Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности
Шрифт:
В 1979 году Стивен Хокинг в соавторстве с южноафриканским релятивистом Вернером Израэлем пишет работу «Общая теория относительности: обзор к столетию Эйнштейна». В ней они объединили главные космологические исследования, черные дыры и квантовую гравитацию. Свой вклад в виде эссе «Космология большого взрыва — загадки и панацея» внесли Боб Дикке и Джим Пиблс. Эссе было коротким. На нескольких страницах Дикке и Пиблс рассказали, какие фундаментальные проблемы, на их взгляд, присутствуют в удивительно успешной теории.
Что же было не так? Для начала Вселенная казалась слишком однородной. В прошлом предпринимались попытки объяснить этот факт, но Дикке и Пиблс не нашли ни одного объяснения, которое бы их удовлетворило. Более того. Почему геометрия пространства в отличие от геометрии пространства-времени выглядит так просто? Казалось, что пространство не искривляется и к нему применимы правила изучаемой в школах геометрии Евклида.
За материалом Дикке и Пиблса следовала короткая статья Якова Зельдовича. В ней он размышлял о ранней Вселенной, повторяя рассуждения, впервые изложенные аббатом Леметром при рассмотрении первичного атома. Горячая стадия сопровождалась множеством интересных явлений, которые могли оказать влияние на эволюцию Вселенной и сказаться на ее современном состоянии. Прояснить эти явления Зельдович призывал сообщество ученых и релятивистов, занимающихся физикой элементарных частиц.
Статьи Дикке, Пиблса и Зельдовича оказались пророческими. Всего через год простое предположение об эволюции ранней Вселенной перевернет космологию с ног на голову.
В общем виде идея носилась в воздухе, но именно Алан Гут, научный сотрудник Стэнфордского центра линейного ускорителя, выдвинул идею космической инфляции. Гут понял, что в соответствии с некоторыми крупными обобщенными теориями — теориями, пытающимися объединить электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия в одну всеобъемлющую силу, — Вселенная могла застрять в состоянии, когда одно из полей становится необычайно сильным и начинает доминировать над всем остальным. В этом состоянии Вселенная будет вынуждена быстро расшириться. Несмотря на ошибочность исходной идеи Гута — у Вселенной, застрявшей в подобном состоянии, нет способов из него выйти, — ученые быстро начали предлагать другие гипотезы инфляционного расширения. Идея инфляции Вселенной открыла перед космологами новую дорогу, показав в прошлом Вселенной период, который следовало изучить. Появилась теория, точно предсказавшая, какой должна была быть Вселенная в начале формирования ее структур. И казалось, она решила вопрос, поднятый Дикке и Пиблсом. В первую очередь теория инфляции дает толчок к пониманию механизма мгновенной потери кривизны. Представьте, что у вас в руках воздушный шар, который вы при помощи помпы можете быстро и практически мгновенно надуть до размеров Земли. После этого расположенный перед вашим носом фрагмент шара с вашей точки зрения будет казаться совершенно плоским. Аналогичным образом Вселенную к крайне однородному и примитивному состоянию ведет инфляция. Любые крупные фрагменты массы и естественным образом разнообразящие ландшафт пространства-времени пустоты будут разбросаны на расстояния, недоступные нашему наблюдению. А еще инфляция показывает, каким способом мог быть дан толчок росту структуры в ранней Вселенной. В период интенсивной инфляции микроскопические квантовые флуктуации в ткани пространства-времени могли растянуться и оставить свой отпечаток в большем масштабе.
Теория инфляции, как лаконично выразились астрофизики в Чикаго, установила связь между «внутренним и внешним космосом». Внутреннее пространство представляет собой мир квантов и фундаментальных взаимодействий, в то время как внешнее пространство охватывает космос, в котором вступает в свои права общая теория относительности. В результате у программы исследований, которую в предыдущие десятилетия разрабатывал Пиблс вместе с Зельдовичем, Силком и остальными, появилась новая цель: крупномасштабная структура Вселенной; распределение галактик и реликтовое излучение должны были дать ключ к разгадке связи внешнего и внутреннего космоса. Люди начали обращать внимание на внешний мир.
В 1982 году Пиблс попытался построить новую Вселенную. Старая модель, разработанная с Джер Ю и состоявшая из атомов и излучения, перестала его устраивать. Он сравнил предсказания этой модели с нанесенными на карту неба галактиками и обнаружил расхождения. Реальность не укладывалась в рамки его элегантных вычислений. Более того, за предыдущее десятилетие сами галактики приобрели более сложный вид. Происходящие внутри них процессы давали странную картину.
Американский астроном Вера Рубин обнаружила, что галактики вращаются слишком быстро, напоминая удерживаемый какой-то мистической силой фейерверк «огненное колесо». Рубин направила свой телескоп на галактику Андромеда — водоворот звезд и газа, вращающийся со скоростью сотни километров в секунду. По крайней мере, такое ощущение возникало при наблюдении через телескоп. Больше всего света оказалось в центре, где сконцентрированы все звезды, поэтому Рубин ожидала, что источником гравитационного притяжения, благодаря которому галактика сохраняет свою форму, является ее сердцевина. Однако наблюдение за удаленными от центра звездами показало, что они движутся чрезмерно быстро. Более того, звезды перемещались так стремительно, что Рубин не могла понять, каким образом гравитационному притяжению центра галактики удается их обуздать. Это все равно как если бы Земля внезапно удвоила или утроила скорость своего вращения вокруг Солнца. Солнце должно было каким-то образом увеличить свое гравитационное притяжение, в противном случае Земля сорвалась бы с орбиты и улетела в пространство. Внешние звезды на своих орбитах удерживала какая-то другая сила, большая и невидимая.
Аналогичное явление в 30-х годах наблюдал Фриц Цвикки, но на его наблюдения почти сорок лет никто не обращал внимания. Цвикки подсчитал галактики в скоплении Волосы Вероники и оценил общую массу наблюдаемых объектов. Измеренная скорость движения галактик внутри скопления оказалась слишком большой. Как он писал в статье, опубликованной в Швейцарии в 1937 году: «Плотность светящейся материи в скоплении Волосы Вероники должна быть мизерной по сравнению с плотностью какого-то вида темной материи».
У Джима Пиблса с галактиками возникли собственные проблемы. Со своим молодым коллегой из Принстона Джерри Острайкером он решил построить для сформировавшихся галактик простые компьютерные модели, представив их в виде набора частиц, притягивающихся друг к другу через гравитационное взаимодействие и вращающихся по спирали. Как только к модели добавлялось вращение, галактики распадались. В центре формировалась капля, которая растягивалась и разрывала галактику на части. Острайкер и Пиблс пытались стабилизировать модель, погрузив вращающиеся частицы в шар скрытой массы. Этот шар — они называли его гало — помогал силе тяжести удерживать галактику от разбегания. Гало должно было быть темным (то есть невидимым), а значит, недоступным для обнаружения при помощи телескопов. Как ни парадоксально, но модель показала, что темной материи должно быть намного больше, чем видимых нами в звездах атомов. В конце 1970-х Сандра Фабер, работающая в Санта-Крузе, штат Калифорния, вместе с Джеем Галлахером из Иллинойса написали обзор странных открытий, которые астрономы сделали путем наблюдений, а Пиблс и его коллеги — путем компьютерного моделирования. Они заключили, что «открытие темной материи выдержит испытание временем как один из основных итогов современной астрономии».
В 1982 году Пиблс начал строить новую модель Вселенной, решив включить в нее атомы и темную материю. Собственно, он предположил, что почти вся Вселенная была получена из этой таинственной формы материи, состоящей из тяжелых частиц, которые мы не в состоянии увидеть, так как они не взаимодействуют со светом. Простая модель холодной темной материи, предложенная Пиблсом, позволила ему предсказать, как будет выглядеть распределение галактик и насколько большими должны быть возмущения реликтового излучения. Данный подход мог оказаться знаковым для развития космологии, но как вспоминает Пиблс: «Я не воспринимал его всерьез. Я записал решение просто потому, что оно оказалось простым и совпадало с данными наблюдений».
Хотя Пиблс не касался недавно предложенной концепции инфляции, его новая модель была полностью в духе времени. В ней нашли свое воплощение массивные частицы, появившиеся в результате попыток фундаментальной физики соединить внутренний и внешний космос. Модель холодной темной материи (Cold Dark Matter, CDM) приняло множество астрономов и физиков, занимавшихся выяснением подробностей формирования галактик. Марк Дэвис из Беркли объединился с двумя британскими астрономами, Джорджем Эфстатиу и Симоном Уайтом, а также с мексиканским астрономом, Карлосом Фрэнком, для создания компьютерной модели формирования отдельных галактик и галактических скоплений в виртуальных вселенных. В своих построениях «банда четырех», как их позднее прозвали, отслеживала взаимодействие сотен тысяч частиц, соединяющихся друг с другом и формирующих крупномасштабную структуру Вселенной.