Педро Феррейра Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности

Глава XI Тёмная Вселенная

И в самом деле, как писали Джерри Острайкер и Пол Стейнхардт, данные наблюдений поставили перед учеными нереально сложную задачу: «Как с теоретической точки зрения объяснить отличие космологической постоянной от нуля?». Дальше замалчивать этот некрасивый маленький секрет было невозможно. В 1996 году на конференции в Принстоне Майкл Тернер из Чикагского университета, дискутируя с Ричардом Готтом и Дэвидом Шпергелем в защиту космологической константы, столкнулся со шквалом критики.

Наблюдения говорили в его пользу, но коллеги-космологи все еще воспринимали эту постоянную с неприязнью. Она считалась концептуально невозможной и эстетически непривлекательной. Наверное, даже если бы вместо введения константы он указал на божественное вмешательство, противодействие было бы не столь интенсивным. В конце дискуссии победителем была признана стандартная модель CDM, не содержащая космологической константы. Джим Пиблс зачарованно наблюдал за этим спектаклем. К1996 году космология претерпела преобразования, превзошедшие самые смелые ожидания Пиблса.

Вместе с Яковом Зельдовичем, Джо Силком и несколькими другими учеными он был одиноким пионером, работавшим над теорией крупномасштабной структуры. Он, по сути, разработал приемы, использовавшиеся не только для теоретизирования, но и для анализа наблюдений. Теперь новое поколение теоретиков с пугающим неистовством продвигало вперед его идеи, пока астрономы занимались составлением все более точных карт Вселенной. В новых реалиях Пиблс обнаружил, что оказался в странном положении еретика в области, к созданию которой он приложил руку. Он не одобрял горячность, с которой его коллеги признавали модель CDM, и постоянно выдвигал конкурирующие концепции.

Но как говорил его учитель Боб Дикке, главным козырем являются хорошие данные. Однако как сторонников модели CDM, так и Пиблса ждала неожиданность. В 1992 году Джордж Смут, один из руководителей программы Cosmic Background Explorer (СОВЕ) заявил: «Быть религиозным все равно что смотреть на Бога». Проект СОВЕ представлял собой спутник, предназначенный для регистрации с невиданной доселе точностью реликтового излучения, оставшегося от Большого взрыва, и фиксации изменений его яркости при наблюдении с различных точек.

В своем высказывании Смут имел в виду неуловимую рябь в реликтовом излучении, небольшие нарушения структуры, о которых в течение двадцати пяти лет говорили Пиблс, Силк, Новиков и Сюняев. Ее поиск был долгим и почти бестолковым. Неоднородности долгое время оставались невидимыми, заставляя теоретиков перерабатывать прогнозы, корректируя ожидания. Но в 1992 году спутник СОВЕ при помощи набора детекторов, в основу которых легли идеи Боба Дикке, создал карту реликтового излучения, вызвав всеобщий вздох облегчения. За свою работу над проектом СОВЕ Смут получил Нобелевскую премию.

Открытие СОВЕ было только началом. Снятая им картина неоднородностей реликтового излучения оказалась размытой. Следовало получить резкое изображение ряби, потому что, как показали Пиблс, Новиков и Зельдович, излучение должно было представлять собой богатую палитру горячих и холодных областей, позволяющих понять геометрию пространства. В случае геометрии Евклида размеры областей должны были образовывать на небе угол примерно в 1 градус. А согласно общей теории относительности, измерение геометрии пространства равносильно измерению энергии во всей Вселенной. Требовались более точные эксперименты.

Десятки групп по всему миру занялись разработкой инструментов, способных с большей точностью и фокусировкой измерить реликтовое излучение. Это напоминало толпу неустрашимых исследователей, рвущихся составить карты только что открытого континента. Когда, наконец, на рубеже нового тысячелетия удалось сложить полную картину, группа экспериментаторов объявила, что угловой размер горячих и холодных областей действительно составляет примерно 1 градус, а значит, геометрия пространства является плоской. Именно этот результат предсказывался инфляционной моделью и свидетельствовал в пользу крупномасштабной структуры Вселенной из модели CDM, а также в пользу космологической константы.

Последний фрагмент данных, окончательно нарушивших баланс в пользу космологической константы, был получен не благодаря любовно выстраиваемой Пиблсом теории крупномасштабной структуры, а в результате взрыва сверхновой в далекой Вселенной. Первый намек был брошен в январе 1998 года на ежегодной встрече Американского астрономического общества, когда группа астрономов и физиков с Западного побережья, известная как проект SCP (Supernova Cosmology Project), заявила, что гравитационного притяжения темной материи и атомов недостаточно, чтобы сдержать и замедлить расширение Вселенной. Фактически в рамках проекта SCP было обнаружено, что расширение Вселенной, возможно, ускоряется.

Это означало одно из двух. Либо Вселенная была более пустой, чем казалось раньше, либо раздвигающая пространство космологическая константа все же существует. Проект SCP в некоторой степени повторял действия Хаббла и Хьюмасона в 1920-х: в его рамках измерялось расстояние до удаленных объектов и их красное смещение. Но теперь наблюдатели искали не галактики, а отдельные сверхновые — звезды, взрыв которых сопровождался вспышкой света, яркостью сравнимой с целой галактикой, сжатой в точку. Это позволяло заглянуть на расстояния, которые и не снились Хабблу и Хьюмасону. Хотя по форме работа в рамках проекта SCP повторяла действия Хаббла и Хьюмасона, она больше не была уделом двух одиночек. Все операции выполнялись большими группами, находящимися на трех континентах и использующими как обычные телескопы, так и космический телескоп «Хаббл». Методы измерений усложнялись и совершенствовались в течение более чем десяти лет.

Проект High-Z Supernova Search был копией проекта SCP и дал аналогичные результаты: экспериментальное доказательство ускоряющегося расширения Вселенной; а следовательно, существования космологической константы. Ни одна из команд не могла заставить себя объявить о своих достижениях. В январе 2008 года на собрании Американского астрономического общества в Вашингтоне презентации были крайне осторожными, практически вымученными. Истинный смысл результатов закулисно обсуждался в коридорах, но все-таки попал в газеты. На следующий день после докладов занимающихся сверхновыми групп рецензия в Washington Post гласила: «Кажется, эти открытия вдохнут новую жизнь в теорию, в которой присутствует так называемая космологическая константа».

Несколько недель спустя журнал Science пошел еще дальше, опубликовав статью с заголовком «Взрывающиеся звезды указывают на вселенскую отталкивающую силу». В самой статье лидер проекта SCP Сол Перлмуттер отказался делать столь глобальные выводы, прокомментировав ситуацию просто: «Требуются дополнительные исследования». Всего месяц спустя группа High-Z открыла карты, и тайное наконец стало явным: в полученных данных присутствует лямбда-член. Во Вселенной имеет место недостаток атомов и темной материи, Вселенная заполнена чем-то другим, заставляющим ее ускоряться. Членов группы High-Z по всему миру приглашали на телевидение, чтобы они объяснили широкой публике свои странные непостижимые результаты.

Телеканал CNN анонсировал, что ученые «ошеломлены возможным ускорением Вселенной», руководитель группы High-Z Брайан Шмидт, согласно New York Times, сказал следующие слова: «Я испытал нечто среднее между изумлением и ужасом. Изумление, потому что я не ожидал подобных результатов, и ужас оттого, что большинство астрономов, скорее всего, в них не поверит. Они; как и я сам, крайне скептически настроены по отношению к неожиданностям». Группа SCP быстро поступила аналогичным образом со своими результатами, официально признав наличие лямбда-члена. За свое открытие руководители обеих групп Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисе в 2011 году получили Нобелевскую премию. Неопределенность по поводу компонентного состава Вселенной; ее возраста; геометрии и основных составляющих существовала годы и даже десятилетия.

Выдвигались различные предположения; каждое со своими плюсами и минусами, и космология как наука превратилась в вопрос эстетических предпочтений с приверженцами; выбирающими теории по личному вкусу. А в результате победила самая неприятная из всех теорий. За несколько месяцев новая модель, известная как согласованная модель; или модель «Лямбда-CDM»; укрепила свои позиции. Это был коктейль из атомов, холодной темной материи и космологической константы. Это была Вселенная; на которую в течение десяти лет указывала крупномасштабная структура, но которую практически никто не был готов принять. Даже Пиблс с его нежеланием следовать за толпой был поражен тем; как сложились кусочки мозаики.

И все это случилось благодаря результатам наблюдений; в точности согласно словам его учителя. Пиблсу пришлось признать: «Лучшим объяснением того, что показывают нам экспериментальные данные; является космологическая константа или что-то на нее очень похожее». В 2000 году прекратив преподавать в Принстоне, Джим Пиблс начал много ходить пешком и фотографировать природу. Он получал удовольствие от красоты, а порой и необычности попадавшихся ему птиц; ведь теперь у него было на это время. Отвлекшись от узоров; вычерчиваемых на небе галактиками, и способов их вращения, он пропадал в окружающей красоте рощ и лесов.

Именно наблюдательность и внимание к деталям позволили ему поучаствовать в превращении космологии в точную науку. Еще один аспект общей теории относительности был доработан и получил собственную жизнь. Тихие и настойчивые попытки Пиблса, его «писанина», как он любил выражаться, перенесли проблему изучения крупномасштабной структуры Вселенной в центр физики и астрофизики. Индивидуалист по своей природе, он инициировал движение к странной модели Вселенной, которая стала общепринятой: Вселенной, в которой 96 % энергии находится в некоем темном состоянии, эдакой комбинации темной материи и космологической константы. Если вспомнить, с чего он начинал почти пятьдесят лет назад, это был сюрреалистический поворот событий. Сейчас космологическая константа общепринята.

Фундаментальная проблема никуда не делась: гигантское несоответствие предсказания, сделанного Зельдовичем путем сложения энергии всех виртуальных частиц во Вселенной, и реально наблюдаемого значения. Несоответствие составляет более ста порядков. Однако если в прошлом оно мешало космологам даже думать о возможности введения космологической константы, то теперь они ее признали. Она неизбежно присутствовала в данных. В своем учебнике релятивистской астрофизики, написанном в 1967 году, Яков Зельдович и Игорь Новиков писали: «Согласно легенде, после того как джинна выпустили из бутылки, загнать его обратно можно только с большим трудом».

В этой аналогии есть истина. Теперь, после общего сдвига в сторону согласованной модели, настала пора всерьез взяться за космологическую константу. А может быть, и нет. Следующее усилие в попытке снова избавиться от космологической константы породило новый тип сущности, раздвигающей пространство. Это экзотическое новое поле, частица или вещество вело себя очень похоже на космологическую константу но скоро все начали называть его «темной энергией». Были и до сих пор есть большие надежды на темную энергию и ее возможное применение для связывания успехов наблюдательной космологии с творческим подходом физики частиц и квантовой теории.

Молодые и старые космологи в массовом порядке занялись этой темой; на одной конференции докладчик продемонстрировал слайды с более чем ста различными моделями темной энергии — свидетельство творческих способностей нового поколения космологов. Тем не менее даже введение темной энергии не решает поднятую Зельдовичем проблему — слишком большую, чтобы быть приемлемой, энергию вакуума. Здесь снова возобладало стремление сделать вид, что никакого расхождения не существует. Решение этой проблемы могло бы стать причиной революции в квантовой теории гравитации. Подъем физической космологии в последние сорок лет изменил наш взгляд на пространство-время и Вселенную. Анализируя общую теорию относительности в самом большом масштабе и тщательно изучая крупномасштабные свойства Вселенной, Джим Пиблс и его современники открыли совершенно новое окно в реальность.

Наряду с колоссальными успехами в создании карт галактик и реликтового излучения их работы подарили нам странную Вселенную, полную экзотических объектов, природа которых до сих пор практически не изучена. Это совсем не похоже на космологию 1960-х, «крайне скромную» науку, как называл ее Пиблс, всего с тремя учеными. Современная космология явила собой один из самых больших успехов общей теории относительности Эйнштейна и всей современной науки, поднимая по поводу Вселенной множество вопросов и давая на них ответы.