Можно надеяться, что новая физика, связанная с квантовой гравитацией, так или иначе позволит устранить воздействие виртуальных частиц, которые живут меньше так называемого планковского времени. А тогда, если рассмотреть совокупное воздействие только виртуальных частиц с энергиями не выше тех, что допускает такое ограничение по времени, мы получим конечную оценку энергии, которую вносят виртуальные частицы в пустое пространство.
Но тут таится загвоздка. При такой оценке энергия получается примерно в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз больше энергии, связанной со всем веществом во Вселенной, включая темное.
Если расчет энергетических уровней в атомах с учетом виртуальных частиц – самый точный расчет во всей науке, то оценка энергии пространства – на 120 порядков больше, чем энергия всего остального во Вселенной, – несомненно, самая ужасная! Если бы энергия пустого пространства была хоть сколько-нибудь близка к такой величине, то вызываемая ею отталкивающая сила (вспомним, что энергия пустого пространства соответствует космологической постоянной) была бы до того огромна, что могла бы и сегодня разнести Землю, – хуже того, она была бы до того огромна на ранних стадиях существования Вселенной, что все, что мы сегодня видим, было бы в первый же миг после Большого взрыва разнесено в клочки так стремительно, что не возникло бы никаких структур, ни звезд, ни планет, ни людей.
Эта проблема, получившая очевидное название «проблема космологической постоянной», донимала ученых еще в ту пору, когда я учился на старших курсах, а первым ее сформулировал советский космолог Яков Зельдович примерно в 1967 г. Она до сих пор не решена и, возможно, представляет собой самую фундаментальную нерешенную задачу в физике на сегодняшний день.
Мы, физики-теоретики, более 40 лет понятия не имели, как решить эту проблему, зато знали, каким должен быть ответ. Подобно третьеклашке, который, как я уже писал, скорее всего, сказал бы, что энергия пустого пространства должна быть равна нулю, мы тоже считали, что, когда удастся вывести окончательную универсальную теорию, она объяснит, как влияние виртуальных частиц скомпенсируется и получится, что энергия пустого пространства в точности равна нулю. То есть ничему. Точнее, Ничему.
Аргументация у нас была лучше, чем у третьеклашки, по крайней мере мы на это уповали. Нам надо было снизить количество энергии пустого пространства, свести ее с той исполинской величины, которую давали наши наивные оценки, к числу, которое соответствовало бы верхнему пределу, допустимому по данным наблюдений. Для этого нужен был какой-то способ вычесть из очень большого положительного числа другое очень большое положительное число, чтобы взаимно уничтожились 120 разрядов и осталось нечто ненулевое на 121-м месте! Однако в науке еще не было случаев, чтобы два больших числа скомпенсировали друг друга настолько точно, с такой крошечной разностью.
А вот получить ноль обычно просто. Симметрии природы часто позволяют нам доказать, что в уравнение входят в точности равные величины с противоположным знаком, которые сокращаются без остатка – и не остается ничего. Точнее, опять же Ничего.
Поэтому мы, физики-теоретики, жили себе спокойно, не мучаясь от бессонницы. Да, мы пока не знали, как получить ответ, зато были уверены, что знаем, каким он должен быть.
Но у природы было другое мнение.
Глава 5Неудержимая Вселенная
В наши дни задумываться о происхождении жизни – пустая трата времени, все равно что задумываться о происхождении вещества.
Гипотеза, которую мы с Майклом Тёрнером высказали в 1995 г., была сущей ересью. Мы предположили, что Вселенная плоская, исходя, в сущности, из теоретических предубеждений. (Еще раз подчеркну, что «плоская» трехмерная Вселенная является плоской не в том смысле, как двумерный блин, – это то самое трехмерное пространство, которое интуитивно представляем себе все мы: пространство, в котором световые лучи прямые. Это надо противопоставить картине искривленных трехмерных пространств, которые гораздо труднее себе представить и в которых световые лучи, повторяющие фундаментальную кривизну пространства, распространяются не по прямым линиям.) Затем мы отметили, что все доступные на тот момент космологические данные можно совместить с картиной плоской Вселенной при условии, что лишь примерно 30 % общей энергии содержится в особом темном веществе, которое, как, по всей видимости, показывали наблюдения, существует вокруг галактик и их скоплений. Но самое странное даже не это, а то, что оставшиеся 70 % общей энергии содержатся не в веществе в том или ином виде, а в пустом пространстве как таковом.
Наша идея была безумной по любым стандартам. Чтобы значение космологической постоянной соответствовало нашему заявлению, ту оценочную величину, о которой шла речь в конце предыдущей главы, нужно было каким-то образом сократить на 120 порядков, но так, чтобы при этом она не превратилась в ноль. Такой жесткой «тонкой настройке» не подвергали ни одну физическую величину на свете, к тому же никто не имел ни малейшего представления, как это проделать.
Отчасти именно поэтому, когда я пытался рассказать в разных университетах о загадке плоской Вселенной, мне доставались лишь улыбки. Думаю, никто не воспринял нашу гипотезу всерьез, и я даже не уверен насчет нас с Тёрнером. Мы решили эпатировать публику своей статьей с одной-единственной целью – наглядно продемонстрировать то, что беспокоило не только нас, но и нескольких наших коллег-теоретиков во всем мире: что-то было не так с принятой в то время «стандартной» картиной Вселенной, в которой почти вся энергия, необходимая, согласно ОТО, для создания плоской Вселенной, заключена в экзотическом темном веществе (и все это приправлено щепоткой барионов, из которых состоим мы, земляне, а также звезды и видимые галактики).
Один из коллег недавно напомнил мне, что после выхода в свет нашей скромной статьи за два года на нее сослались всего несколько раз, причем все ссылки, за исключением, может быть, одной или двух, были в наших же с Тёрнером публикациях. Научное сообщество в массе своей считало, что Вселенная, конечно, штука сложная, но все же не настолько безумная, как полагали мы с Тёрнером.
Простейший способ разрешить это противоречие состоял в том, что Вселенная не плоская, а открытая (то есть параллельные на сегодняшний день лучи света в ней расходятся, если проследить их траектории назад; это было, конечно, до того, как наблюдения реликтового излучения показали, что так быть не может). Однако и с таким предположением возникали некоторые трудности, и положение дел оставалось далеко не очевидным.
Любой школьник, который уже изучает физику, скажет вам, что гравитация – это очень притягательно, то есть она все притягивает. Правда, как часто бывает в физике и вообще в науке, сейчас мы понимаем, что нам придется расширять мировоззрение, потому что природа изобретательнее нас. Если мы на миг предположим, что притягательная природа гравитации приводит к тому, что расширение Вселенной замедляется, то мы сможем получить верхний предел возраста Вселенной, если принять, что скорость галактики, расположенной на известном расстоянии от нас, была постоянной с момента Большого взрыва. Дело в том, что если Вселенная замедлялась, то эта галактика когда-то удалялась от нас быстрее, чем сейчас, а следовательно, ей потребовалось бы меньше времени, чтобы добраться до нынешнего положения, чем если бы она всегда двигалась с нынешней скоростью. В открытой Вселенной с преобладанием обычного вещества замедление шло бы медленнее, чем в плоской Вселенной, а значит, предполагаемый возраст Вселенной был бы больше, чем в плоской Вселенной с преобладанием обычного вещества, для того же самого известного ныне темпа расширения. Более того, этот возраст оказался бы гораздо ближе к значению, которое мы получаем, считая, что за все космическое время темп расширения был постоянным.
Теперь вспомним, что ненулевая энергия пустого пространства должна породить гравитационное отталкивание, такое же, как и от космологической постоянной, а из этого следует, что расширение Вселенной с течением космического времени ускорялось, то есть раньше галактики расходились медленнее, чем сегодня. А это значит, что до своего нынешнего положения они добирались дольше, чем при постоянном расширении. И в самом деле, для ныне определенной постоянной Хаббла самый большой возраст нашей Вселенной (около 20 млрд лет) можно получить, если не только учесть измеренное количество видимого и темного вещества и допустить существование ненулевой космологической постоянной, но и если мы будем вольны подгонять значение этой постоянной под плотность вещества в сегодняшней Вселенной.
В 1996 г. мы с Брайаном Шабойе и нашими коллегами Пьером Демарком из Йельского университета и постдоком Питером Кернаном из Университета Кейз Вестерн Резерв работали над тем, чтобы определить нижний предел возраста самых старых звезд, и у нас получилось около 12 млрд лет. Для этого мы на мощных компьютерах построили модели эволюции миллионов разных звезд и сопоставили их цвет и яркость с реальными звездами, которые наблюдаются в шаровых скоплениях нашей Галактики, потому что давно считалось, что это одни из самых старых ее объектов. При дополнительном предположении о том, что Галактика формировалась около 1 млрд лет, такой нижний предел окончательно перечеркнул вариант плоской Вселенной, где преобладает вещество, и стал доводом в пользу Вселенной с космологической постоянной (один из факторов, повлиявших на выводы нашей с Тёрнером статьи, опубликованной годом раньше), а открытая Вселенная балансировала где-то на грани возможного.
Однако оцененный нами возраст самых старых звезд опирался на старые наблюдения, сделанные на пределе чувствительности тогдашних приборов, а в 1997 г. были получены новые данные, которые заставили нас пересмотреть наши оценки. Они уменьшились на 2 млрд лет, что