На лужайке Эйнштейна. Что такое НИЧТО, и где начинается ВСЕ - Аманда Гефтер

«Я должна продолжать путь в одиночку, – подумала я, – зная, что я делаю это за нас обоих». Я отправила электронное письмо тому, кто отвечает за регистрацию журналистов. «Я пишу о физике, – сообщала я. – Я работаю внештатно с журналом Scientific American». Это было почти правдой, за исключением того, что я использовала настоящее время. Мое интервью с Маркопулу было опубликовано в предыдущем выпуске журнала. Организаторы конференции сразу предоставили мне пресс-пасс, и я забронировала билет в Калифорнию.

Несколько недель спустя, прибыв в Дейвис, я наслаждалась, после промозглого Бруклина, теплым калифорнийским воздухом. Каждое утро я проходила пешком несколько кварталов от моего отеля до университетского кампуса ради восьми часов лекций по физике, перемежающихся кофе-брейками и обедом. Я яростно строчила в своем блокноте, стараясь поспеть за докладчиками, выступавшими со сцены, пытаясь продраться сквозь слои научного жаргона и понять, о чем, черт возьми, все они говорили. Получалось это у меня не очень хорошо. В мире, к которому я не принадлежу и языком которого не владею, я так и не почувствовала себя как дома.

Не сказать, чтобы я совсем выпадала из этого общества. Мой пол, возраст и сомнительный род занятий, конечно, давали о себе знать. Но я сделала все от меня зависящее, чтобы слиться с окружением. Я прикрыла мои татуировки рубашкой с длинными рукавами. Я носила мокасины. Я пыталась не привлекать особого внимания.

Большинство докладов были посвящены тому, что́ данные WMAP означают для нашего понимания Вселенной. Для начала они позволили более точно определить возраст Вселенной, который составил 13,7 млрд лет. Далее они предоставили уникальную возможность определиться с геометрией Вселенной.

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 %.