В бытность мою студентом-физиком в Гарварде в конце 1960-х годов я некоторое время лелеял мысль заняться космологией – меня с детства волновал вопрос о происхождении Вселенной. Однако знакомство с этой наукой показало ее постыдную примитивность. Это была вовсе не та экспериментальная наука, где можно проверять гипотезы при помощи точных приборов, а скорее груда неопределенных и в высшей степени недоказательных теорий. Космологи вели жаркие дискуссии о том, возникла Вселенная в результате космического взрыва или же она всегда пребывала в устойчивом состоянии. Но теорий у них всегда было намного больше, чем данных. И так всегда: чем меньше данных, тем жарче споры.
На протяжении всей истории космологии эта нехватка достоверных данных приводила к жестоким войнам между астрономами, затягивавшимся иногда на десятилетия. (В частности, на некоем научном форуме непосредственно перед тем, как Аллан Сэндидж из Обсерватории Маунт-Вилсон должен был выступить с докладом о возрасте Вселенной, предыдущий оратор объявил с сарказмом: «Все, что вы сейчас услышите, – вранье»
{2}. А сам Сэндидж, прослышав о том, что группа ученых-соперников добилась определенного успеха, прорычал: «Это все полная чушь. Война – так война!»
{3})
Возраст Вселенной
Особенно интересовал астрономов вопрос, каков же истинный возраст Вселенной. На протяжении столетий ученые, философы и теологи пытались определить его хотя бы приблизительно, пользуясь единственным доступным им методом – генеалогией человечества со времен Адама и Евы. В прошлом веке геологи использовали радиоактивное излучение, которое наблюдается в скалах, для получения наиболее точных данных о возрасте Земли. В свою очередь, зонд Уилкинсона для измерения анизотропии микроволнового излучения изучил эхо самого Большого взрыва, дав нам наиболее надежные сведения о возрасте Вселенной. Данные зонда Уилкинсона показывают, что Вселенная возникла в результате Большого взрыва, который произошел 13,7 млрд лет тому назад.
(В течение многих лет одним из наиболее скользких моментов, неотступно преследующих космологию, было то, что вычисленный возраст Вселенной часто оказывался меньше возраста отдельных планет и звезд. Причиной тому были ошибки исходных данных. Предыдущие расчеты возраста Вселенной давали ей от 1 до 2 млрд лет, что противоречило принятому возрасту Земли (4–5 млрд лет) и старейших звезд (12 млрд лет). Теперь эти противоречия устранены.)
Данные зонда Уилкинсона стали причиной крутого поворота в споре о том, из чего состоит Вселенная: этим вопросом задавались еще греки более двух тысячелетий тому назад. На протяжении всего XX века считалось, что ответ известен. Проведя тысячи скрупулезных экспериментов, ученые пришли к выводу, что Вселенная в основном состоит примерно из сотни различных элементов, выстроенных в аккуратную периодическую таблицу, начинающуюся с водорода. Эта таблица – основа современной химии, и, фактически, ее изучают в каждой средней школе. Зонд Уилкинсона разрушил эти представления.
Подтверждая ранее проведенные эксперименты, зонд Уилкинсона показал, что вся видимая материя вокруг нас (включая горы, планеты, звезды и галактики) составляет ничтожную часть (4 %
[4]) всей материи и энергии во Вселенной. (Бо́льшую часть этих 4 % составляют водород и гелий, и только где-то около 0,03 % – тяжелые элементы.) Но подавляющая часть Вселенной состоит из загадочного невидимого вещества абсолютно неизвестного происхождения. Известные элементы, из которых состоит наш мир, составляют во Вселенной лишь 0,03 %. В каком-то смысле наука оказалась отброшена на века назад, во времена, когда еще не было атомической гипотезы, поскольку физики споткнулись на факте, что во Вселенной преобладают принципиально новые, неизвестные науке формы материи и энергии.
Согласно данным зонда Уилкинсона, Вселенная на 23 %
[5] состоит из неизвестной, неопределенной субстанции – так называемой темной материи. Она обладает весом и окружает галактики гигантским ореолом, который нам невидим. Темная материя настолько вездесуща и ее так много, что в нашей галактике Млечный Путь она весит в 10 раз больше, чем все звезды вместе взятые. Несмотря на невидимость этой неизвестной материи, ученые, используя метод непрямого наблюдения, смогли ее «увидеть»: темная материя искривляет звездный свет подобно стеклу, и поэтому ее можно обнаружить по степени создаваемого оптического искажения.
По поводу удивительных результатов, полученных со спутника WMAP, астроном из Принстона Джон Бакал заявил: «Мы живем в невероятной, просто сумасшедшей Вселенной, но теперь нам известны ее определяющие характеристики»
{4}.
Однако, наверное, самым большим сюрпризом из данных, полученных спутником WMAP и потрясших все научное сообщество, стал факт, что 73 %
[6] Вселенной, ее большая часть, состоит из абсолютно неизвестной формы энергии, называемой темной, или невидимой, энергией, таящейся в вакуумном пространстве. Введенное самим Эйнштейном в 1917 году, а затем отвергнутое (великий физик назвал его своей величайшей ошибкой) понятие «темная энергия», она же энергия пустоты, пустого космоса, теперь снова выходит на авансцену как движущая сила Вселенной. Ученые считают, что темная энергия создает антигравитационное поле, которое тянет галактики в разные стороны, и конечная судьба Вселенной будет определяться именно темной энергией.
На данный момент никто и представить не может, откуда взялась эта энергия пустоты. «Откровенно говоря, мы этого просто не понимаем. Нам известно ее воздействие, но у нас нет ключа к разгадке… ни у кого нет ни единого ключа»
{5}, – признает Крейг Хоган, астроном из Университета им. Дж. Вашингтона в Сиэтле.
Если взять новейшую теорию субатомных частиц и попытаться вычислить значение этой темной энергии, мы получим число, которое отклоняется от нормы на 10120 (это единица, за которой следуют 120 нулей). Такое расхождение между теорией и экспериментом – величайший за всю историю пробел в науке. Это одно из наших непреодолимых (по крайней мере, в настоящее время) препятствий – даже с помощью лучшей из наших теорий мы не можем вычислить значение величайшего источника энергии во всей Вселенной. Безусловно, целая куча Нобелевских премий ожидает предприимчивых ученых, которые смогут раскрыть тайны темной энергии и темной материи.
Расширение
Астрономы до сих пор пытаются справиться с лавиной данных, принесенных спутником WMAP. По мере того как эта лавина сметает устаревшие концепции Вселенной, в космологии вырисовывается новая картинка. «Мы заложили фундамент единой, непротиворечивой теории космоса»
{6}, – заявляет Чарльз Беннетт, руководитель международной команды, принимавшей участие в обработке и анализе данных со спутника WMAP. В настоящий момент ведущей является инфляционная теория Вселенной, то есть усовершенствованная теория Большого взрыва, впервые предложенная Аланом Гутом из Массачусетского технологического института
[7]. По инфляционной теории, в первую триллионную долю секунды загадочная антигравитационная сила вынудила Вселенную расширяться намного быстрее, чем считалось раньше. Инфляционный период был невообразимо взрывным, при этом Вселенная расширялась со скоростью, намного превышающей скорость света. (Это не противоречит заявлению Эйнштейна, что «ничто» может перемещаться быстрее света
[8], поскольку расширяется пустое пространство. Что же касается материальных объектов, то они не могут перескочить световой барьер.) Итак, за ничтожную долю секунды Вселенная невообразимо расширилась – в 1050 раз.
