В конце 1970-х гг. теоретическая интерпретация не успевала за эмпирическими открытиями в космологии, но достижение Рубин и Форда оказалось переломным моментом в исследовании темной материи. Понадобилось всего 10 лет, чтобы сформулировать принятую ныне теоретическую модель формирования всех структур во Вселенной под влиянием темной материи. Свидетельства, основанные на многочисленных независимых наблюдениях, утвердили данную стандартную модель интерпретации образования галактик, известную как концепция холодной темной материи{8}. В этой модели темная материя является первичной движущей силой образования всех структур. Сегодня существование темной материи и важная роль, которую она играет в космосе, получили широкое признание. Тем не менее остается несколько небольших пробелов между теоретическими предпосылками и наблюдениями. С учетом сложности данной модели и степени ее разработанности и шлифовки стремление оспорить ее или предложить альтернативный вариант сопровождается невероятными трудностями. Тем не менее предпринимаются смелые попытки сформулировать конкурентоспособные версии — альтернативные представления, которые решали бы потребность в темной материи. Вскоре мы к ним обратимся.
Одно из отличий истории открытий темной материи от истории открытий черных дыр или расширяющейся Вселенной состоит в том, что мы столкнемся здесь с меньшим числом авторитетных ученых, чьи непоколебимые взгляды препятствовали бы признанию данной идеи. Наука и процесс генерации знаний значительно изменились в период с 1933 по 1978 г. — теперь это стало больше походить на совместную деятельность, что привело к расширению поля научных дискуссий. Наука и технологии стали играть более важную роль в обыденной жизни. Мировые события, включая Вторую мировую войну и запуск СССР первого космического аппарата «Спутник-1», стимулировали американскую науку и машиностроение. Военно-промышленный комплекс, созданный для нужд фронта, потребовал крупных государственных инвестиций в науку и технологии, что впоследствии сдвинуло большую часть передовых исследований в США. Конечно, важнейшим фактором, который повлиял на все это, стало переселение талантливых ученых и инженеров из Европы в первой половине XX в., освобождение великих умов, что в некотором смысле можно рассматривать как репарации интеллектуальной войны, которая началась давно и продолжала наращивать темпы. Это также придало новое ускорение научным исследованиям. Важную роль сыграло интеллектуальное руководство предприимчивого астронома Джорджа Эллери Хейла. С начала 1900-х гг. он обеспечил поддержку американских филантропов для установки первоклассного оборудования, телескопов и создания научно-исследовательской базы на Западном побережье{9}. Астрономия была готова воспользоваться таким грандиозным сотрудничеством.
История темной материи неразрывно связана с некоторыми из наиболее прогрессивных умов XX в. в сфере астрономии. Эйнштейн и Хаббл также являются персонажами этой повести, хотя ее главные герои — Цвикки, Рубин и Форд. Снова стоит заметить, что к 1970-м гг. соперничество и конкуренция в космологии приняли совершенно иную форму. По сравнению с прошлыми десятилетиями, когда господа ученые спорили и сражались друг с другом в обитых плюшем залах Королевского общества или Тринити-колледжа в Кембридже, отныне участие в науке приобрело более широкий характер, в частности когда центр притяжения новых открытий постепенно переместился из континентальной Европы и Великобритании в США. На специально организованных собраниях проходили открытые дебаты, космология лишалась прежних границ и становилась глобальной. Началась демократизация астрономии. С интеллектуальной стороны астрономия из сферы, концентрирующейся на выявлении отдельных объектов и явлений, выросла в науку, которая все плотнее занималась вопросами более систематических и точных измерений. В этот момент возрастали запрос и потребность в высокоточных инструментах для проведения и дублирования наблюдений с меньшими погрешностями. Случай темной материи иллюстрирует новую важную роль, которую играло оборудование и наблюдения в стимулировании развития теории для толкования данных. Нежелание принять идею темной материи освещает многие новые измерения в научной практике, которая значительно эволюционировала с начала 1900-х гг.
В сказке «Маленький принц» Лис говорит Принцу: «Самого главного глазами не увидишь»
[14]. Но человеческий интерес и влечение к невидимому появляются задолго до напечатанной в 1942 г. повести Антуана де Сент-Экзюпери. На своей ранней стадии современная наука часто приписывала необъяснимым явлениям невидимые причины. Естествоиспытатели считали невидимые факторы причиной болезней, средой для распространения световых волн и топливом для горения веществ. До разработки концепции о микроорганизмах многие полагали, что болезни вызывает попадание внутрь организма миазмов при вдыхании — в буквальном смысле вредного запаха. Одна из теорий в XVII в. указывала, что вещества способны гореть только при наличии в них огнеподобного элемента — флогистона (бытовало мнение, что предметы, которые могли гореть на воздухе, имеют высокое содержание флогистона) и что горение прекращается, когда воздух уже не способен поглощать данное вещество. Роберт Бойль, которого считают первым современным химиком, был одним из первых, кто заподозрил, что воздух представляет собой не единое вещество, а смесь многих компонентов. В своей работе 1674 г. «Подозрения относительно некоторых скрытых свойств в воздухе» (Suspicions about the Hidden Realities of the Air) он говорит, имея в виду воздух: «Едва ли в мире найдется более неоднородное тело». Его изучение и исследование роли воздуха в процессе горения и окисления в итоге привели к опровержению представления о флогистоне{10}.
Идея невидимых эманаций находила сторонников даже в XIX в. В 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли провели эксперимент, который низложил подобные теории, но до тех пор многие верили, что существует вездесущая среда — эфир, благодаря которому становится возможным распространение световых волн и гравитации. В контексте корпускулярной теории света Ньютона эфир считался средой, которая способствует перемещению световых частиц от источника излучения. Это убеждение основывалось на аналогии со звуком: было известно, что звуковые волны распространяются за счет сдавливания среды (воздуха), в ходе которого сжимались и разжимались частицы воздуха, передающие вибрации, и последние, наконец, достигали наших барабанных перепонок. Наличие среды, таким образом, рассматривалось как необходимое условие распространения и световых волн — отсюда гипотеза об эфире. Если пространство наполнено эфиром, можно заметить и измерить движение Земли сквозь эфир при вращении вокруг Солнца. Майкельсон и Морли провели эксперимент для измерения такого движения. Они использовали инструмент под названием интерферометр, который в некотором роде сталкивает друг с другом два световых луча, один из которых должен проходить через предполагаемый поток эфира, другой — в перпендикулярном ему направлении. Если бы поток существовал, наблюдалось бы заметное несоответствие между отрезками времени, которые потребовались свету для прохождения двух указанных маршрутов, но Майкельсон и Морли его не обнаружили. Эфира не существовало{11}. Это один из самых знаменитых физических экспериментов «с отрицательным результатом», за который была получена Нобелевская премия. Сегодня нам известно, что свет путешествует, как электромагнитное поле: ему не требуется среда для распространения, и быстрее всего он проходит, по сути, в полном вакууме. Тот же принцип интерференционных волн лежит в основе эксперимента LIGO (описанном в предыдущей главе), хотя упомянутые волны представляют собой гравитационные волны — колебания, возникающие в пространстве и времени при слиянии двух черных дыр. В этом случае длина двух траекторий отличалась бы, так как гравитационные волны изменили бы мерную длину в ходе эксперимента.
