В то время как теоретики, возможно, поздравляли друг друга за то, что догадались, что Вселенная плоская, почти никто не был готов к сюрпризу, который уготовила природа, в решении противоречивых оценок геометрии Вселенной, полученных с помощью сравнения измерений массы с прямыми измерениями кривизны. Недостающая энергия, необходимая для плоской Вселенной, оказалось, буквально скрывается у нас под носом.
Глава 4: Много шума из ничего
Чем меньше, тем лучше.
— Людвиг Мис ван дер Роэ вслед за Робертом Браунингом
Шаг вперед, два шага назад, похоже, таковы наши поиски понимания Вселенной и придания ей точного облика. Даже несмотря на то, что наблюдения, наконец, окончательно определили кривизну нашей Вселенной — и по ходу проверили давние теоретические подозрения — даже хотя и было известно, что во Вселенной в десять раз больше материи, чем могло бы быть за счет протонов и нейтронов, даже такого огромного количества темной материи, составляющей 30 процентов того, что требуется для получения плоской Вселенной, было далеко недостаточно, чтобы объяснить всю энергию во Вселенной. Прямое определение геометрии Вселенной и последующее открытие, что Вселенная действительно плоская, означало, что 70 процентов энергии Вселенной все еще не хватает, их нет ни внутри, ни вокруг галактик или даже скоплений галактик!
Все было не настолько шокирующим, как я это представил. Еще до этих измерений кривизны Вселенной и определения общей массы скоплений в ней (как описано в главе 2) появились признаки того, что тогдашняя теоретическая картина нашей Вселенной — с достаточным количеством темной материи (как мы теперь знаем, в три раза большим, чем существует на самом деле), чтобы быть пространственно плоской — просто не согласовывалась с наблюдениями. Действительно, еще в 1995 году мы с моим коллегой Майклом Тернером из Университета Чикаго написали еретическую работу, предполагая, что такая условно принятая картина не может быть правильной, и фактически единственная возможность, которая появилась с учетом плоской Вселенной (нашим теоретическим предпочтением в то время) и наблюдений скоплений галактик с их внутренней динамикой, была гораздо более странная Вселенная, которая уходит корнями к сумасшедшей теоретической идее Альберта Эйнштейна, возникшей в 1917 году, чтобы разрешить кажущееся противоречие между предсказаниями его теории и статичной Вселенной, в которой, как он думал, мы жили, и от которой впоследствии он отказался.
Насколько я помню, нашим стремлением в то время было больше показать, что что-то не так с общепринятыми знаниями, чем предложить окончательное решение проблемы. Предположение казалось слишком сумасшедшим, чтобы действительно в него поверить, поэтому я не думаю, что кто-то был более удивлен, чем мы, когда выяснилось, три года спустя, что наша еретическое предположение было все же абсолютно правильным!
Давайте вернемся в 1917 год. Напомню, что Эйнштейн разработал общую теорию относительности, и его сердце переполняла радость, когда он обнаружил, что может объяснить прецессию перигелия Меркурия, даже когда он столкнулся с фактом, что его теория не могла объяснить статичной Вселенной, в которой, по его мнению, он жил.
Если бы у него было больше мужества отстаивать свои убеждения, он мог бы предсказать, что Вселенная не может быть статичной. Но он этого не сделал. Вместо этого он понял, что может сделать небольшое изменение в своей теории, полностью согласующееся с математическими выводами, которые изначально привели его к разработке общей теории относительности, изменение, которое, похоже, делало статичную Вселенную возможной.
Хотя детали сложны, общая структура уравнений Эйнштейна в общей теории относительности относительно проста. Левая сторона уравнений описывает кривизну Вселенной и вместе с тем силу гравитационных сил, действующих на материю и излучение. Они определяются величиной в правой части уравнения, которая отражает суммарную плотность всех видов энергии и материи во Вселенной.
Эйнштейн понял, что добавление небольшого дополнительного постоянного члена в левую часть уравнения будет представлять небольшую дополнительную постоянную силу отталкивания повсюду в пространстве в дополнение к стандартному гравитационному притяжению между удаленными объектами, которое падает по мере увеличения расстояния между ними. Если она достаточно мала, эта дополнительная сила может быть незаметна в человеческих масштабах или даже в масштабах нашей Солнечной системы, где закон тяготения Ньютона соблюдается столь красиво. Но он подумал, что, поскольку она была постоянна повсюду в пространстве, она может возрастать в масштабах нашей галактики и быть достаточно большой, чтобы противодействовать силе притяжения между очень удаленными объектами. Таким образом, рассудил он, в больших масштабах это может привести к статичной Вселенной.
Эйнштейн назвал этот дополнительный член космологическим членом. Однако поскольку он был просто постоянным дополнением к уравнениям, то сейчас его обычно называют космологической постоянной.
После того, как он узнал, что Вселенная на самом деле расширяется, Эйнштейн обходился без этого члена и, как говорят, назвал решение добавить его в свои уравнения своей самой большой ошибкой.
Но избавиться от него не так просто. Это все равно что пытаться затолкать зубную пасту обратно в тюбик после того как вы ее выдавили. Все дело в том, что сейчас у нас совершенно иное представление о космологической постоянной, так что, если бы Эйнштейн не добавил этот член, то за прошедшие годы кто-то должен был бы это сделать.
Перемещение постоянной Эйнштейна из левой части его уравнений в правую — маленький шаг для математика, но гигантский скачок для физика. Хотя математически это сделать пустяк, как только этот член оказывается справа, где находятся все члены, вносящие вклад в энергию Вселенной, он представляет нечто совершенно отличное с физической точки зрения, а именно новый вклад в суммарную энергию. Но какого рода материю может отражать такой член?
Ответ — ничто.
Под ничем я подразумеваю не ничего, а совершенно ничего — в данном случае ничем мы обычно называем пустое пространство. Иначе говоря, если я возьму область пространства и избавлюсь от всего — пыли, газа, людей и даже проходящего через него излучения, то есть абсолютно от всего, что есть в этой области — если остальные пустое пространство будет что-то весить, то это будет означать существование космологического члена, такого, как выдумал Эйнштейн.
Итак, это заставляет космологическую постоянную Эйнштейна казаться еще безумнее! Любой четвероклассник скажет вам, сколько энергии содержит ничто, даже если он не знает, что такое энергия. Ответ должен быть нисколько.
Увы, большинство четвероклассников не учили квантовую механику, а также не изучали теорию относительности. Ибо, если учесть результаты специальной теории относительности Эйнштейна в квантовом пространстве, пустое пространство становится гораздо более странным, чем это было раньше. Фактически настолько странным, что даже физики, впервые обнаружившие и проанализировавшие это новое свойство, были почти готовы поверить, что оно на самом деле существует в реальном мире.
Первым человеком, успешно объединившим относительность и квантовую механику, был блестящий, немногословный британский физик-теоретик Поль Дирак, который ранее сам сыграл ведущую роль в развитии квантовой механики как теории.
Квантовая механика была разработана в период с 1912 по 1927 год, в первую очередь благодаря работам гениального и знаменитого датского физика Нильса Бора, блестящего, молодого, энергичного австрийского физика Эрвина Шредингера и немецкого физика Вернера Гейзенберга. Квантовый мир, впервые предложенный Бором и математически уточненный Шредингером и Гейзенбергом, бросает вызов всем здравомыслящим представлениям, основанным на нашем знании объектов в человеческих масштабах. Бор первым предположил, что электроны в атомах вращаются вокруг центрального ядра, как планеты вокруг Солнца, но показал, что наблюдаемые правила атомных спектров (частот света, испускаемого различными элементами) можно понять, только если электроны каким-то образом ограничены наличием стабильных орбит с фиксированным рядом «квантовых уровней» и не могут свободно постепенно приближаться к ядру. Они могут двигаться между уровнями, поглощая или испуская только дискретные частоты, или кванты, света — те самые кванты, которые в 1905 году Макс Планк впервые предложил для понимания формы излучения горячих предметов.
Однако «правила квантования» Бора были довольно узкоспециализированы. В 1920-х Шредингер и Гейзенберг независимо показали, что эти правила можно было получить из основных принципов, если электроны подчинялись правилам динамики, которые отличались от тех, что применяются для макроскопических объектов, таких как бейсбольные мячи. Электроны могут вести себя и как волны, и как частицы, как бы распространяясь в пространстве (отсюда «волновая функция» Шредингера для электронов), и было показано, что измерения свойств электронов дают лишь вероятностные результаты, с различными комбинациями разных свойств, которые не могут быть точно измерены в одно и то же время (отсюда «принцип неопределенности» Гейзенберга).
