Существование темной материи также представляется необходимым для объяснения структуры первоначальной Вселенной. В отличие от обычной материи, которая сохраняла высокий уровень энергии благодаря своему взаимодействию с электромагнитным полем, темная материя по мере расширения Вселенной остывала гораздо быстрее и поэтому быстрее начала образовывать гравитационные сгустки. Одним из самых серьезных достижений астрофизики за последние годы стало полученное с помощью компьютерного моделирования подтверждение следующей идеи: объяснить реальную Вселенную можно только в том случае, если в ней действительно содержится большое количество темной материи. Без нее не образовалось бы таких сложных космических структур, которые мы наблюдаем сегодня. Проще говоря, без темной материи большинство галактик, а значит, звезд с планетами никогда бы вообще не сформировалось. Это впечатляющее заключение прекрасно подкрепляется данными, которые свидетельствуют о мельчайших колебаниях температуры в далеком космосе, что является следствием воздействия совсем молодой Вселенной на космическую микроволновую фоновую радиацию. Еще в конце 1970-х годов было признано, что эти колебания в космическом микроволновом фоне, хотя и способствовали зарождению сегодняшнего распределения материи во Вселенной, слишком незначительны, чтобы объяснить, как могли образоваться галактики. Дополнительному комкованию, которое для этого необходимо, способствовало наличие темной материи. Когда спутник СОВЕ[29] установил, что эти колебания совпадают с предсказанными результатами, это стало одним из величайших научных прорывов конца XX века. С тех пор дальнейшие космические миссии помогли нарисовать более точную картину расположения таких «морщин» на космическом микроволновом фоне – например, миссия WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – космический аппарат НАСА для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва), организованная НАСА в первом десятилетии этого века, а затем спутник Планка Европейского космического агентства, запущенный в 2009 году.
Хотя у нас осталось мало сомнений в существовании темной материи, мы все еще не знаем, из чего она состоит. Постоянным источником разочарования для астрофизиков является то, что одновременно с данными в пользу существования темной материи нам так и не удалось установить, что она собой представляет. Общее мнение на данный момент таково, что она состоит из тяжелых (в сравнении с элементарными) частиц нового типа, и экспериментальные усилия до сих пор в основном были сосредоточены на создании сложных подземных детекторов, которые способны зафиксировать такие чрезвычайно редкие события, как непосредственное столкновение частицы темной материи с атомом в детекторе. Пока что в результате этих сложнейших и точнейших экспериментов не зарегистрировано никаких новых сигналов.
И все же физики, занимающиеся поиском темной материи, настроены оптимистично. Скорее всего, окажется, говорят они, что холодная темная материя состоит из медленных тяжелых частиц. И нет конца предположениям о том, что это на самом деле за частицы. Им дают такие прекрасные наименования, как аксионы, стерильные нейтрино, WIMP-частицы[30] и GIMP-частицы[31]. Многие уверены, что скоро появятся и соответствующие экспериментальные данные. Однако об этом мы слышим уже давно.
Здесь я должен сказать пару слов о нейтрино, которые некоторые время считались главными кандидатами на роль элементов темной материи. Это трудноуловимые, но многочисленные частицы, существование которых доказано, хотя они имеют ничтожную массу и практически невидимы. Для того чтобы получить хотя бы 50 %-ный шанс их удержать, понадобился бы свинцовый щит толщиной в один световой год. Вполне можно сказать, что они во всех отношениях являются темной материей. Однако они не могут представлять собой ту темную материю, которую мы ищем, потому что, будучи такими легкими, они перемещаются почти со скоростью света – слишком быстро, чтобы оставаться в пределах галактик и отвечать за их аномальные характеристики. Поскольку нейтрино так быстро передвигаются, мы называем их горячей темной материей.
И как будто физикам не хватало нерешенной проблемы темной материи – во Вселенной обнаружилась новая субстанция, которая играет решающую роль в ее развитии.
Темная энергия
В 1998 году, изучая слабый свет, исходящий от сверхновых звезд в далеких галактиках, астрономы использовали эти данные для того, чтобы рассчитать, с какой скоростью эти галактики удаляются от нас в связи с расширением Вселенной. Выяснилось, что они удаляются медленнее, чем можно было бы предположить, исходя из разделяющего нас расстояния. Поскольку свет, который сейчас доходит до нас из этих галактик, они испускали, когда Вселенная была совсем молодой, то замедленная скорость их удаления означает, что в прошлом Вселенная расширялась более медленными темпами. Таким образом, вместо замедляющегося расширения Вселенной, которое должно происходить вследствие кумулятивного гравитационного притяжения всей находящейся в ней материи, что-то заставляет Вселенную расширяться быстрее, чем в прошлом.
Эту таинственную субстанцию с отталкивающим эффектом, противодействующую гравитации и все быстрее раздвигающую пространство, назвали темной энергией. Насколько мы сейчас понимаем, через много миллиардов лет она может привести к так называемой тепловой смерти Вселенной по мере того, как Вселенная будет все быстрее расширяться и одновременно охлаждаться, стремясь к состоянию термодинамического равновесия. Однако, пока мы не поймем истинную природу темной энергии и вообще не узнаем, какова была Вселенная в самом начале своего существования (см. следующий раздел), мы не должны спешить с выводами относительно ее будущего. Это еще совсем не скоро, а до того может случиться что угодно!
Еще несколько лет назад я бы сказал, что о темной энергии мы знаем меньше, чем о темной материи, но теперь ситуация начинает меняться. В эйнштейновских уравнениях общей теории относительности есть некая величина, известная как космологическая константа (обозначается греческой буквой Λ, или «лямбда»). То, что мы называем темной энергией, скорее всего, является энергией самого пустого пространства – того, что называется квантовым вакуумом. Мы уже знаем, что все в конце концов сводится к теории квантовых полей. Самые различные частицы, образующие материю, будь то кварки, электроны, фотоны или бозоны Хиггса, можно рассматривать как локализованное возбуждение этих квантовых полей, подобно волнам на поверхности океана. Но если бы нам пришлось убрать все частицы из некоего объема, это не привело бы к исчезновению поля. В этом случае мы говорим, что наш объем перешел в свое базовое, или вакуумное, состояние, однако все равно виртуальные частицы в этом вакуумном объеме будут все время то появляться, то исчезать, заимствуя для этого энергию из окружающей среды, но тут же отдавая ее по мере своего исчезновения. Так что сказать, что квантовый вакуум пустого пространства обладает нулевой энергией, – это то же самое, что утверждать, что океан в спокойном состоянии не имеет глубины. Эквивалентом воды под поверхностью океана и является эта темная энергия – космологическая константа.
Однако то, что у нас есть математический символ для темной энергии, еще не значит, что мы полностью понимаем ее природу. Результаты астрономических измерений заставляют предположить, что космологическая константа имеет определенное цифровое значение, но, как и для массы бозона Хиггса в Стандартной модели, мы не знаем, почему она имеет это значение. Это застарелая и наболевшая проблема в физике, которую называют проблемой тонкой настройки. На самом деле все еще хуже, чем кажется. Расхождение между расчетной квантовой энергией, полученной исходя из квантовой теории относительности, и квантовой энергией, полученной на основании космологических измерений, настолько значительно, что стало одной из самых позорных и непонятных проблем физики. Расчетное значение на 120 порядков больше, чем наблюдаемое.
Космологическая модель (эквивалент Стандартной модели в физике частиц), которая объединяет все, что мы сейчас знаем о темной материи и темной энергии, называется моделью ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter, Лямбда-модель холодной темной материи). Подобно тому как самые серьезные квантовые теории поля стали основой для не слишком сплоченного союза, представленного Стандартной моделью физики частиц, общая теория относительности лежит в основе космологической модели ΛCDM.
Есть еще один важный элемент модели ΛCDM, который, как утверждает большинство космологов (но, конечно, не все), нужен для объяснения характеристик наблюдаемой нами Вселенной. Он называется космической инфляцией и дает возможный ответ на вечный вопрос: каково происхождение Вселенной, а также содержащейся в ней материи и энергии?
Инфляция и мультивселенные
Как я упоминал в самом начале книги, на заре своей истории мы уже создавали мифы о происхождении Вселенной. Сегодня физика сорвала покров тайны с этого вопроса. Но была ли какая-то причина, вызвавшая Большой взрыв? Существовал ли какой-то фактор, послуживший спусковым крючком для рождения нашей Вселенной?
Самый простой ответ состоит в том, что до Большого взрыва ничего не было, поскольку именно он и отметил рождение пространства и времени. Стивен Хокинг и Джеймс Хартл выдвинули гипотезу об отсутствии границ, согласно которой по мере нашего продвижения назад, в сторону Большого взрыва, время будет терять свой смысл и превращаться во что-то похожее на пространственное измерение. Таким образом, в точке начала Вселенной мы получаем гладкое четырехмерное пространство. Поэтому бессмысленно спрашивать, что произошло до Большого взрыва, точно так же, как бессмысленно спрашивать, какая точка на поверхности Земли лежит южнее Южного полюса.