Динамика галактик с учетом их поразительных форм вдохновила появление новых моделей и новые озарения, но породила также и новую гигантскую загадку: кривые вращения, которые противоречат закону всемирного тяготения Ньютона, разве только (как утверждают космологи) большая часть вещества во Вселенной кардинально отличается от всего, что мы когда-либо наблюдали или создавали в ускорителях частиц. Или, возможно, как начинают подозревать некоторые математики, проблема здесь кроется не в физике, а в непригодности математической модели.
Когда Эйнштейн осуществил революцию в физике и захотел расширить ее на гравитацию, ему на помощь пришел новый тип геометрии: риманова теория многообразий, основанная на гауссовом радикальном подходе к кривизне. Получившаяся в результате общая теория относительности объясняет аномальную прецессию перигелия Меркурия и искривление света Солнцем. Когда эту теорию применили к массивным звездам, странные математические свойства решений привлекли внимание ученых к тому, что мы сейчас называем черными дырами. Вселенная постепенно приобретала поистине странный вид.
Когда общую теорию относительности применили ко Вселенной в целом, результат получился еще более странный. Открытое Хабблом красное смещение галактик, подразумевавшее, что Вселенная расширяется, привело Леметра к теории взрывающегося космического яйца, она же — теория Большого взрыва. Чтобы разобраться в Большом взрыве, требовались новая физика и новая математика, а также новые мощные вычислительные методы. То, что на первый взгляд казалось исчерпывающим ответом, по мере поступления новых данных начало разваливаться на части и потребовало введения трех дополнительных «костылей»: инфляции, темного вещества и темной энергии. Космологи пропагандируют все это как глубокие открытия, что было бы правдой, если бы их теории выдерживали критический анализ; однако у каждого дополнения имеются собственные проблемы и ни для одного из них не получены независимые подтверждения тех далеко идущих допущений, без которых эти дополнения не работают[108].
Физики постоянно дорабатывают свои представления о космосе, и каждое новое открытие поднимает новые вопросы. В июне 2016 года NASA и ЕКА при помощи Космического телескопа имени Хаббла измерили расстояния до звезд в девятнадцати галактиках. Результаты, полученные командой под руководством Адама Рисса, позволили при помощи высокоточных статистических методов пересмотреть постоянную Хаббла и установить ее значение равным 73,2 километра в секунду на мегапарсек. Это означает, что Вселенная расширяется на 5–9 % быстрее, чем считалось ранее. В рамках стандартной космологической модели это значение уже не согласуется с наблюдениями космического микроволнового фона, проводимыми WMAP и аппаратом Planck ЕКА. Этот неожиданный результат может оказаться как новым ключом к природе темного вещества и темной энергии, так и признаком того, что ни первого, ни второго не существует и что наша картина Вселенной нуждается в пересмотре.
Именно так, безусловно, и продвигается вперед настоящая наука. Три шага вперед, два назад. Математикам повезло, они живут в логическом пузыре, где если что-то однажды доказано, то оно уже навсегда останется истиной. Интерпретации и доказательства могут меняться, но теоремы не дорабатываются позднейшими открытиями. Хотя бывает, конечно, что они устаревают или утрачивают связь с нынешними научными интересами. Наука всегда условна и хороша ровно в той степени, в какой хороши текущие данные. В ответ на новые данные ученые оставляют за собой право изменить свое мнение.
Даже когда мы считаем, что понимаем что-то, перед нами нередко возникают неожиданные вопросы. Теоретически всевозможные варианты нашей Вселенной имеют ровно столько же смысла, сколько его имеет сама она. Когда расчеты вроде бы показали, что в большинстве вариантов невозможна была бы не только жизнь, но даже существование атомов, на сцене во всем своем великолепии появилась философская загадка тонкой настройки. Попытки разрешить ее привели к самым впечатляющим, хотя и умозрительным, идеям из всех предложенных когда-либо физиками. Однако все эти идеи не нужны, если проблема, как позволяет предположить внимательный анализ первоначальных рассуждений, высосана из пальца.
Главная идея книги «Математика космоса» — это необходимость в математических рассуждениях, и поразительный успех таковых — в астрономии и космологии. Даже когда я критикую популярные теории, я начинаю с объяснения традиционных взглядов и того, почему многие с ними согласны. Но если имеются, судя по всему, серьезные причины рассмотреть альтернативные варианты (и особенно если эти альтернативы не принимаются всерьез), мне кажется, стоит их представить, даже если они вызывают споры или отвергаются многими космологами. Я не хочу, чтобы вы принимали на веру уверенные заявления о том, что все загадки Вселенной разрешены, тогда как остается еще множество нерешенных вопросов. В то же время я хочу объяснить и традиционные решения тоже: это красивые примеры применения математики; они могут оказаться верными, а если нет, то помогут вымостить дорогу к чему-то более подходящему.
Альтернативы эти часто кажутся радикальными — Большого взрыва не было, темное вещество — химера… Но всего лишь несколько десятилетий назад ни та ни другая теория вообще не имела сторонников. Исследования на дальних рубежах познания всегда сложны, и мы не можем вырастить вселенную в лаборатории, поместить ее под микроскоп, перегнать, чтобы посмотреть, из чего она сделана, или нагрузить максимально, чтобы посмотреть, что сломается первым. Приходится применять логические рассуждения и воображение. А также критический анализ, почему я и уделил больше внимания, чем принято, тем идеям, которые не отражают общепринятого мнения. Они также являются значимой частью научного процесса.
Мы сталкивались с десятками ошибочных теорий, которые не так давно казались совершенно разумными. Земля — центр Вселенной. Планеты сформировались, когда пролетавшая мимо звезда вытянула из Солнца сигарообразную массу. Возле Солнца, внутри орбиты Меркурия, имеется еще одна планета. У Сатурна есть уши. Солнце — единственная звезда, возле которой есть планеты. Наша Галактика покоится в центре Вселенной, окруженная бесконечной пустотой. Галактики распределены равномерно. Вселенная существовала всегда, но в межзвездной пустоте постоянно возникает новое вещество. В свое время эти теории пользовались широкой популярностью и в большинстве своем были основаны на самых современных и достоверных на тот момент данных. Имейте в виду, некоторые из них всегда выглядели немного глупо; у ученых иногда возникают очень странные идеи, подкрепленные скорее стадным инстинктом и квазирелигиозным рвением, нежели реальными данными.
Я не вижу причин, по которым высоко ценимые сегодня теории могли бы рассчитывать на иную судьбу. Может быть, Луна возникла вовсе не при столкновении Земли с телом размером с Марс. Может быть, никакого Большого взрыва не было. Может быть, красное смещение не является доказательством расширения Вселенной. Может быть, черных дыр не существует. Может быть, инфляции никогда не было. Может быть, темное вещество просто ошибка. Может быть, инопланетная жизнь может радикально отличаться от всего, с чем мы когда-либо встречались, а может быть, и от того, что мы в состоянии вообразить.
Может быть.
А может быть, и нет.
Интересно будет это выяснить.
Единицы измерения и термины
Антивещество — вещество, состоящее из античастиц, имеющих те же массы, что обычные частицы, но противоположные заряды.
Астероид — небольшое каменное или ледяное тело, обращающееся вокруг Солнца, в большинстве случаев между орбитами Марса и Юпитера.
Астрономическая единица (а.е.) — расстояние от Солнца до Земли, равное 149 597 871 км.
Большая полуось — половинка длинной оси эллипса.
Большой взрыв — теория о том, что Вселенная родилась из сингулярности около 13,8 миллиарда лет назад.
Время Ляпунова — временной масштаб, на котором динамическая система хаотична. Время, за которое расстояние между ближайшими траекториями должно увеличиться в e раз (~2,718). Иногда e заменяют на 2 или на 10. Связано с горизонтом предсказуемости, за которым прогнозы становятся ненадежными.
Гамма-барстер — источник внезапных гамма-всплесков; считается, что гамма-барстеры могут быть двух типов: образование нейтронной звезды или черной дыры или слияние пары нейтронных звезд.
Гамма-лучи — тип электромагнитного излучения, состоящего из высокоэнергетических фотонов.
Горизонт событий — граница черной дыры, за пределы которой свет выйти не может.
Гравитационная постояннаяG — коэффициент пропорциональности в законе всемирного тяготения Ньютона. Равна 6,674080 × 10↑–11 м3 кг–1 с–2.
Градус (температура). В этой книге используются градусы Цельсия (°С) и кельвины (K). Шкала Цельсия построена от нуля (вода замерзает) до 100° (вода превращается в пар). Температура по Кельвину равна температуре по Цельсию плюс 273,15°, а ноль по Кельвину (–273,15 °C) представляет собой самую низкую возможную температуру, абсолютный ноль.
Градус (углы) — 360° составляют полный круг.
ГэВ (гигаэлектронвольт) — единица энергии, используемая в физике элементарных частиц. Один миллиард электронвольт. См. электронвольт.
Джоуль (Дж) — единица энергии, выделяемая при мощности один ватт на протяжении одной секунды. (Электрический обогреватель, как правило, имеет мощность 1000 Вт.)
Закон всемирного тяготения Ньютона — все тела притягивают друг друга с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Коэффициент пропорциональности называется гравитационной постоянной.