Единственной ролью этой постоянной в эйнштейновской модели было противодействовать гравитации. Если тяготение пыталось стянуть всю Вселенную в одну гигантскую массу, космологическая постоянная расталкивала ее в разные стороны.
Но во всем этом заключалась одна трудность.
Никто никогда не наблюдал действия такой силы в природе.
Эйнштейн в некотором смысле сжульничал.
Спустя тринадцать лет после того, как Эйнштейн предложил свою теорию, американский астрофизик Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная неустойчива. Хаббл изучал далекие галактики. Согласно его работам, эти галактики не оставались на одном месте – все они улетали прочь от нас! И больше того: Хаббл убедительно доказал, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется от Млечного Пути.
Другими словами, Вселенная расширяется.
Когда Эйнштейн узнал об этих работах, он был в затруднении. Ему следовало это предсказать самому. Он полностью отказался от своей космологической постоянной, назвав ее «самой большой ошибкой в своей жизни». Но на этом история не закончилась. На протяжении последовавших десятилетий теоретики то и дело пробовали воскресить космологическую постоянную. Они пытались представить себе, как должна выглядеть Вселенная, в которой эта таинственная сила антигравитации все же действует.
И в 1998 году эйнштейновская «величайшая ошибка» в последний раз восстала из небытия.
В начале этого года две конкурирующие группы астрофизиков сделали громкие заявления. Обе группы наблюдали взрывы звезд, называемые вспышками сверхновых. Астрономы знали, как эти взрывы должны происходить, насколько яркими они должны быть и на каком расстоянии от нас эти взрывающиеся звезды должны находиться.
Но сверхновые повели себя иначе.
Они оказались менее яркими, чем ожидалось.
Это можно было объяснить двумя разными способами. Либо эти конкретные сверхновые отличались от всех остальных взрывающихся звезд, которые астрофизики исследовали в прошлом, либо они находились гораздо дальше, чем ученые предсказывали. И если они действительно дальше, чем мы ожидали, значит, что-то не так в нашей модели Вселенной.
Работы Хаббла показали, что Вселенная расширяется, но из наблюдений этих сверхновых получалось, что она расширяется быстрее, чем мы рассчитывали. И не нашлось другого способа объяснить это избыточное расширение, кроме возврата к «ошибке» Эйнштейна – его космологической постоянной. Когда астрофизики сдули с нее пыль и снова вставили в уравнения эйнштейновской общей теории относительности, их наблюдения Вселенной пришли в соответствие с теоретическими предсказаниями.
Да! Очень и очень. Мы так же азартны, как спортсмены или шахматные чемпионы. Вообще-то никому не хочется быть обставленным. Когда Чарльз Дарвин узнал, что другой ученый, Альфред Рассел Уоллес, развивает идеи, похожие на его собственные, он срочно опубликовал то, что стало известным как его эволюционная теория. Он не хотел, чтобы Уоллесу достались лавры первооткрывателя. Это характерно для любой науки, но мне кажется, во Вселенной хватит места всем. Так много еще вокруг неисследованного!
Обе группы астрофизиков, изучавших «неправильные» сверхновые, получили за свою работу Нобелевскую премию. В мире науки это все равно что лавровый венок.
И непонятные сверхновые оказались в точности там, где им и следовало быть.
Так что Эйнштейн в конечном счете оказался прав.
Он был прав, даже когда думал, что ошибался.
Эта взорвавшаяся звезда, Сверхновая 1987A – настоящая знаменитость в астрофизических кругах. Такие звезды помогли нам понять, что Вселенная расширяется.
Открытие «ускоряющихся» сверхновых стало первым прямым указанием на то, что странная новая сила, противостоящая тяготению, действует во всей Вселенной. Космологическая постоянная оказалась реальностью. Она заслуживала лучшего имени, и сегодня мы называем ее темной энергией.
Вселенная как горячее какао: чашка горячего какао со взбитыми сливками, посыпанного корицей. Какао: 68 %, взбитые сливки: 27 %, корица: 5 %.
Самые точные на сегодняшний день измерения показывают, что темная энергия занимает во Вселенной главное место. Вселенная состоит из вещества и энергии. Когда мы суммируем всю массу-энергию Вселенной, получается, что на долю темной энергии сейчас приходится 68 %. Доля темной материи составляет 27 %. Обычное вещество – это всего 5 % Вселенной.
Все обычное вещество, все то, что мы видим, ощущаем, вдыхаем, – всего лишь маленький кусочек космоса.
А что же это за таинственная сила? Этого никто не знает. Ближе всего к ее разгадке идея, что темная энергия создается космическим вакуумом. В главе 4 мы обсуждали не только опасности межгалактического пространства, но и все, что происходит в этой с виду пустой космической среде. Частицы и античастицы внезапно появляются из ничего и уничтожают друг друга. Каждая пара таких частиц создает крохотное направленное вовне давление. Возможно, если сложить воедино все эти исчезающе малые толчки, происходящие по всей Вселенной, и получится достаточно, чтобы объяснить темную энергию.
Эта идея выглядит разумной. К сожалению, когда вы оцените общую величину этого «давления вакуума», результат получится абсурдно огромным – намного превосходящим наши оценки полной величины темной энергии. Не считая моего эксперимента с пелериной Майти Мауса, это будет величайшее несоответствие между теорией и наблюдениями в истории науки. Так что «давление вакуума» не может претендовать на роль темной энергии.
Да, мы в растерянности.
Но все же какие-то выходы из тупика намечаются. Ведь идея темной энергии происходит из одной из лучших моделей Вселенной, которая когда-либо была создана: общей теории относительности Эйнштейна. Темная энергия – это космологическая постоянная. И чем бы в конце концов она ни оказалась, мы уже знаем, как ее измерить. Нам известно, как предсказать ее воздействие на прошлое, настоящее и будущее космоса.
Вы, возможно, заметили, что я употребляю слово «растерянность» уже не в первый раз. Люди часто думают, что ученые агрессивны и всегда уверены в себе. Но на самом деле нам нравится, когда Вселенная загоняет нас в тупик. Мы любим быть в растерянности и недоумении. Это совершенно восхитительно. Это именно то чувство, которое каждый день гонит нас за работу. Если вы ученый, вы должны научиться принимать состояние незнания и радоваться ему. Ведь если вы знаете все ответы, вам не над чем работать и остается просто сидеть дома.
И охота идет. Теперь, когда мы знаем, что темная энергия – это реальность, множество групп астрофизиков вступили в гонку за то, чтобы разгадать ее секрет. Может быть, они добьются успеха. А может быть, нам потребуется альтернатива общей теории относительности. Возможно, существует теория темной энергии, которая еще ждет, когда ее откроет еще не родившийся на свет умник. А может, будущий гений как раз сейчас читает эту книгу.
7Мои любимые элементы
В средней школе я как-то задал моему учителю вопрос, который мне казался очень простым, – вопрос о периодической таблице химических элементов. Вы увидите ее на стене в любом школьном кабинете химии или физики. На первый взгляд ее легко принять за очень запутанную настольную игру. Но это не игра. Периодическая таблица рассказывает нам обо всех 118 элементах – видах атомов во Вселенной.
В общем, я спросил учителя, откуда взялись эти элементы.
Из земной коры, ответил он.
Ясное дело. Конечно, они попали в школьную лабораторию именно оттуда. Но мне этого ответа было недостаточно. Я хотел знать, как эти элементы оказались в земной коре
Да, я был еще тот ребенок[5], и я догадывался, что ответ будет астрономическим. Элементы должны были образоваться в космосе. Но надо ли знать всю историю Вселенной, чтобы ответить на этот вопрос?
Да, надо.
Обычное вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны сбиваются в плотную кучку – ядро. Электроны крутятся по орбитам вокруг ядра. Все вместе и есть то, что мы называем атомом. Элемент – это один или больше атомов одного и того же вида, с одним и тем же количеством частиц. Самый простой элемент – водород. Он состоит из одного протона и одного электрона. Один или несколько водородных атомов вместе – это и есть элемент водород.
Водород является одним из всего трех встречающихся в природе элементов – то есть тех, что мы не получаем в лаборатории или при экспериментах, – которые образовались при Большом взрыве. Все остальные сформировались в раскаленных недрах звезд и при звездных взрывах. Периодическая таблица, этакий путеводитель по элементам – очень важное научное достижение. И все-таки то и дело даже ученый не может не думать о ней как о каком-то зоопарке, состоящем из невероятно странных, причудливых, уникальных животных, как будто выдуманных доктором Зойссом[6]. Их необычным свойствам и проявлениям нет конца.
Вот натрий, ядовитый металл, который можно резать ножом, как масло. А в другом месте таблицы – хлор, зловонный, смертельно опасный газ. Периодическая таблица показывает, что эти два смертоносных элемента могут соединяться в одну молекулу. Сама эта идея кажется кошмаром. Но, соединив их вместе, вы получаете хлористый натрий – обыкновенную столовую соль.
А водород и кислород? Первый – это взрывчатый газ. Второй помогает веществам гореть. Направьте струю кислорода на пламя – оно ярко вспыхнет. Но периодическая таблица снова показывает, что они могут соединяться. И когда вы объединяете водород с кислородом, получается просто вода, которая гасит любой огонь.
Периодическая таблица полна чудес. Какой элемент ни возьми, у каждого есть странные, фантастические свойства. Но, как вы уже, должно быть, поняли, меня больше интересуют звезды. Так что позвольте мне предложить вам экскурсию по периодической таблице с точки зрения астрофизика.