Уже после того, как рабочая группа эксперимента BOOMERanG опубликовала свои результаты, NASA запустило спутник с гораздо более чувствительным детектором для изучения реликтового излучения под названием WMAP[16]. Этот зонд был назван в честь покойного физика из Принстона Дэвида Уилкинсона, который наверняка открыл бы реликтовое излучение, если бы его не опередили ученые из Bell Laboratories. WMAP запустили в июне 2001 г. на расстояние в 1,5 млн км от Земли в направлении от Солнца, откуда можно наблюдать микроволновое небо, не искаженное солнечным излучением. За семь лет зонд с беспрецедентной точностью заснял реликтовое излучение всей небесной сферы, а не просто отдельного участка, как BOOMERanG (поскольку последнему приходилось мириться с присутствием Земли, которая закрывала от него большую часть неба).
Здесь вся небесная сфера спроецирована на плоскость, как поверхность земного шара можно спроецировать на плоскую карту. Плоскость нашей Галактики проходит по экватору, Северный полюс на этой карте – это 90° над плоскостью, а Южный полюс – 90° под плоскостью Галактики. Однако изображение самого Млечного Пути с карты убрано, чтобы она отражала исключительно излучение, исходящее от поверхности последнего рассеяния.
Получив такие полноценные данные, можно сделать гораздо более точную оценку геометрии Вселенной. График по данным WMAP, аналогичный тому, что мы видели в проекте BOOMERanG, с точностью до 1 % подтверждает, что мы живем в плоской Вселенной! Ожидания теоретиков оправдались. Однако мы в очередной раз не можем пренебречь очевидным несоответствием этого результата тому, о чем я писал в предыдущей главе. Если взвесить Вселенную, измерив массу галактик и скоплений, получится в три раза меньше того количества, которое нужно, чтобы получилась плоская Вселенная. Это несоответствие надо чем-то компенсировать.
Пока теоретики хлопали друг друга по спине и поздравляли с верной догадкой о том, что Вселенная плоская, природа подготовила фантастический сюрприз, к которому никто не был готов. Он позволил разобраться с противоречиями в оценках ее геометрии, исходящих из вычисления массы и из непосредственно измеренной кривизны. Как выяснилось, недостающая энергия, необходимая для того, чтобы Вселенная была плоской, прячется буквально у нас под носом.
Глава 4Много шума из ничего
Меньше – значит больше.
Шаг вперед, два шага назад – примерно так продвигались мы по пути к пониманию Вселенной, к тому, чтобы нарисовать ее портрет. Наблюдения наконец позволили сделать окончательный вывод о кривизне нашей Вселенной и тем самым подтвердили давние подозрения теоретиков. Но как-то внезапно оказалось, хотя уже было известно, что во Вселенной в десять раз больше вещества, чем можно насчитать в протонах и нейтронах, тем не менее оказалось большой неожиданностью, что даже столь огромного количества темного вещества – 30 % от необходимого для плоской Вселенной – все равно не хватает, чтобы учесть всю ее энергию. Непосредственное измерение ее геометрии и вытекающее из него открытие, что Вселенная и вправду плоская, означали, что нам все еще не хватает 70 % энергии Вселенной – ее нет ни в галактиках, ни в скоплениях галактик, ни вокруг них!
Впрочем, все было не настолько драматично, как я пытаюсь представить. Еще до этих измерений кривизны Вселенной и до определения общей массы скоплений, о чем мы говорили в главе 2, были признаки, что привычная в тот момент теоретическая картина нашей Вселенной – где темного вещества достаточно, чтобы она была плоской (то есть в три раза больше, чем по нашим нынешним данным), – попросту не соответствует наблюдениям. В далеком 1995 г. мы с коллегой Майклом Тёрнером из Чикагского университета написали еретическую статью, где предположили, что конвенциональная картина Вселенной не может быть верна и что единственный вариант, который может соответствовать и плоской Вселенной (эта теория нам с самого начала нравилась больше всех), и наблюдениям скоплений галактик и их внутренней динамики, выглядит куда более причудливым и восходит к отчаянной теоретической идее, которую высказал Альберт Эйнштейн еще в 1917 г., чтобы разрешить видимое противоречие между предсказаниями своей теории гравитации и стационарной Вселенной, в которой, как он полагал, мы живем, – идее, от которой он впоследствии отказался.
Помнится, основным стимулом для нас в то время было скорее показать, что преобладающие взгляды ошибочны, чем предложить какое-то конкретное решение проблемы. Наше предположение казалось настолько безумным, что мы сами сильнее всех удивились, когда прошло всего три года – и оказалось, что наша еретическая теория верна!
Вернемся в 1917 г. Вспомним, что Эйнштейн разработал ОТО и у него возникло «учащенное сердцебиение» от радости, когда он обнаружил, что сумел объяснить прецессию перигелия Меркурия. Однако ему нужно было что-то сделать с тем фактом, что его теория не могла объяснить модель стационарной Вселенной, которую он тогда полагал верной.
Если бы Эйнштейн был больше убежден в своей правоте, то, вероятно, пришел бы к выводу, что Вселенная не может быть статичной, но он не стал этого делать. Вместо этого Эйнштейн заметил, что можно внести в теорию маленькую поправку, которая бы полностью соответствовала математическим аргументам, натолкнувшим его на разработку ОТО, и при этом, казалось, допускала существование стационарной Вселенной.
Несмотря на сложность конкретных деталей, общая структура уравнений ОТО по Эйнштейну более или менее проста. Левая часть уравнения описывает кривизну Вселенной, а следовательно, и силы гравитации, которые действуют на вещество и излучение. Они определяются величиной в правой части уравнения, которая отражает общую плотность энергии и материи всех типов, какие только существуют во Вселенной.
Эйнштейн обнаружил, что можно добавить в левую часть уравнений небольшое постоянное слагаемое, которое бы представляло очень слабую неизменную отталкивающую силу, действующую по всему пространству в дополнение к привычному гравитационному притяжению между всеми телами, слабеющему с увеличением расстояния. Если эта сила достаточно мала, то ее невозможно зарегистрировать ни на привычных человеку масштабах, ни даже в масштабе Солнечной системы, где, судя по наблюдениям, так прекрасно действует закон всемирного тяготения Ньютона. Однако Эйнштейн рассудил, что если эта постоянная сила действует по всему пространству, то в масштабах галактики она накапливается и, вероятно, способна противостоять силе притяжения между очень далекими телами. Отсюда он заключил, что в результате Вселенная может быть стационарна на самых крупных масштабах.
Эйнштейн назвал это дополнительное слагаемое космологическим членом, но, поскольку это всего лишь постоянная добавка, в наши дни принято называть этот член космологической постоянной.
Когда же Эйнштейн узнал, что Вселенная на самом деле расширяется, то отказался от этого слагаемого и даже, как говорят, назвал решение ввести его в уравнения своим «величайшим заблуждением».
Однако избавиться от космологической постоянной оказалось непросто. Это как пытаться затолкать зубную пасту обратно в тюбик. А все потому, что теперь у нас совершенно иное представление о космологической постоянной, и, если бы Эйнштейн не ввел ее, наверняка за минувшие десятилетия это сделал бы кто-нибудь другой.
Перенести слагаемое Эйнштейна из левой части уравнений в правую – это маленький шаг для математика, но огромный скачок для физика. С математической точки зрения это тривиально, но стоит перенести это слагаемое в правую часть уравнения, где находятся все члены, отвечающие за энергию во Вселенной, и оно с физической точки зрения станет обозначать нечто совсем другое, а именно новую составляющую общей энергии. Но что же может представлять это слагаемое?
Ответ прост: ничто.
Ничто не в смысле «ничего», а именно в смысле «ничто» – в нашем случае это то ничто, которое мы обычно называем пустым пространством. Я имею в виду, что, если взять какой-то объем пространства и очистить его от всего – от пыли, газа, человечков и даже проходящего сквозь него излучения, то есть вообще от всего, и если оставшееся пустое пространство будет тем не менее что-то весить, это и будет соответствовать существованию космологического члена, подобного тому, что изобрел Эйнштейн.
Согласитесь, от этого космологическая постоянная Эйнштейна выглядит еще диковиннее! Ведь любой третьеклашка скажет, сколько энергии содержится в пустом пространстве, где нет ничего, даже если впервые слышит слово «энергия»: нисколько.
Увы, большинство третьеклашек не изучают ни квантовую механику, ни теорию относительности. Ведь стоит применить результаты специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна к квантовой Вселенной, как пустое пространство станет еще причудливее. Настолько, что даже физикам, открывшим и изучавшим его поведение, было очень трудно поверить, что такое и правда может существовать в реальном мире.
Первым, кому удалось применить теорию относительности к квантовой механике, был блестящий и немногословный британский физик-теоретик Поль Дирак, который к тому времени уже сыграл важнейшую роль в разработке квантовой механики как теории.
Квантовую механику разрабатывали с 1912 по 1927 г., в основном трудами другого легендарного гения – датского физика Нильса Бора – и блестящих юных дарований – австрийского физика Эрвина Шрёдингера и немецкого физика Вернера Гейзенберга. Бор первым высказал предположение о существовании квантового мира, а Шрёдингер и Гейзенберг отточили математическую сторону теории. Этот мир отвергает все представления о природе вещей, которые диктует житейский опыт и здравый смысл. Сначала Бор предположил, что электроны в атомах вращаются по орбитам вокруг центрального ядра, как планеты вокруг Солнца, но показал, что наблюдаемые законы атомных спектров (частот излучения, испускаемого разными элементами) можно понять только в том случае, если электроны почему-то могут иметь стабильные орбиты только на определенном наборе «квантовых уровней» и не могут свободно падать по спирали к ядру. Они перемещаются с уровня на уровень, поглощая или испуская лишь дискретные частоты – кванты света, те самые кванты, о которых впервые заговорил в 1905 г. Макс Планк, когда пытался понять, как возникает специфический спектр излучения нагретого тела.