Темная сторона Вселенной

Александр Грудинкин • 27 января 2016
За последние годы мы свыклись с мыслью о том, что видимая материя составляет меньшую часть Вселенной. Какими бы громадными ни казались нам звезды и галактики, они — песчинки, брошенные в океан тьмы. И облик этого океана стал проясняться только теперь.

    Окружающий мир долго казался нам удивительно знакомым. Его слагали камень и металл, воздух и вода. Там, за горизонтом, материальный мир продолжался. В спектрах далеких звезд ученые с умилением обнаруживали все те же химические элементы, что известны нам на Земле. Словно сосуд, наполненный до краев песчинками, космос был наполнен смесью одних и тех же веществ. За видимым разнообразием скрывался конгломерат электронов, нейтронов, протонов и других знакомых частиц. Позднее расчеты космологов показали, что это не так. «Большая часть мироздания состоит из материи не известного нам происхождения — темной материи» — таково было общее мнение. Но и оно было перечеркнуто. Сейчас мы лучше понимаем, из чего состоит космос. 

    Шапка-невидимка для целой Вселенной

    В Балтиморе, в стенах Университета Джона Хопкинса прошла знаменательная конференция. Девиз ее звучал так: «Темная Вселенная: материя, энергия и гравитация». Словно Палата мер и весов заседала здесь! Ученые пересчитывали содержимое Вселенной, вели ее опись, полагаясь на открытия последних лет.

    Для участников форума все мироздание будто составилось из черных и белых шаров. Белые шары — видимые части Вселенной, а именно галактики, звезды, планеты — клали в одну корзину; черные шары — в другую. Эти шары были «непонятно чем» — «белыми пятнами» на карте мироздания. Их становилось все больше. Они уже непрерывно сыпались в корзину, тогда как белые пополняли ее тонкой струйкой. Черных шаров было так много, что они забаллотировали все прежние теории космологов. Под их тяжестью картина мира проваливалась, рушилась в тьму. Разводья темной краски захлестнули мир.

    Можно подобрать и другое сравнение. Море огромное, как космос. Фигурки на волнах. Катера, яхты… Из окна гостиницы ты глядишь в бинокль, открывая одно «морское тело» за другим. Они словно парят в пространстве. Темная материя воды окружает их, удерживает в равновесии. Если упразднить эту непонятную стихию, то и пловцы, и лодки, и корабли вмиг провалятся, упадут на десятки и сотни метров вниз. Космос моря сожмется. Именно такой странно сжавшейся уже давно предстала перед учеными Вселенная, если оставить в ней только зримое: любые небесные тела.

    По последним данным, Вселенная лишь на четыре процента состоит из видимой нам материи — из барионных частиц.

    Все остальное — невидимый и неведомый мир, сказочное «то, не знаю что». Оно не искажает свет и не улавливает потоки частиц, не излучает электромагнитные волны и не отражает их. Безмерная шапка-невидимка накинута на весь окружающий космос, и лишь россыпь звезд, разбросанных вокруг этого таинственного Нечто, выдает его очертания. Мы ощущаем неимоверную тяжесть, исходящую от него. Это Нечто «все важнее для астрономов», заявил американский астрофизик Марио Ливио, руководивший конференцией в Балтиморе.

    Это Нечто разрослось на наших глазах. Первые сомнения в том, что все видимое нами и есть космический мир, зародились, когда ученые измерили скорость вращения спиральных галактик. По законам Кеплера, их центральная часть должна была вращаться быстрее периферийной. Это не подтвердилось. Очевидно, галактики были окружены массивными, но невидимыми скоплениями материи.

    Было время, когда ученые говорили, что «во Вселенной есть невидимое вещество», «немалая часть Вселенной сложена из неизвестной для нас материи», «большая ее часть», «90 процентов»… И вот — последний вывод: 96 процентов! Читатель, подобно автору, живущий в стандартной двухкомнатной квартире, легко поймет астрономов, если представит себе, что все в его обители вдруг растворилось в воздухе, и лишь какой-то клочок, к примеру любимый «обломовский» диван, он еще может разглядеть.

    Мир распался. Теперь его составляли отдельные «чистые сущности» — стихии, не соединяемые друг с другом.

    Новая дружба Нестиды и Зевса

    Современные космологи, подобно античным философам, разделяют мир на несколько разных стихий.

    «Мнения его были таковы. Основ существует четыре — огонь, вода, земля, воздух; а также Дружба, которою они соединяются, и Вражда, которою они разъединяются. Вот его слова:

    Зевс лучезарный, и Аидоней,
    и живящая Гера,
    Также слезами текущая
    в смертных потоках Нестида…,

    где Зевсом он называет огонь, Герой — землю, Аидонеем — воздух и Нестидою — воду. И он говорит…, что такой распорядок вечен».

    Так видел мироздание греческий философ Эмпедокл (ок. 490 — 430 годов до новой эры). Эти стихии неизменны, не создаваемы и не разрушаемы, писал он в своем трактате «О природе» (цитируется по книге Диогена Лаэртского «О жизни, учениях и изречениях знаменитых философов»). Они не могут превращаться одна в другую, а могут лишь механически смешиваться друг с другом.

    То, влекомое Дружеством,
    сходится все воедино,
    То ненавистной Враждой
    вновь гонится врозь друг от друга.

    Море не превращается в пловцов, черные шары — в белые, и незримое не увидеть воочию; оно воистину недоступно зрению. Его открытие навсегда останется «на кончике пера».

    Мир состоит из отдельных стихий. И нет им общей первоосновы! Нам не найти atomos — той неделимой частицы, которая слагает мир зримый и темную материю, поток света и темную энергию. Новая научная картина мира пишется словно по древнему эскизу. В ней, пусть и с поправками, проступают черты, угаданные еще Эмпедоклом. Мир составлен из отдельных стихий, неразрушаемых, но лишь смешиваемых друг с другом.

    Немецкие ученые Вольфганг Пристер и Джеймс Овердуин даже соотнесли учение Эмпедокла с выводами современных космологов.

    • Земля, «живящая Гера» — это барионная материя (около 4 процентов) в самых разных ее проявлениях: от случайных атомов водорода, снующих в космическом пространстве, до сверхплотных нейтронных звезд.
    • Воздух, «Аидоней» — это световое излучение (0,005 процента) и «горячая темная материя» (0,3 процента), состоящая в основном или исключительно из нейтрино.
    • Вода, или «текущая в смертных потоках Нестида» — это и есть пресловутая темная материя (около 30 процентов), давно занимающая умы ученых. Теперь ее называют «холодной темной материей». Очевидно, она состоит из не открытых пока элементарных частиц. Им уже подобраны звучные названия: «аксионы», «нейтралино», WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, «слабо взаимодействующие тяжелые частицы»). «Как океан объемлет шар земной», так видимый мир кругом объят темной материей. 
    • Большая же часть космоса «охвачена Огнем». Здесь царит «Зевс лучезарный». Это — мир «темной энергии» (почти 66 процентов), открытой недавно косвенным путем. Общая масса этого вида материи должна быть невероятно велика, но поскольку темная энергия разлита по всему мирозданию, ее плотность, как показывают расчеты, не превышает четырех электронвольт на кубический миллиметр. Для сравнения: масса покоя одного электрона равна 511 тысяч электронвольт.

    Открытие Огня

    Еще в 1917 году, описывая Вселенную, Альберт Эйнштейн ввел в формулу «космологическую константу» — своего рода «антигравитацию». Она уравновешивала действие гравитационных сил, но ее существование удалось доказать лишь в 1998 году.

    Космологическая константа и получила теперь наименование «темной энергии». Это определение дал ей в 1998 году Майкл Тернер, астрофизик из Чикагского университета. Вселенная в основном наполнена ей. Планеты, звезды, галактики — это редкие корабли и случайные пловцы, затерянные посреди моря «темной энергии». Поправляя Эмпедокла, скажем: в мире царит Зевс сумеречный.

    Открыли эту самую великую и неприметную стихию сразу двумя путями: наблюдая за отдаленными вспышками сверхновых звезд и исследуя космическое фоновое излучение.

    Светимость сверхновых звезд определенного типа всегда одинакова. Лишь по мере удаления от них видимая яркость их ослабевает. Однако далекие сверхновые звезды светят слабее, чем требует теория. Эти наблюдения позволили сделать вывод, что Вселенная расширяется все быстрее, хотя у критиков остались возражения.

    Возможно, нас с этими звездами разделяет неизвестный пока вид космической пыли. Или же миллиарды лет назад их светимость была иной, потому что они содержали меньше тяжелых элементов.

    Окончательно сомнения развеяло открытие американского астронома Адама Рисса и его коллег из Space Telescope Science Institute.

    Исследуя архивные фотоснимки, сделанные Космическим телескопом имени Хаббла, Рисс обнаружил самую отдаленную из известных нам сверхновых звезд: 1997ff. Расстояние до нее — 10 миллиардов световых лет. Ее светимость точь-в-точь такова, как того требует теория «расширяющейся Вселенной», но иная, нежели допускают гипотезы скептиков.

    В ту отдаленную эпоху Вселенная расширялась медленнее, чем теперь. Силы гравитации сдерживали бег видимой материи. «Судя по поведению сверхновой 1997ff, наша Вселенная напоминает обычного автомобилиста: она то тормозит, увидев впереди красный свет, то залихватски мчится, заметив зеленый», — поясняет Рисс. Роль светофора поочередно выполняли гравитация и антигравитация. Около девяти миллиардов лет назад последняя — то бишь темная энергия — победила. С тех пор Вселенная расширяется все быстрее. Впрочем, это исследование не позволило точно определить содержание темной энергии во Вселенной, хотя и стало ясно, что она преобладает над остальными формами материи.

    Параллельно этой работе шли исследования фонового космического излучения. Телескопы «Бумеранг» и «Максима», установленные на аэростатах , доказали, что Вселенная имеет плоскую форму. Телескоп DASI («Degree Angular Scale Interferometer»), размещенный в Антарктиде сотрудниками Чикагского университета и Калифорнийского технологического института, не только подтвердил плоскую форму Вселенной, но и позволил оценить содержание в ней темной энергии.

    Итак, две трети мироздания состоят сейчас из темной энергии. Вселенная словно охвачена огнем. Он медленно разгорался, но теперь пылает вовсю. В его темном пламени крупицами пепла разлетаются звезды и галактики. Они летят все дальше, все дальше, отодвигая границы космоса. Как описать этот незримый «пожар» на языке физических формул? Ведь они придуманы давно, когда Вселенная представлялась теоретикам иной.

    Когда законы физики запрещают пользоваться компьютером

    «Мы живем в странной Вселенной, — заявил Майкл Тернер на конференции в Балтиморе. — Кто ее звал, эту темную энергию?». Она, словно «кость, застрявшая в нашем горле», вторил ему нобелевский лауреат Стивен Уайнберг из Техасского университета. Вина этой непрошеной незнакомки в том, что она не укладывается в традиционные теории физики. Она пришла последней на пир науки. Ее здесь явно не ждали. Все эти теории созданы без нее.

    Конечно, используя основные модели физики, можно найти место для темной энергии, но в одной модели она не уместится и в полцарства, в другой — ей с избытком хватит наперстка. Судите сами.

    Согласно квантовой теории, вакуум никогда не бывает пустым. В нем непрестанно рождаются и исчезают частицы. Многие ученые полагают, что энергия вакуума и есть темная энергия. Приборы позволяют даже заметить ее и измерить. Я уже упомянул, насколько мала ее плотность. С другой стороны, если обратиться к теории элементарных частиц, то плотность вакуумной энергии должна быть в 10120 (десять в сто двадцатой степени!) раз выше, чем наблюдалось. «Никогда прежде за всю историю физики выводы теории и данные наблюдений не разнились так резко» — подчеркивает Стивен Уайнберг.

    В данном случае подводит теория. Если бы она была права и антигравитация в мире, окружающем нас, была так велика, то я ни за что бы не успел дотянуться до клавиши компьютера, собираясь писать эту фразу, ибо за долю секунды, разделившую замысел и исполнение, пространство так стремительно расширилось бы, что я, пожалуй, уже ничего бы не нашел под руками. Да и существовал бы тогда я? Привычный мне мир непременно исчез бы, разлетелся, словно взрываясь и взрываясь каждую секунду.

    Итак, две научные теории, давно подтвердившие свою правоту, теперь, соприкоснувшись с темной энергией, тут же невероятно зашкалили. Как приравнять то, что неощутимее электрона, и то, что мощнее любой стихии? Где истинный портрет нашей незнакомки? Как доктор Лемюэль Гулливер, она чужеродна любой теории, в чье царство попадает, становясь то великаном, то лилипутом. Научный «гардероб» явно не рассчитан на эту запоздавшую гостью. Здесь все скроено и сшито без нее, ей все здесь не по размеру.

    И как получилось, что наша незнакомка «проспала» сотворение мира? Это тоже смущает ученых. В первые миллиарды лет динамику становления Вселенной определяли две стихии: барионная и темная материя. «Почему антигравитационное действие темной энергии проявилось лишь в то время, когда стали возникать галактики?» — задавался вопросом Марио Ливио, выступая в Балтиморе.

    Оба эти вопроса — «Почему так поздно?» и «Где истинный портрет?» — подводят нас к третьему, главнейшему вопросу: «Кто она?». Каково происхождение темной энергии? Миновать эти вопросы нельзя. Ведь невозможно описать фундаментальные свойства времени, пространства, материи и энергии, игнорируя основной компонент Вселенной.

    «Пусть мы не знаем пока, что такое темная энергия, мы убеждены в том, что, изучая ее, поймем, каким образом на ранней стадии Вселенной были взаимосвязаны фундаментальные силы и элементарные частицы, — подчеркивает Майкл Тернер. — Путь к этому пониманию лежит через телескопы, а не через ускорители». Пока же, как показали споры в Балтиморе, физики и астрономы, пытаясь объяснить природу темной энергии, буквально блуждают в потемках.

    То, не знаю, что: отражения отражений

    Мы уже сказали, что в рамках общей теории относительности можно истолковать темную энергию как антигравитацию. В квантовой теории она готова предстать в обличье вакуумной энергии. Возможно, гравитационное действие почти равно антигравитационному, и потому плотность вакуумной энергии равна микроскопической величине.

    Есть и другие объяснения. Американский космолог Александр Виленкин из Tufts University (Медфорд, Массачусетс) предлагает свою гипотезу. Быть может, нет никакой случайности в том, что плотность материи во Вселенной и космологическая константа, то есть темная энергия, — это величины одного порядка. Ведь если бы было иначе, не могли бы возникнуть галактики и где-то в глубине одной из них — по крайней мере, одной из них — не зародилась бы жизнь.

    Эта гипотеза побуждает вспомнить «антропный принцип»: мир устроен так гармонично, и все его части так ладно пригнаны друг к другу, что у этого мира не может не быть Творца. В таком случае Бог проделал поистине ювелирную работу, с необычайной точностью подбирая естественные константы. Стоит незначительно изменить любую из них, и Вселенная может превратиться в непригодную для обитания среду.

    Чтобы избежать подобного объяснения, продолжает Виленкин, можно предположить следующее: космологическая константа в разных частях космоса принимает различные значения. Только в некоторых районах Вселенной — там, где существуют галактики, — эта константа приняла значение, при котором могла зародиться жизнь. Итак, темная энергия неравномерно распределена в пространстве? Если это так, то незачем веровать в «чудесный случай», «Божественный промысел» и «ювелирную точность», породившие наш обжитой мир.

    Есть и другие идеи. Американские физики Пол Стейнхардт, Ричард Колдуэлл и Рауль Дэйв предположили, что за темной энергией скрывается неизвестное пока квантовое поле. Оно пронизывает все пространство. «Оно мало напоминает электрическое или магнитное поле и действует как антигравитационная сила». Стейнхардт и коллеги назвали его «квинтэссенцией», вспомнив пятую основу мироздания, придуманную Аристотелем в дополнение к четырем стихиям Эмпедокла: по Аристотелю, «из нее состоят эфирные тела».

    В гипотезе Стейнхардта, Колдуэлла и Дейва темная энергия ведет себя, почти как в гипотезе Виленкина. Только не в пространстве она неравномерно распределена, а во времени. В момент возникновения Вселенной плотность темной энергии, в самом деле, была в 10120 раз выше, чем теперь. Эта идея примиряет разные научные теории, ведущие спор о «незнакомке в чреде космических стихий». Приняв ее, можно не удивляться: «Почему так поздно?».

    «Пытаясь объяснить, почему в мироздании содержится так много темной энергии, мы вынуждены предположить, что в момент его возникновения квинтэссенция равнялась строго определенной величине, а это попахивает подтасовкой, — рассуждает Стейнхардт. — Другое дело, если она меняется, взаимодействуя с остальной материей. Тогда она естественным образом может достичь своего нынешнего значения».

    Некоторые гипотезы звучат еще радикальнее. Израильский физик М. Мильгром и его нидерландский коллега Б. Сандерс вообще сомневаются в законе всемирного тяготения. Они предложили «модифицированную ньютоновскую динамику», и надо думать, что желающие «подправить старика Ньютона» не переведутся ни на Западе, ни у нас (подробнее об этом — в предыдущей статье).

    Жоао Магуэхо из лондонского Imperial College ради новой любимицы физиков готов поступиться даже старой догмой. Он полагает, что на начальной стадии Вселенной скорость света была в миллиард раз выше, чем теперь. Тогда наблюдения за сверхновыми звездами можно истолковать иначе.

    Наконец, по мнению Гиа Двали из Нью-Йоркского университета, за темной энергией скрываются… недоступные нам размерности пространства. Так темная энергия соединяется с «теорией струны».

    Согласно ей, многие свойства частиц легко объяснимы, если допустить, что мир состоит из… незримо тонких, вибрирующих нитей. От характера колебаний зависит облик частицы — ее масса, заряд, спин. Чтобы истолковать суть элементарных частиц, ученые «спроектировали» одиннадцатимерную Вселенную! Только здесь колебания нитей могут создать в пустоте образы всех известных нам частиц. Всего четыре из одиннадцати измерений явлены нам. Остальные, полагают ученые, «свернуты» так, что на веки вечные ускользнули от наблюдения.

    Гиа Двали развивает эту теорию. Хотя в его изложении она напоминает болтовню уфолога, разве что там «не барражируют НЛО с пришельцами и не пролетают ангелы и привидения», она основана на строгом математическом расчете. Итак, возможно, мы все-таки способны проникнуть в мир, по «теории струны» недоступный нам, и можем даже контактировать с ним. Мы обязаны этим гравитации. Она — единственная сила, которой дано преодолеть границы размерностей и воздействовать на микро-микроскопические миры и наоборот.

    «Быть может, — рассуждает Двали, — таинственная темная материя порождена теми силами гравитации, что проникают в видимый мир из скрытых от нас измерений. Там, в этих недоступных нам мирах, наши звезды и галактики, в свою очередь, кажутся чем-то вроде темной материи». Что же до «расширения Вселенной» и «темной энергии», то, «возможно, сама гравитация дурачит нас, представая в облике антигравитации». Круг замкнулся, соединив реальность с отражением.

    Так, взявшись исследовать открытую недавно темную энергию и начав путешествие там, где о ней еще ничего не знали, мы неожиданно очутились там, где о ней уже ничего не хотят знать. Что ж, остановимся и соберемся с силами для новых странствий по темной стороне Вселенной. В путеводителях недостатка не будет. В ближайшие годы появится еще немало теорий, описывающих природу этого невидимого и неведомого мира, сказочного «того, не знаю, что».