Таким образом, измерив формирование скоплений под действием гравитации, наблюдатели смогли еще раз подтвердить, что наблюдаемой крупномасштабной структуре соответствует лишь одна плоская Вселенная – та, в которой примерно 70 % темной энергии, причем эта темная энергия ведет себя более или менее как энергия, описываемая космологической постоянной.
Независимо от этих косвенных исследований истории расширения Вселенной, исследователи сверхновых искали всевозможные причины систематических ошибок в своем анализе и исключали эти причины одну за другой. В частности, они исследовали возможность того, что на дальних расстояниях скапливается больше пыли и от этого сверхновые кажутся тусклее.
Очень важно было отдельно проверить, что происходило в самом далеком прошлом.
Давным-давно в истории Вселенной та ее часть, которую мы наблюдаем сейчас, была меньшего размера, а плотность вещества в ней была гораздо выше. Однако плотность энергии пустого пространства со временем не меняется, если эта энергия соответствует космологической постоянной или чему-то вроде того. Раз так, то, когда Вселенная была в два с лишним раза меньше, чем сейчас, плотность энергии вещества превосходила плотность энергии пустого пространства. Во все предшествующие эпохи именно вещество, а не пустое пространство определяло преобладающую гравитационную силу, которая управляла расширением. Следовательно, расширение Вселенной должно было замедляться.
В классической механике есть слово, которое обозначает точку, в которой система меняет величину ускорения и, в частности, переходит от замедления к ускорению. Это слово – «рывок», по-английски jerk. А еще слово jerk означает «псих» или «болван». В 2003 г. я организовал у себя в университете конференцию, чтобы обсудить будущее космологии, и пригласил Адама Рисса, участника проекта High-Z Supernova, который сказал мне, что припас интересный доклад. Так и оказалось. Назавтра The New York Times, освещавшая конференцию, опубликовала портрет Адама под заголовком «Обнаружен космический рывок» (Cosmic Jerk Discovered), что можно было понять и как «Обнаружен космический псих». Я сохранил вырезку из газеты и время от времени достаю ее, чтобы посмеяться.
Детальная схема истории расширения Вселенной, которая показывала, что после периода замедления она вступила в период ускорения, стала существенным доводом в пользу того, что первоначальные наблюдения, показавшие существование темной энергии, были на самом деле верны. Благодаря собранным с тех пор данным теперь очень трудно представить себе, что, следуя этой картине, мы оказываемся вовлеченными в какую-то космическую охоту за призраками. Темная энергия явилась к нам незваной гостьей и, похоже, останется навсегда – или по крайней мере до тех пор, пока она каким-то образом не изменится.
Происхождение и природа темной энергии, несомненно, величайшая загадка современной фундаментальной физики. Мы представления не имеем, откуда берется эта энергия и почему ее именно столько. Поэтому мы не понимаем, почему она начала управлять расширением Вселенной, почему это произошло лишь относительно недавно, в последние 5 млрд лет, и было ли это совершенно случайно. Естественно предположить, что ее природа как-то связана с происхождением Вселенной, причем связь эта самая глубинная. И все указывает на то, что именно эта энергия определит будущее нашей Вселенной.
Глава 6
Бесплатный обед на краю Вселенной
Космос велик. Страшно велик. Вы просто не поверите, насколько умопомрачительно он велик. К примеру, вы сетуете, как далеко от вас аптека, – но по сравнению с космосом это сущая чепуха.
Один верный ответ из двух – это, по-моему, неплохо. Мы, космологи, догадались, что Вселенная плоская, и оказалось, что так и есть, поэтому нам не было особенно стыдно, когда было сделано следующее сенсационное открытие: оказывается, у пустого пространства есть энергия, причем ее достаточно, чтобы доминировать в расширении Вселенной. Трудно было поверить в само существование такой энергии, но еще труднее поверить, что этой энергии не будет достаточно, чтобы сделать Вселенную непригодной для обитания. Ведь если бы энергии пустого пространства было столько, сколько показывают априорные оценки, которые я недавно приводил, то темп расширения был бы так велик, что все, что мы сейчас видим во Вселенной, быстро унеслось бы за горизонт. Вселенная стала бы темной, холодной и пустой задолго до того, как успели бы сформироваться звезды, наше Солнце и Земля.
Из всех причин полагать, что Вселенная плоская, пожалуй, самая простая для понимания проистекала из того факта, что уже давно было известно, что Вселенная почти плоская. Еще в старину, до открытия темного вещества, даже известное количество видимого материала в галактиках и их окрестностях составляло около 1 % такого общего количества, чтобы получилась плоская Вселенная.
Казалось бы, 1 % – это немного, но наша Вселенная очень стара, ей миллиарды лет. Если предположить, что гравитационные эффекты вещества или излучения доминировали в ее развивающемся расширении, а мы, физики, всегда считали, что так оно и есть, то, если бы Вселенная была изначально не идеально плоской, при расширении она становилась бы все менее и менее плоской.
В случае открытой Вселенной расширение продолжалось бы в более быстром темпе, чем в плоской Вселенной, и вещество расходилось бы гораздо быстрее, так что его средняя плотность уменьшалась бы и очень быстро свелась к бесконечно малой доле плотности, необходимой для существования плоской Вселенной.
Если бы она была замкнутой, то расширение быстро замедлялось бы и в конечном итоге сменилось сжатием. В этом случае плотность сначала убывала бы медленнее, чем для плоской Вселенной, а на этапе сжатия стала бы расти. И в этом случае отклонение от плотности, необходимой для существования плоской Вселенной, со временем росло бы.
С тех пор как возраст Вселенной составлял 1 секунду, она выросла почти в 1 трлн раз. Если бы в тот давний миг плотность Вселенной была не в точности такой, какая ожидается для плоской Вселенной, а, скажем, составляла бы только 10 % того, что было нужно тогда для плоской Вселенной, то сегодня плотность нашей Вселенной отличалась бы от плотности плоской Вселенной как минимум в 1 трлн раз. А это гораздо больше, чем скромный множитель 100, отличающий плотность видимого вещества во Вселенной от плотности, которая обеспечила бы плоскую Вселенную сегодня.
Об этой «проблеме плоской Вселенной» прекрасно знали еще в 1970-е гг. Рассматривать геометрию Вселенной – это все равно что представлять себе карандаш, который стоит на столе на острие. Стоит хрупкому равновесию чуть-чуть нарушиться, и карандаш тут же упадет. Вот и с плоской Вселенной так же. Малейшее отклонение от плоского состояния стремительно нарастает. И как же Вселенная может быть так похожа на плоскую в наши дни, если она не в точности плоская?
Ответ прост: да, она и сегодня должна быть, по существу, плоской.
