Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности
Шрифт:
Несмотря на популярность и общепризнанность модели CDM, слишком многое в ней выглядело некорректно. В модели Пиблса возраст Вселенной составлял всего 7 миллиардов лет. Астрономы обнаружили в галактиках плотные участки звезд, известные как шаровые скопления. Эти яркие конгломераты света были наполнены старыми звездами, сформировавшимися на ранних этапах развития Вселенной, когда она была наполнена преимущественно водородом и гелием. Возраст шаровых скоплений насчитывал по меньшей мере 10 миллиардов лет. И это еще не все. Если постулировать, что Вселенная в основном состоит из темной материи, ее пропорция по отношению к атомам составит примерно 25:1. При этом, несмотря на все свои старания, астрономы не смогли обнаружить следы этой темной материи. По скорости вращения галактик или по температуре наблюдаемых скоплений можно оценить силу гравитации (чем горячее галактика, тем выше должно быть гравитационное притяжение) и количество темной материи,
Не лучше шли дела и у «банды четырех». Они создавали компьютерные модели виртуальных вселенных и сравнивали их с реальной Вселенной, ища сходство. Но сходства не было. Прежде всего, в большом масштабе реальная Вселенная имела более структурированный и сложный вид. В модели CDM галактики на малых масштабах сгруппированы плотнее, а при попытке отодвинуться и увидеть большой фрагмент общей картины сглаживание происходило намного быстрее, чем в реальности. Некоторая подгонка результатов позволяла решить часть проблем виртуальной Вселенной, но правда состояла в том, что простая модель Пиблса оказалась не совсем рабочей.
Впрочем, большинство астрономов и физиков приняло модель CDM, невзирая на несовпадения с результатами наблюдений. Концептуально она была простой и хорошо вписывалась в идею инфляции и свидетельства присутствия в галактиках темной материи. Сторонники модели искали способы ее доработки и устранения недостатков. Один из способов требовал восстановления космологической константы Эйнштейна. Многим это казалось немыслимым.
С 1917 года, когда Эйнштейн впервые ввел космологическую константу, доводы против нее усилились. После открытия расширяющейся Вселенной Эйнштейн быстро отказался от этого дополнительного параметра, но некоторые его коллеги продолжали за него цепляться. В свои модели Вселенной эту константу включили и Эддингтон, и аббат Леметр. Леметр даже предположил, что это не что иное, как плотность энергии вакуума. В 1967 году Зельдович показал, какой серьезной проблемой может стать космологическая константа. Он сложил энергию всех виртуальных частиц, которые могли существовать во Вселенной, и обнаружил, что итоговая плотность энергии выглядит как космологическая константа, но имеет гигантскую величину. Строго говоря, она стремится к бесконечности по тем же самым причинам, по которым бесконечным является все, что имеет отношение к квантовой гравитации, хотя путем небольших манипуляций значения можно сделать конечными. Но даже в этом случае получается огромное число, на порядки превосходящее любую энергию, когда-либо измерявшуюся в космосе.
Расчеты Зельдовича показали, что если бы существовала энергия вакуума — а значит, и космологическая константа, — она была бы слишком большой, чтобы совпасть с результатами наблюдений. Единственным вариантом сохранения этой константы оставалось предположение о существовании некоего еще не открытого физического механизма, обеспечивающего ее равенство нулю. Практикующие космологи предпочитали игнорировать космологическую константу, делая вид, что ее никогда не существовало.
Тем не менее при любой попытке разобраться с проблемами, присущими модели CDM, в качестве одного из возможных решений появлялась эта постоянная, иногда называемая лямбда-членом. В 1984 году Пиблс сам обнаружил, что для жизнеспособности модели с холодной темной материей лямбда-член должен составить около 80% от общей энергии Вселенной. Когда «банда четырех» — Дэвис, Эфстатиу, Фрэнк и Уайт — ввела в одну из своих моделей лямбда-член, разрешились многие проблемы, сопровождавшие простой сценарий холодной темной материи.
В 1990 году Джордж Эфстатиу, уже работающий в Оксфорде, опубликовал в журнале Nature статью «Космологическая константа и холодная темная материя». В ней крупномасштабная структура содержащей константу компьютерной модели сравнивалась с реальной Вселенной. На этот раз Эф-статиу использовал каталог с миллионом галактик, который они с коллегами составляли несколько лет. В начале статьи была оговорка: «Мы предполагаем, что в пространственно плоской космологии, в которой 80% критической плотности обеспечивается положительной космологической константой, можно сохранить плюсы теории CDM и ее согласованность с результатами наблюдений». Далее было показано, что такая Вселенная совпадает со всеми имеющимися эмпирическими данными. Одни из отцов-основателей инфляционной модели, Джерри Острайкер и Пол Стейнхардт, в 1995 году опубликовали в журнале Nature статью, в которой утверждали, что «существуют свидетельства в пользу Вселенной с критической плотностью энергии и большой космологической постоянной». Казалось, все указывало на лямбда-член.
Впрочем, все намеки на лямбда-член в крупномасштабной структуре Вселенной предпочитали не замечать. В 1984 году Джим Пиблс писал: «Проблема была в том, что эта версия не выглядела правдоподобной». Как отметил в заключении своей статьи Эфстатиу: «Отличная от нуля космологическая константа оказывала бы глубокое влияние на фундаментальную физику». В другой статье Джордж Блюменталь, Авишай Декель и Джоэль Примак из Калифорнийского университета утверждали, что наличие космологической константы «требует невероятной корректировки параметров теории». 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.
К 1996 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.