Удивительная связь между термодинамикой и гравитацией, вытекающая из математических свойств горизонта событий черной дыры, послужила для Верлинде основой для его теории эмерджентной (или энтропийной) гравитации. Основываясь на работах Теда Якобсена (который сейчас работает в Мэрилендском университете), Верлинде предложил теорию, в которой уравнения общей теории относительности Эйнштейна – наилучшее из имеющихся описаний гравитации – выводятся из неких внутренних микроскопических свойств пространства-времени точно так же, как сформулированные Людвигом Больцманом в 1880 году законы термодинамики выводятся из статистической механики – микроскопического поведения большого числа частиц.
Другими словами, гравитацию нельзя сравнивать с другими известными силами природы – она не является частью Стандартной модели физики элементарных частиц, а естественным образом возникает на макроскопическом уровне как следствие более фундаментальных свойств пространства-времени подобно тому, как температура газа является макроскопической физической величиной, которая есть отражение свойств и поведения триллионов молекул. «Если вы понимаете статистическую механику, то, значит, понимаете и термодинамику, – говорит Верлинде. – Точно так же, если мы полностью поймем пространство-время, то сможем понять и гравитацию».
И это еще не все. Согласно Бекенштейну и Хокингу, горизонт событий черной дыры – «поверхность», из-за которой к нам не может прийти никакая информация, – имеет определенную соответствующую ее энтропии температуру. Согласно Верлинде, то же самое верно и для космологического горизонта. И точно так же, как температура горизонта событий черной дыры влияет на видимую Вселенную посредством излучения Хокинга, термодинамические свойства космологического горизонта оставляют след в видимой Вселенной в форме темной энергии.
Ну а что же с темной материей? В ней нет необходимости, говорит Верлинде. То, что астрофизики считают гравитационным проявлением темной материи, на самом деле является результатом взаимодействия между этим совершенно новым описанием темной энергии и барионной материей во Вселенной. Интересно, что результаты предварительных расчетов Верлинде неплохо согласуются с результатами специально придуманной теории модифицированной ньютоновской динамики. «Конечно, я не могу все объяснить, – говорит Верлинде, – но это не обязательно свидетельствует о неверности идеи».
Пока что его теория не очень доработана, и у нее немного сторонников. Трудности частично связаны с тем, что она бросает вызов многим устоявшимся в космологии представлениям. Например, Верлинде язвительно замечает, что «вся эта концепция Большого взрыва не очень-то вписывается в мою теорию». Но кто знает, в эпоху кризиса может потребоваться большая перезагрузка, совсем как пандемия ковида потребовала глобальной перестройки экономических систем, общественного устройства и систем здравоохранения.
Я покидал Институт теоретической физики Амстердамского университета на закате. Темнело, и шел дождь. Я был в подавленном настроении: неизвестно было, как долго продлится этот локдаун. И к тому же это мрачным образом напоминало ситуацию с темной материей в космологии. Это все когда-нибудь закончится?
Но спустя пять дней все выглядело уже не таким гнетущим. Британская бабушка стала первым в мире человеком, привитым новой вакциной Pfizer/BioNTech. И я понял, что раз теперь с каждой неделей все больше людей будут прививаться от коронавируса, то значит, из любого кризиса найдется выход и наука готова решать любые задачи.
Как когда-то сказал Роберт Кеннеди, «будущее – не подарок, а достижение».
25. Увидеть невидимое
На восточном фасаде огромного белого здания есть маленькая дверь, а на ней – крохотная табличка «Salle Blanche Euclid». Под ней прикрепил скотчем листок бумаги с написанной от руки просьбой: «Bien fermer la porte – Merci» («Закрывайте плотнее дверь – спасибо»). Внутри здания создается очередной космический телескоп Европейского космического агентства.
От исторической площади Капитолия в шумном центре Тулузы до штаб-квартиры компании Airbus Defence and Space на улице Космонавтов 40 минут общественным транспортом1. Спустя 10 минут руководитель проекта Лорен Бруар провел меня по «чистой комнате», где проводились испытания двух камер – Визуальной камеры (Visual Imager) и Инфракрасного спектрометра и фотометра (NearInfrared Spectrometer and Photometer). Камеры предназначены для реализуемого Европейским космическим агентством проекта «Евклид» – на протяжении шести лет этим высокочувствительным инструментам предстоит произвести съемку трети небесной сферы и получить изображения миллиардов галактик на расстояниях до 10 миллиардов световых лет. Цель проекта состоит в исследовании геометрии Вселенной в попытке достичь лучшего понимания темной энергии и темной материи.
Так художник изобразил космический аппарат «Евклид» Европейского космического агентства. «Евклид», запуск которого запланирован на конец 2022 года, должен исследовать форму и пространственное распределение миллиардов галактик
Стоимость проекта составляет 800 миллионов долларов, а запуск телескопа «Евклид» запланирован на конец 2022 года [27],2. «У нас тут все задерживается на несколько месяцев из-за пандемии ковида», – говорит мне Бруар с сильным французским акцентом. В полной экипировке – совсем как медицинский персонал в отделении интенсивной терапии – мы входим в сверхчистую часть salle blanche («чистой комнаты»), где производится сборка кремниево-карбидного модуля «Евклида». Технический персонал с помощью лазеров и интерферометров проверяет с микронной точностью конфигурацию посеребренных зеркал телескопа, диаметр самого большого из которых составляет 1,2 метра.
«[Сейчас] мы устанавливаем бленду на телескоп, – говорит Бруар. – Вы один из последних, кто в реале смотрит на главное зеркало». Это странное ощущение: вскоре этой сияющей поверхности, отполированной с точностью до 50 нанометров, предстоит на протяжении нескольких лет отражать фотоны, миллиарды лет назад вышедшие из далеких галактик, чтобы астрономы могли построить трехмерную карту распределения темной материи и реконструировать историю расширения Вселенной. Слабое гравитационное линзирование, искривленные изображения галактик, барионные акустические осцилляции, ускоренное расширение пустого пространства – интересно, что обо всем этом подумал бы Евклид Александрийский.
Космический телескоп «Евклид» вобрал в себя опыт, накопленный в ходе реализации наземных проектов вроде уже упомянутых «Обзора красных смещений галактик 2dF» (2dF Galaxy Redshift Survey), «Слоановского цифрового обзора неба» (Sloan Digital Sky Survey), «Килоградусного обзора» (Kilo-Degree Survey), «Обзора темной энергии» (Dark Energy Survey) и обзора Hyper Suprime-Cam. Но благодаря расположению Европейской космической обсерватории в космосе на расстоянии 1,5 миллиона километров позади земной орбиты, если смотреть от Солнца, выполняемые на ней наблюдения будут свободны от влияния атмосферной турбулентности. И к тому же «Евклид» сможет исследовать далекую Вселенную круглосуточно и гораздо эффективнее, чем наземные телескопы.
Вскоре «Евклиду» составит компанию американский аппарат. В середине 2020-х годов предполагается запуск космического телескопа «Нэнси Грейс Роман» – первоначальное название проекта было WFIRST (Wide-Field Infra-Red Space Telescope — «Широкоугольный инфракрасный телескоп»)3. Телескоп назван в честь Нэнси Грейс Роман – первого руководителя отдела астрономии и физики Солнца НАСА и «матери телескопа “Хаббл”». Главное зеркало у него такого же размера, как и главное зеркало знаменитого телескопа «Хаббл» (2,4 метра) при намного большем поле зрения. Новый телескоп с 300-мегапиксельной камерой уступает «Евклиду» по количеству галактик, которые он сможет пронаблюдать, но превосходит его по глубине обзора и диапазону длин волн. Программа наблюдений включает исследование слабого гравитационного линзирования, космического сдвига и барионных акустических осцилляций.
Такого же рода наблюдения станут главной частью программы «Обзор исследования пространства и времени» (Legacy Survey of Space and Time) на 8,4-метровом обзорном телескопе «Симони» в обсерватории имени Веры К. Рубин в Чили (см. главу 6). И для всех этих будущих проектов большим подспорьем будет новый «Спектроскопический инструмент для темной энергии» (Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI), установленный на четырехметровом телескопе имени Мейола в Национальной обсерватории Китт-Пик в Тусоне (штат Аризона). В отличие от многоцветных наблюдений на телескопах «Евклид» и «Нэнси Грейс Роман» и в обсерватории имени Веры Рубин, которые позволят получить грубые фотометрические оценки красных смещений и расстояний до галактик, данные детальных спектроскопических наблюдений DESI позволят определить точные красные смещения и расстояния до десятков миллионов далеких галактик и квазаров на одной третьей части небесной сферы4.
Анализ совокупности данных с разных наземных и космических инструментов позволяет получить трехмерную карту значительной части наблюдаемой Вселенной. Исследование роста барионных акустических осцилляций со временем – структур, запечатленных в распределении массы примерно 380 000 лет после Большого взрыва, – позволяет реконструировать историю расширения Вселенной, которая, в свою очередь, служит источником информации о поведении темной энергии. А изучение слабого гравитационного линзирования и космического сдвига позволяет измерить тонкие особенности искажения видимой формы далеких галактик под действием неоднородностей распределения массы между этими галактики и Землей и, таким образом, исследовать распределение темной материи в пространстве и во времени.