Мы расширили свои возможности от видимого света до длинноволнового излучения инфракрасного, микроволнового и радиодиапазонов и в другую сторону до коротковолнового рентгеновского и гамма-излучения. И свет – не единственный связной, используемый нами сегодня для исследования космоса. Другие частицы, включая нейтрино, электроны и протоны, тоже рассказывают свои истории об источниках своего происхождения и о перипетиях на своем пути к Земле. Самое последнее достижение астрономии: первая прямая регистрация гравитационных волн, возмущений самой ткани пространства-времени. Эти волны несут информацию о зачастую суровых событиях, что породили их, – таких как слияние черных дыр.
Благодаря комбинации всех этих методов астрономы дерзнули заглянуть в прошлое во времена, когда Вселенной было лишь 300 000 лет от роду, и в дали порядка 10 миллиардов световых лет от нас. Данные коренным образом отличаются от тех, что дает физика в коллайдерах. Но для нас, теоретиков, задача та же: объяснить измерения.
Согласованная космологическая модель
Наше лучшее на сегодняшний день объяснение данных, полученных астрономами, – так называемая согласованная космологическая модель
[42]. В ней используется математика общей теории относительности, согласно которой мы живем в трех пространственных измерениях и одном временно́м, да к тому же это пространство-время искривлено.
Я знаю, трудно представить себе искривленное четырехмерное пространство-время – дело тут не только в вас. К счастью, для многих целей двумерные поверхности служат неплохими аналогиями. Специальная теория относительности обращается с пространством-временем как с плоским листом бумаги. Тогда как в общей теории относительности пространство-время имеет возвышения и впадины.
Продолжим эту аналогию: если у вас есть карта гористой местности без отметок высоты, серпантины на ней будут выглядеть абсурдно. Но если вы знаете, что там горы, то понимаете, почему дороги столь извилисты – при таком ландшафте это наилучшее решение. Вот и то, что мы не видим искривления пространства-времени, сродни обладанию картой без отметок высоты. Если бы вы могли видеть искривления пространства-времени, вы бы поняли, что для планет в высшей степени целесообразно обращаться вокруг Солнца. Это лучшее, что они могут.
Общая теория относительности основывается на тех же симметриях, что и специальная. Разница в том, что в общей теории относительности пространство-время становится податливым: оно откликается на энергию и вещество, искривляясь. В свою очередь, перераспределение энергии и движение вещества зависят от кривизны пространства-времени.
Но кривизна меняется не только от точки к точке, а еще и со временем. Стало быть, самое важное, чему нас научила общая теория относительности, состоит в том, что Вселенная не вечно неизменна, она расширяется в ответ на вещество, и по мере этого расширения вещество становится все более тонко распределенным.
Тот факт, что Вселенная расширяется, означает, что в прошлом вещество было сильно сжато. Значит, ранняя Вселенная была наполнена очень плотным, но почти гомогенным «супом» из частиц. Притом очень горячим, то есть средняя энергия столкновений отдельных частиц была высокой. Возникает проблема: если температура превышает примерно 1017 кельвинов
[43], то средняя энергия столкновений превышает ту, что позволяет исследовать сейчас Большой адронный коллайдер. Для более высоких температур – а значит, для более ранней Вселенной – у нас нет надежных знаний о поведении материи. У нас, конечно, имеются кое-какие предположения, и мы поговорим о некоторых из них в пятой и девятой главах. Но пока давайте сосредоточимся на том, что творится ниже этой температуры, где согласованная космологическая модель в силах объяснить, что же именно происходит.
Общая теория относительности дает нам уравнения, которые связывают расширение Вселенной с видами заключенных в ней энергии и вещества. Таким образом, космологи могут выяснить состав Вселенной, перебирая различные комбинации вещества и энергии и отслеживая, которая из них лучше всего объясняет наблюдения (точнее, космологи предоставляют это компьютеру). Они повторяют процедуру каждый раз, как появляются новые наблюдательные данные. И какие же сюрпризы они обнаружили!
Самое шокирующее открытие состоит в том, что основной источник гравитации во Вселенной в наши дни не имеет ничего общего со всем, с чем мы когда-либо сталкивались. Это неизвестный тип энергии, названный «темной энергией», и он составляет ошеломляющие 68,3 % общего запаса энергии-вещества. Мы не знаем, обладает ли темная энергия микроскопической структурой, знаем только, какой эффект она дает. Темная энергия ускоряет расширение Вселенной. Вот почему нам ее нужно так много – данные свидетельствуют, что скорость расширения Вселенной растет. Однако темная энергия тоже очень тонко распределена, и потому мы не в силах детектировать ее в непосредственной близости от себя. Лишь на огромных расстояниях мы замечаем результирующее влияние, выражающееся в разгоне расширения Вселенной.
Простейший тип темной энергии – космологическая постоянная, лишенная какой-либо подструктуры и неизменная как в пространстве, так и во времени. Космологическая постоянная – это то, что используется в согласованной космологической модели в качестве темной энергии, однако темная энергия может быть и чем-то более сложным.
Оставшиеся 31,7 % наполнения Вселенной – это вещество, правда (еще один сюрприз!), преимущественно не тот вид вещества, что нам привычен. 85 % вещества (26,8 % общего запаса энергии-вещества) называют «темной материей». Единственное, что мы знаем о темной материи, – что она редко вступает во взаимодействие, как с самой собой, так и с другим веществом. В частности, она не взаимодействует со светом, откуда и название. Некоторые суперсимметричные частицы ведут себя так, как подобало бы темной материи, но мы до сих пор не знаем, верно ли это объяснение.
Оставшиеся 15 % вещества во Вселенной (4,9 % общего запаса энергии-вещества) составляют стабильные частицы Стандартной модели – материал, из которого вылеплены мы с вами (рис. 7).
Узнав, какие виды энергии и вещества заполняют Вселенную, мы можем воссоздать прошлое. В ранней Вселенной темной энергии (в форме космологической постоянной) было ничтожно мало по сравнению с веществом. Ведь по мере расширения Вселенной плотность вещества уменьшается, тогда как космологическая постоянная остается неизменной. Стало быть, если того и другого сегодня соизмеримо много (соотношение темной энергии и вещества примерно равно 2:1), значит, в ранней Вселенной плотность вещества должна была значительно превышать плотность энергии, выраженной космологической постоянной.
