Через два года после нашей встречи Сол и его сотрудники, члены международной команды под названием «Космологический проект сверхновых», опубликовали статью, основанную на первых, предварительных данных, которые действительно наводили на мысль, что мы были неправы. (На самом деле, они не утверждали, что мы с Тернером были неправы, так как они, наряду с большинством других наблюдателей, действительно не слишком доверяли нашему предположению.) Их данные свидетельствовали, что график зависимости расстояния от красного смещения изогнут вниз, и таким образом предельный уровень энергии пустого пространства должен был быть значительно ниже, чем было необходимо, чтобы внести существенный вклад в полную энергию сегодня.
Однако, как это часто бывает, первые поступившие данные могли не представлять всех данных — либо вы просто статистически невезучий, либо на данные могли повлиять неожиданные систематические ошибки, которые не проявятся, пока у вас не будет гораздо больше замеров. Так было в случае с данными, опубликованными «Космологическим проектом сверхновых», и поэтому выводы были неправильными.
Другой международный проект по поиску сверхновых, называемый «High-Z Supernova Search Team», во главе с Брайаном Шмидтом из обсерватории Маунт-Стромло в Австралии, выполнял программу с той же целью, и они начали получать другие результаты. Брайан недавно сказал мне, что когда появились их первые серьезные расчеты «High-Z Supernova», предполагающие ускоряющуюся Вселенную со значительной энергией вакуума, им отказали во времени работы с телескопом и сообщили в журнал, что они должны быть неправы, потому что «Космологический проект сверхновых» уже установил, что вселенная в действительности была плоской, и в ней преобладала материя.
Подробную историю конкуренции между этими двумя группами, несомненно, будут повторять много раз, особенно после того, как они разделят Нобелевскую премию, которую они, безусловно, получат. Здесь не место беспокоиться о первенстве. Достаточно сказать, что к началу 1998 года группа Шмидта опубликовала статью, демонстрирующую, что Вселенная, кажется, ускоряется. Примерно шесть месяцев спустя группа Перлмуттера объявила аналогичные результаты и опубликовала статью, подтверждающую результаты «High-Z Supernova», по сути, признавая свои прежние ошибки — и выражая больше доверия Вселенной с преобладанием энергии пустого пространства или, как ее теперь чаще называют, темной энергии.
Скорость, с которой эти результаты были приняты научным сообществом, даже при том, что они требовали полного пересмотра всей принятой картины мироздания, предлагает интересное исследование в научной социологии. Почти всю ночь, казалось, продолжалось всеобщее одобрение результатов, хотя, как подчеркивал Карл Саган: «Экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств». Это было, конечно, экстраординарное заявление, какое только можно представить.
Я был потрясен, когда, в декабре 1998 года журнал «Science» назвал открытие ускоряющейся Вселенной «научным прорывом года», представив замечательную обложку с изображением шокированного Эйнштейна.
Я шокирован не был, потому что считал, что результат был не достоин обложки. Совсем наоборот. По правде говоря, это было одно из самых важных астрономических открытий нашего времени, но эти данные в то время лишь заставляли сильно задуматься. Они требовали такого изменения в нашей картине мира, что я чувствовал, что все мы должны получше убедиться, что другие возможные причины эффектов, наблюдаемых командами, можно окончательно исключить, прежде чем все перейдут на сторону космологической постоянной. Как я говорил, по крайней мере, одному журналисту в то время: «Первый раз, когда я не поверил в космологическую постоянную, был, когда наблюдатели заявили, что ее открыли.»
Моя несколько шутливая реакция может показаться странной, учитывая, что я поддерживал эту возможность в той или иной форме в течение, наверное, десятилетия. Как теоретик, я чувствую, что это хорошая гипотеза, особенно, если она выдвигает новые возможности для эксперимента. Но я полагаю, что был настолько консервативным, насколько это возможно, при рассмотрении реальных данных, вероятно, потому что я достиг научной зрелости в период, когда так много новых и интересных, но умозрительных заявлений в моей собственной области физики элементарных частиц оказалась ложными. Были открытия, от заявленной новой пятой силы в природе и обнаружения новых элементарных частиц до мнимого наблюдения, что наша Вселенная, вращаясь как единое целое, возникает и исчезает с большим шумом.
В то время наибольшее опасение в отношении заявленного открытия ускоряющейся Вселенной вызывало то, что эти отдаленные сверхновые могут казаться более тусклыми, чем ожидалось, не из-за ускоренного расширения, а лишь потому, что либо (а) они более тусклые, либо (б) возможно, какая-то межгалактическая или галактическая пыль, присутствовавшая в ранние времена, частично их перекрывает.
В этом десятилетии, однако же, оказалось, что доказательства ускорения стали подавляющими, почти бесспорными. Во-первых, были измерены многие другие сверхновые в большом красном смещении. В результате, совместный анализ сверхновых, проведенный двумя группами в течение года после первоначальной публикации, дал следующий график:
В качестве ориентира, чтобы помочь вам увидеть, наклоняется ли кривая зависимости расстояния от красного смещения вверх или вниз, наблюдатели нарисовали пунктирную прямую линию в верхней половине графика с левого нижнего в правый верхний угол, которая проходит по данным, представленным близкими сверхновыми. Наклон этой линии указывает нам скорость расширения сегодня. Затем, в нижней части рисунка, они сделали ту же прямую горизонтальной, для ориентира. Если Вселенная замедляется, как ожидалось в 1998 году, далекие сверхновые в красном смещении, близком к единице, окажутся ниже прямой. Но как вы можете видеть, большинство из них попадает выше прямой. Это связано с одной из двух причин:
1. данные неверны, или
2. расширение Вселенной ускоряется.
Если мы примем, на минуту, вторую альтернативу и спросим: «Сколько энергии мы должны заложить в пустое пространство, чтобы получить наблюдаемое ускорение?» — мы получим замечательный ответ. Сплошная кривая, которая наилучшим образом отвечает данным, соответствует плоской Вселенной, с 30 процентами энергии в материи и 70 процентами в пустом пространстве. Примечательно, что именно это необходимо для того, чтобы заставить плоскую Вселенную соответствовать факту, что существует только 30 процентов от необходимой массы внутри и вокруг галактик и их скоплений. Очевидное соответствие было достигнуто.
Тем не менее, поскольку утверждение, что 99 процентов Вселенной невидимо (1 процент видимой материи вкрапляется в море темной материи, окруженное энергией в пустом пространстве), вписывается в категорию экстраординарных утверждений, мы должны серьезно рассмотреть первую из двух возможностей, упомянутых мною выше: а именно, что данные неверны. В этом десятилетии все остальные данные космологии продолжают укреплять общую гармоническую картину вздорной, плоской Вселенной, в которой преобладающая энергия содержится в пустом пространстве, и в которой на все, что мы можем видеть, приходится менее 1 процента полной энергии, с материей, которую мы не можем видеть, состоящей в основном из какого-то еще неизвестного, нового типа элементарных частиц.
Во-первых, новые данные о звездной эволюции были скорректированы, когда новые спутники предоставили нам информацию об относительном содержании элементов в старых звездах. С их помощью мы с коллегой Чебоером смогли в 2005 году однозначно продемонстрировать, что неопределенности в оценках возраста Вселенной при использовании этих данных были теперь достаточно малы, чтобы исключить возраст моложе приблизительно 11 миллиардов лет. Это не согласуется с любой вселенной, в которой само пустое пространство содержит значительное количество энергии. Опять же, поскольку мы не уверены, что эта энергия обусловлена космологической постоянной, она сейчас известна под более простым названием «темной энергии», по аналогии с названием «темной материи», которая преобладает в галактиках.
Эту оценку возраста нашей Вселенной значительно уточнили примерно в 2006 году, когда новые, высокоточные измерения космического микроволнового фона с помощью спутника WMAP позволили наблюдателям точно измерить время, прошедшее с момента Большого Взрыва. Теперь мы знаем возраст Вселенной до четырех значимых цифр. Ей 13,72 миллиарда лет!
Я никогда бы не подумал, что при моей жизни мы получим такую точность. Но теперь, когда мы это знаем, мы можем утверждать, что вселенная с измеренной на сегодня скоростью расширения никоим образом не может быть такой старой без темной энергии, и, в частности, без темной энергии, которая ведет себя фактически так, как вела бы себя энергия, отображаемая космологической постоянной. Другими словами, это энергия, которая, по-видимому, остается неизменной во времени.
Я никогда бы не подумал, что при моей жизни мы получим такую точность. Но теперь, когда мы это знаем, мы можем утверждать, что вселенная с измеренной на сегодня скоростью расширения никоим образом не может быть такой старой без темной энергии, и, в частности, без темной энергии, которая ведет себя фактически так, как вела бы себя энергия, отображаемая космологической постоянной. Другими словами, это энергия, которая, по-видимому, остается неизменной во времени.
В следующем научном прорыве наблюдатели смогли точно определить, как материя, в форме галактик, сгруппировалась вместе в течение космического времени. Результат зависит от скорости расширения Вселенной, поскольку силе притяжения, стягивающей галактики вместе, приходится состязаться с космическим расширением, расталкивающим материю друг от друга. Чем больше значение энергии пустого пространства, тем быстрее она станет господствующей энергией во Вселенной, и тем скорее увеличивающаяся скорость расширения, в конечном счете, остановит гравитационный коллапс материи во все большие размеры.
Поэтому, измеряя гравитационное скучивание, наблюдатели смогли подтвердить, снова же, что только плоская вселенная, то есть которая согласуется с наблюдаемой крупномасштабной структурой, это вселенная с примерно 70 процентами темной энергии и, опять же, что темная энергия ведет себя более или менее схоже с энергией, выраженной космологической постоянной.
Независимо от этих косвенных исследований истории расширения Вселенной, наблюдатели сверхновых всесторонне проверили возможности, которые могли бы вызвать систематические ошибки в их анализе, в том числе возможность увеличения пыли на больших расстояниях, которая заставляет сверхновые выглядят тусклее, и исключали их одну за другой.
Одна из самых важных проверок включала проникновение назад во времени.
Ранее в истории Вселенной, когда то, что сейчас является нашей наблюдаемой областью, было намного меньшего размера, плотность материи была намного больше. Тем не менее, плотность энергии пустого пространства остается одинаковой в течение долгого времени, если она отражает космологическую постоянную — или что-то вроде нее. Таким образом, когда размер Вселенной был бы примерно наполовину меньше нынешнего, плотность энергии материи превышала бы плотность энергии пустого пространства. Все время до этого материя, а не пустое пространство, создавала бы доминирующую гравитационную силу, оказывающую влияние на расширение. В результате, Вселенная замедлялась бы.
В классической механике есть название для точки, в которой система меняет свое ускорение и, в частности, переходит от замедления к ускорению. Она называется «jerk». В 2003 году я организовал конференцию в моем университете, чтобы рассмотреть будущее космологии, и пригласил одного из членов исследовательской группы «High-Z Supernova», Адама Рисса, который сказал мне, что у него есть кое-что интересное, чтобы сообщить на конференции. Он сообщил. На следующий день «Нью-Йорк Таймс», которая делала отчет о конференции, поместила фото Адама, сопровождаемое заголовком «Космический jerk обнаружен». Я сохранил эту фотографию и время от времени обращаюсь к ней ради развлечения.
Детальное картирование истории расширения Вселенной, демонстрирующее, что она перешла из периода замедления к ускорению, добавило существенный вес утверждению, что первоначальные наблюдения, которые подразумевали существование темной энергии, на самом деле были правильными. Принимая во внимание все другие ныне доступные доказательства, очень трудно представить, что, следуя этой картине, в настоящее время мы так или иначе вовлечены в космическую охоту за призраками. Нравится нам это или нет, темная энергия, похоже, укоренилась, или, по крайней мере, остается, пока каким-то образом не изменится.
Происхождение и природа темной энергии, несомненно, самая большая загадка в фундаментальной физике сегодня. У нас нет глубокого понимания того, как она возникла и почему приняла такие значения, как она имеет. Поэтому мы понятия не имеем, почему начало преобладать расширение Вселенной, причем лишь сравнительно недавно, в течение примерно последних 5 млрд лет, и не является ли это полной случайностью. Естественно было бы заподозрить, что ее природа связана с какой-то базовой особенностью происхождения Вселенной. И все признаки позволяют предположить, что она также будет определять будущее Вселенной.
Глава 6: Бесплатный обед на Краю Вселенной
Я полагаю, что одно из двух — это не так уж плохо. Мы, космологи, догадывались (и в конечном итоге это оказалось правдой), что Вселенная плоская, так что мы не были сильно смущены шокирующим фактом, что пустой космос действительно содержит энергию, и к тому же вполне достаточно энергии, чтобы оказывать влияние на расширение Вселенной. Существование этой энергии было невероятно, но еще более невероятен тот факт, что этой энергии недостаточно для того, чтобы сделать Вселенную непригодной для жизни. Ведь если бы энергия космоса соответствовала первоначальным предположениям, которые я описал ранее, коэффициент расширения был бы столь велик, что все, что мы сейчас наблюдаем во Вселенной, мгновенно скрылось бы за горизонтом. Вселенная стала бы холодной и темной гораздо раньше, чем Солнце и наша Земля смогли бы сформироваться.
Из всех причин полагать, что Вселенная была плоской, пожалуй, самая простая для понимания является результатом факта, что было хорошо известно, что Вселенная почти плоская. Даже в прежние годы, до обнаружения темной материи, известное количество видимого вещества внутри и вокруг галактик составляло, возможно, 1 процент от общего количества материи, необходимой, чтобы дать плоскую Вселенную.
Сейчас 1 процент может показаться не так много, но возраст нашей Вселенная очень большой, миллиарды лет. Если предположить, что гравитационные эффекты материи или излучения влияют на прогрессирующее расширение, как мы, физики, всегда думали, то, если Вселенная не абсолютно плоская, по мере расширения она становится все менее и менее плоской.
Если она открытая, скорость расширения растет более быстрыми темпами, чем это было бы для плоской Вселенной, раздвигая материю все дальше и дальше друг от друга по сравнению с тем, что было бы в противном случае, уменьшая суммарную плотность и очень быстро давая бесконечно малую часть плотности, необходимой, чтобы привести к плоской Вселенной.
Если она закрытая, то это быстрее замедляет расширение и, в конечном итоге, приводит к тому, что она вновь сожмется. Все это время плотность сначала уменьшается более медленными темпами, чем для плоской Вселенной, а затем, когда Вселенная коллапсирует обратно, плотность начинает увеличиваться. Опять же, отклонение от плотности, ожидаемой для плоской Вселенной, со временем увеличивается.
Вселенная увеличилась в размерах почти в триллион раз, когда ее возраст был равен 1 секунде. Если бы в это ранний момент плотность Вселенной не была практически точно такой, как ожидается от плоской Вселенной, а составляла бы, скажем, только 10 процентов плотности, необходимой для плоской Вселенной в то время, то сегодня плотность нашей Вселенной отличалась бы от плотности плоской Вселенной, по меньшей мере, в триллион раз. Это гораздо больше, чем всего лишь в 100 раз, отличающие плотность видимого вещества во Вселенной от плотности, которая бы представляла плоскую Вселенную сегодня.
Эта проблема была хорошо известна уже в 1970-е годы, и ее стали называть «проблемой плоскостности». Рассматриваемая геометрия Вселенной подобна воображаемому карандашу, балансирующему вертикально на кончике на столе. Малейший дисбаланс, в ту или другую сторону, и он быстро опрокинется. Так же и для плоской Вселенной. Малейшее отклонение от плоскостности быстро нарастает. Таким образом, как Вселенная может быть почти плоской сегодня, если бы не была абсолютно плоской?
Ответ прост: сегодня она должна быть практически плоской!
Этот ответ на самом деле не настолько прост, потому что он вызывает вопрос: «Как начальные условия сговорились, чтобы получить плоскую Вселенную?»
Есть два ответа на этот второй, более сложный вопрос. Первый восходит к 1981 году, когда молодой физик-теоретик и исследователь-постдок из Стэнфордского университета, Алан Гут, размышлял о проблеме плоскостности и двух других связанных с ней проблемах стандартной картины Большого Взрыва: так называемой проблеме горизонта и проблеме монополя. Нас здесь интересует только первая, так как проблема монополя лишь усугубляет как проблему плоскостности, так и проблему горизонта.