездии Волосы Вероники и определил, используя законы движения Ньютона, что галактики двигались так быстро, что должны были разлететься, разрушив скопление, если бы масса скопления не была гораздо больше, более чем в 100 раз, чем если бы ее обеспечивали одни звезды. Таким образом, его по праву можно было бы считать тем, кто обнаружил темную материю, хотя в то время его выводы были настолько удивительны, что большинство астрономов, вероятно, считали, что могут быть некоторые другие, менее экзотические объяснения полученных им результатов.

Одностраничная статья Цвикки в 1937 году была столь же замечательной. Он предложил три различных применения для гравитационного линзирования: (1) проверка общей теории относительности, (2) использование промежуточных галактик в качестве своего рода телескопа, чтобы увеличить более отдаленные объекты, которые иначе были бы невидимыми для телескопов на Земле, и, самое главное, (3) решение тайны, почему скопления, по всей видимости, весят больше, чем может обеспечить видимая материя: «Наблюдения отклонения света вокруг туманностей может дать нам возможность наиболее прямо определять их массы и прояснить вышеупомянутое расхождение».

Работе Цвикки уже семьдесят четыре года, но между тем она читается как современный проект использования гравитационного линзирования для исследования Вселенной. Действительно, все предложенное им свершилось, и последнее его предложение самое примечательное из всех. Гравитационное линзирование далеких квазаров промежуточными галактиками было впервые обнаружено в 1987 году, а в 1998 году, через шестьдесят один год после того, как Цвикки предложил взвешивать туманности, используя гравитационное линзирование, с его помощью определили массу большого скопления.

В том же году физик Тони Тайсон с коллегами из ныне несуществующей Bell Laboratories (с такими титулованными представителями и такими Нобелевскими традициями великой науки, от изобретения транзистора до открытия космического микроволнового фонового излучения) наблюдали удаленное большое скопление, колоритно обозначенное CL 0024 + 1654, расположенное примерно в 5 млрд. световых лет от Земли. На этом красивом изображении с космического телескопа Хаббл можно видеть яркий пример сложного изображения далекой галактики, расположенной еще на 5 миллиардов световых лет позади скопления, как сильно искаженные и удлиненные изображения среди большей частью шарообразных галактик.

Взгляд на эту картинку дает пищу для воображения. Во-первых, каждое пятнышко на этом фото — это галактика, а не звезда. В каждой галактике содержится, возможно, 100 миллиардов звезд, а с ними, вероятно, сотни миллиардов планет, и, возможно, давно исчезнувших цивилизаций. Я говорю давно исчезнувших, потому что изображению 5 миллиардов лет. Свет был излучен на 500 миллионов лет раньше, чем сформировались наше Солнце и Земля. Многие из звезд на фото больше не существуют, исчерпав свое ядерное топливо миллиарды лет назад. Кроме того, искаженные изображения как раз показывают, что то, что утверждал Цвикки, было возможно. Большие искаженные изображения слева от центра — сильно увеличенные (и удлиненные) версии этой далекой галактики, которой в противном случае, вероятно, не было бы видно вообще.

Отмотать пленку назад от этой фотографии, чтобы определить соответствующее распределение масс в скоплении — сложная и запутанная математическая проблема. Чтобы это сделать, Тайсон должен был построить компьютерную модель скопления и проследить лучи от источника через скопление во всех возможных направлениях, используя законы общей теории относительности, чтобы определить закономерные пути, пока они не будут лучше всего соответствовать наблюдениям исследователей. Когда всё утряслось, Тайсон с сотрудниками получили графическое изображение, которое показало, где именно располагалась масса в этой системе, изображенной на исходной фотографии.

Есть кое-что странное в этом изображении. Пики на графике представляют расположение видимых галактик на исходной фотографии, но большая часть массы системы находится между галактиками, распределенная плавным и темным образом. Масса между галактиками в системе фактически более чем в 40 раз превышает массу, содержащуюся в видимой материи (она в 300 раз больше, чем масса, содержащаяся в звездах, вместе с остальной видимой материей в горячем газе вокруг них). Темная материя, очевидно, не ограничивается галактикой, но еще и преобладает в скоплениях галактик.

Физики, занимающиеся элементарными частицами, как я, не были удивлены, обнаружив, что темная материя также доминирует в скоплениях. Несмотря на то, у нас не было ни малейших прямых доказательств, все мы надеялись, что количества темной материи было достаточно, чтобы привести к плоской Вселенной, а это означало, что во Вселенной должно было быть более чем в 100 раз больше темной материи, чем видимой.

Причина была проста: плоская вселенная является единственной математически красивой вселенной. Почему? Сейчас поясню.

Достаточно или нет темной материи для создания плоской вселенной, наблюдения, вроде тех, что получены гравитационным линзированием (напомню, что гравитационное линзирование получается в результате локального искривления пространства вокруг массивных объектов; форма Вселенной определяется глобальной средней кривизной пространства, без учета локальной ряби вокруг массивных объектов) и более поздние наблюдения в других областях астрономии подтвердили, что общее количество темной материи в галактиках и скоплениях намного превышает то, которое учитывается при расчетах нуклеосинтеза Большого Взрыва. Мы сейчас практически уверены, что темная материя — существование которой, я повторяю, было независимо подтверждено в целом ряде различных астрофизических вещей, от галактик до скоплений галактик — должна быть сделана из чего-то совершенно нового, чего-то, чего при нормальных условиях на Земле не существует. Это такой материал, который не является звездным либо земным материалом. Но это кое-что!

Эти ранние заключения о темной материи в нашей Галактике породили целую новую область экспериментальной физики, и я рад сказать, что я сыграл определенную роль в ее развитии. Как я уже упоминал выше, частицы темной материи существуют вокруг нас — в комнате, где я печатаю, так же как и «там», в космосе. Следовательно, мы можем проводить эксперименты по поиску темной материи и нового типа элементарной частицы или частиц, из которых она состоит.

Эксперименты ведутся в шахтах и тоннелях глубоко под землей. Почему под землей? Потому что на поверхности Земли нас регулярно бомбардируют всякие космические лучи, от Солнца и гораздо более дальних объектов. Поскольку темная материя, по самой своей природе, не проявляет электромагнитного взаимодействия, чтобы создавать свет, мы предполагаем, что она взаимодействует с нормальной материей чрезвычайно слабо, так что ее будет чрезвычайно трудно обнаружить. Даже если нас каждый день бомбардируют миллионы частиц темной материи, большинство из них проходит через нас и Землю, даже не «зная», что мы здесь, и не замечая нас. Таким образом, если вы хотите обнаружить проявления очень редких исключений из этого правила, частицы темной материи, которые все-таки отскакивают от атомов вещества, то вам лучше приготовиться регистрировать очень редкие и нечасто случающиеся события. Только под землей вы достаточно защищены от космических лучей, чтобы это было возможно даже в принципе.

Однако пока я это пишу, появляется не менее захватывающая возможность. Как раз сейчас запускают Большой адронный коллайдер поблизости Женевы, Швейцария, крупнейший и самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц. Но у нас есть много оснований считать, что при очень высоких энергиях столкновений протонов в этом устройстве будут воссозданы условия, аналогичные тем, что были в очень ранней Вселенной, хотя лишь в микроскопически малых областях. В таких областях те же взаимодействия, которые в очень ранней Вселенной, возможно, впервые создали то, что в настоящее время является частицами темной материи, сейчас могут создавать подобные частицы в лаборатории! Таким образом, сейчас проходит большая гонка. Кто первым обнаружит частицы темной материи: экспериментаторы глубоко под землей или экспериментаторы на Большом адронном коллайдере? Хорошей новостью является то, что, если одна группа выиграет гонку, никто не проиграет. Мы все выиграем, изучая то, что в действительности представляет собой элементарное вещество материи.

Несмотря на то, что описанные мной астрофизические исследования не раскрыли природу темной материи, они говорят нам, как долго она существует. Окончательный, прямой расчет общего количества материи во Вселенной был выполнен на основе гравитационных измерений линзирования, вроде тех, что я описал, в сочетании с другими наблюдениями рентгеновского излучения из скоплений. Независимые подсчеты общей массы скоплений возможны потому, что температура газа в скоплениях, производящих рентгеновские лучи, связана с общей массой системы, из которой они излучаются. Результаты оказались неожиданными, и, как я уже упоминал, разочаровывающими для многих из нас, ученых. Поскольку, когда все прояснилось, в прямом и переносном смысле, общая масса галактик и скоплений, и вещества вокруг них, была оценена примерно в 30 процентов от общего количества массы, необходимой, чтобы привести к образованию плоской Вселенной сегодня. (Заметьте, что это более чем в 40 раз больше массы, которая могла бы считаться видимой материей, что, следовательно, составляет менее 1 процента от массы, необходимой для образования плоской вселенной.)

Эйнштейн был бы поражен, узнав, что его «небольшая публикация» в конечном счете была далеко не бесполезной. Дополненный новыми замечательными инструментами экспериментов и наблюдений, открывшими нам новые окна в космос, новыми теоретическими разработками, которые бы поразили и восхитили Эйнштейна, и открытием темной материи, которое, наверняка, подняло бы его кровяное давление, маленький шаг Эйнштейна в мир искривленного пространства, в конечном счете, превратился в гигантский скачок. В начале 1990-х годов Святой Грааль космологии, по-видимому, был обретен. Наблюдениями было установлено, что мы живем в открытой Вселенной, которая поэтому будет расширяться вечно. Или нет?