Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Космическая геометрия, форма космоса в самом что ни на есть вселенском масштабе зависит от всего, что существует во Вселенной, и от взаимоотношений между этими объектами или явлениями. За контроль над космосом борются две противоположные тенденции: расширение (за счет того, что в самом начале горячая материя и излучение были сжаты до небольшого объема) и сжатие (за счет действия сил притяжения). Победитель определит судьбу Вселенной: она может либо вечно расширяться, либо, если в ней окажется достаточно материи, начать сокращаться. Большой взрыв вполне может обернуться Большим схлопыванием.

Эти две тенденции определяют геометрию космоса с тех пор, как Эйнштейн показал нам влияние на нее материи. Вселенная с невысокой плотностью материи, в которой силы притяжения недостаточно сильны, будет расширяться вечно и иметь открытую геометрию. Критическое количество энергии в объеме, необходимом для остановки расширения, иногда называют критической плотностью. Она равняется всего 5 атомам водорода на кубический метр пространства. Согласно нашим измерениям, обычная атомная материя составляет лишь 4,8 % от этого количества (то есть 0,2 атома на кубический метр).[62]

Однако, помимо обычной атомной материи, существует другой тип материи, состав которой нам до сих пор неизвестен. Это так называемая темная материя. Почему темная? Потому, что она не излучает свет, то есть не испускает никакого электромагнитного излучения. Мы знаем, что она существует, потому что она заставляет галактики вращаться быстрее. Астрономы также могут измерить то, как темная материя, собираясь вокруг галактик в своеобразную темную вуаль, искажает пространство. Это довольно интересное зрелище. Для того чтобы увидеть его, астрономы обращают внимание на свет, исходящий от очень далеких объектов и проходящий мимо ближайших галактик. Точно так же, как и Солнце, галактики заставляют свет изгибаться. Этот эффект называется гравитационным линзированием, потому что свет при нем искривляется так же, как при попадании в обычную линзу. Если сложить все данные наблюдений и прибавить к ним информацию о реликтовом излучении, окажется, что количество темной материи во Вселенной в шесть раз превышает объем обычной. Соответственно, темная материя добавляет к плотности космоса еще 25,9 % критического значения. Природа темной материи, то есть ее состав, является одной из главных загадок современной космологии и физики частиц. Однако ее мы, вероятно, сможем разгадать, когда у нас появятся более совершенные приборы. Этим она отличается от космического горизонта – предела, за который мы не можем выйти.

Сегодня основными кандидатами на включение в состав темной материи являются частицы, существование которых предсказывают суперсимметричные теории, продолжающие современную физику частиц и вводящие новое понятие природной симметрии. Приставка «супер» в названии суперсимметричных теорий происходит из теории суперструн, которая должна объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. По состоянию на зиму 2014 года доказательств суперсимметрии так и не было обнаружено, несмотря на многолетние исследования и активную поддержку многих физиков. Реализована ли суперсимметрия в Природе, на сегодняшний день неясно (и немного сомнительно).

Еще один способ объяснить существование темной материи – это не вводить новую частицу, а постулировать ошибку в общей теории относительности Эйнштейна. Теория заявляет, что изменения в поведении сил гравитации возникают лишь на огромных галактических расстояниях. Тем не менее и в этом случае у нас не имеется доказательств того, что такое объяснение будет работать и соответствовать астрофизическим наблюдениям. Загадочная природа темной материи – это еще одна яркая иллюстрация того, что существуют важные вопросы (вроде существования неизвестного компонента в материальном составе Вселенной), на которые мы не можем ответить из-за ограниченной точности и дальности наших приборов. Мы знаем, что вокруг галактик что-то скапливается, но не можем понять, что именно.

Если сложить вместе общую массу (и энергию) атомной материи, темной материи и излучения (которое не привносит в это уравнение почти ничего), плотность Вселенной с ее открытой геометрией составит всего 30 % от критической. Но это еще не вся история. Если во Вселенной существует космологическая постоянная или что-то подобное, она заставляет космос растягиваться. Вспомните, что Эйнштейн ввел ее, чтобы сделать свою закрытую Вселенную статичной, а затем отказался от этой идеи, узнав об открытии Хабблом закона расширения космоса. Удивительно, однако данные, полученные двумя группами астрономов независимо друг от друга, указывают на то, что что-то похожее на космологическую постоянную не только существует, но и управляет материей в рамках нашего космического горизонта. Результаты измерений были опубликованы в 1998 году и поразили физическое и астрономическое сообщество. Поначалу никто не хотел им верить, но шло время, а данные проходили проверку за проверкой и выдерживали критику. Мощные новые инструменты снова открыли что-то, о чем мы и не подозревали, показав нам, каким странным местом на самом деле является космос. Все эта ситуация очень похожа на историю с темной материей: мы знаем, что там что-то есть, но не можем понять что.

В 2011 году трое лидеров исследовательских групп получили Нобелевскую премию по физике за открытие темной энергии, загадочного явления, действующего как космологическая постоянная и ответственного не только за растяжение пространства, но и за ускорение этого процесса. Что еще более важно, при подсчете доли темной энергии в общей плотности Вселенной получается почти 70 % критической плотности. Сопоставив различные собранные данные, можно прийти к потрясающему выводу: темная энергия не только весит больше всего остального в космосе, но и доводит плотность до критического значения. Это звучит слишком хитро, чтобы быть правдой. Итак, выходит, что плотность космоса практически достигла критического значения. Текущие измерения показывают соответствие общей плотности Вселенной этому значению с точностью до 0,5 %.

На первый взгляд, космос, в котором значение критической плотности достигнуто абсолютно точно, кажется результатом тонкой божественной настройки. Но если задуматься, вселенные, способные породить жизнь, должны соответствовать строгим критериям: их плотность не должна быть ни слишком низкой, иначе они будут расширяться слишком быстро и материя не успеет сгруппироваться в планеты и галактики, ни слишком высокой, иначе они схлопнутся еще до того, как в них появятся первые звезды. Вселенная, в которой может зародиться жизнь, должна быть достаточно старой, чтобы в ней сменилось несколько поколений звезд и чтобы они сумели произвести достаточно тяжелых химических элементов. Эти условия налагают ограничения на потенциальные значения плотности Вселенной и гипотетической космологической постоянной. Оптимальная для жизни Вселенная должна иметь как раз такое критическое значение плотности материи, как в нашем случае. Физик и писатель Пол Дэвис называет наш космос «Вселенной-Златовлаской». Действительно, считать нашу Вселенную идеально подходящей для жизни очень соблазнительно. Однако у меня имеется несколько другое объяснение этих космических совпадений, к которому я скоро вернусь.