Глава 6. Новые мысли о старой константе
Ландшафтная мультивселенная
Разница между 0 и 0,000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001 может показаться не такой уж большой. И это именно так при любых обычных измерениях. Однако есть всё усиливающееся подозрение, что эта крошечная разница может оказаться ответственной за кардинальный сдвиг в том, как мы представляем ландшафт окружающей действительности.
Крошечное число, указанное выше, впервые было измерено в 1998 году двумя группами астрономов, которые проводили тщательные наблюдения взрывающихся звёзд в удалённых галактиках. С тех пор эти данные были подтверждены множеством других исследований. Что это за число, почему вокруг него такая шумиха? Это не что иное, как то, что было указано в третьей строке гравитационной декларации — космологическая постоянная Эйнштейна, определяющая количество невидимой тёмной энергии, которой пропитана ткань пространства.
Так как этот результат продолжает подтверждаться в тщательных исследованиях, физики вынуждены признать, что наблюдения и выводы, сделанные в предшествующие десятилетия и убедившие многих в том, что космологическая постоянная равна 0, должны быть отвергнуты. Теоретики начали спешно выяснять, где же они ошибались. Но ошибались не все. Годами ранее высказывались идеи, что ненулевая космологическая постоянна будет однажды обнаружена. В чём состояло ключевое предположение? В том, что мы живём в одной из многих вселенных. Многих вселенных.
Возвращение космологической постоянной
Напомню, что космологическая постоянная, если она существует, наполняет пространство невидимой энергией — тёмной энергией, — знаковым свойством которой является гравитационное отталкивание. Эйнштейн увлёкся этой идеей в 1917 году, считая, что порождаемая космологической постоянной антигравитация сбалансирует гравитационное притяжение обычной материи во Вселенной и таким образом приведёт к картине космоса, который не будет ни сжиматься, ни расширяться.[19]
Часто говорят, что когда Эйнштейн узнал о наблюдениях Хаббла 1929 года, обнаруживших расширение пространства, то назвал космологическую постоянную своей «величайшей ошибкой». Георгий Гамов вспоминал разговор, в котором Эйнштейн сказал об этом, но, учитывая склонность Гамова к литературным гиперболам, есть сомнения в надёжности этих воспоминаний.{60} Но совершенно точно, что Эйнштейн выбросил космологическую постоянную из своих уравнений после того, как наблюдения показали, что его вера в статичную вселенную безосновательна. Спустя много лет он заметил, что если бы «хаббловское расширение было обнаружено в момент создания общей теории относительности, то космологическая постоянная никогда не была бы введена».{61} Но «задний ум» не всегда крепок; иногда он может затуманить исходную идею. В 1917 году в письме, написанном физику Виллему де Ситтеру, Эйнштейн высказался более подробно:
В любом случае остаётся один вопрос. Общая теория относительности позволяет включить космологическую постоянную в полевые уравнения. Однажды наши настоящие знания об устройстве неподвижного звёздного неба, явные движения неподвижных звёзд и положение спектральных линий в зависимости от расстояния, возможно, станут достаточными для эмпирического разрешения вопроса о том, равна нулю или нет космологическая постоянная. Убеждённость — мощная пружина, но ненадёжный судья.{62}
Восемьдесят лет спустя космологический проект «Supernova cosmology», возглавляемый Солом Перлмуттером, и поисковая группа «High-Z Supernova», возглавляемая Брайаном Шмидтом, пошла именно по такому пути. Они аккуратно изучили плотность спектральных линий — свет, испущенный удалёнными звёздами, — и, как предсказывал Эйнштейн, смогли на основе опытных данных изучить задачу, чему равна космологическая постоянная.
К удивлению многих они обнаружили, что нулю она не равна.
Космическая судьба
Когда астрономы приступили к работе, ни одна из исследовательских групп не ставила своей целью измерить космологическую постоянную. Фокус был направлен на измерение другого космологического свойства — скорости замедления расширения пространства. Обычное гравитационное притяжение притягивает объекты друг к другу всё ближе и ближе, поэтому скорость расширения падает. Точная величина темпа замедления играет ключевую роль в предсказании того, как будет выглядеть Вселенная в далёком будущем. Сильное замедление означает, что в какой-то момент расширение прекратится, после чего пойдёт обратный процесс и начнётся период пространственного сжатия. В результате непрекращающегося сжатия произойдёт Большой хлопок — явление, обратное Большому взрыву, — или возможно отскок, как в циклических моделях, рассмотренных в предыдущей главе. Если замедление небольшое, то развязка будет совсем другая. Подобно мячу, который на большой скорости может преодолеть притяжение Земли и полететь дальше, при достаточно высокой скорости пространственного расширения и достаточно малом темпе замедления пространство может расширяться вечно. Измеряя космическое замедление, вышеназванные исследовательские группы пытались определить окончательную судьбу космоса.
Подход каждой группы был прост: измерить насколько быстро пространство расширялось в некоторые моменты в прошлом и, сравнив эти скорости, определить темп замедления расширения в течение всей истории развития Вселенной. Отлично! Но как это сделать? Подобно многим вопросам в астрономии, всё свелось к тщательному наблюдению света. Галактики подобны сигнальным огням маяков, чьё движение отражает пространственное расширение. Если бы мы могли определить насколько быстро галактики удалялись от нас в тот давний момент, когда они излучили свет, что сейчас дошёл до нас, мы смогли бы определить, как быстро расширялось пространство в различные моменты в прошлом. Сравнивая эти скорости, можно было бы узнать темп космического замедления. В этом и состоит главная идея.
Для проработки всех подробностей необходимо решить два основных вопроса. Как на основе современных наблюдений за удалёнными галактиками можно определить расстояния до них, и как мы можем измерить скорость их движения? Начнём с расстояния.
Расстояние и яркость
Одной из самых старых и важных проблем в астрономии является определение расстояний до небесных объектов. Метод параллакса — один из самых первых способов определения расстояния, можно объяснить даже пятилетнему ребёнку. Дети обычно (моментально) приходят в восторг, когда, смотря на какой-нибудь предмет, поочерёдно закрывая то один, то другой глаз, обнаруживают, что предмет начинает прыгать с место на место. Если вам уже не пять, попробуйте так поэкспериментировать с этой книгой, сфокусировав взгляд на какой-нибудь угол. Прыжки происходят потому, что наши глаза расположены на некотором расстоянии друг от друга, а следовательно, смотрят на предмет под разными углами. Для предметов, расположенных далеко, сдвиг менее заметен, потому что разница в углах уменьшается. Это простое наблюдение можно описать количественно, установив точную связь между разницей в угле между лучами зрения обоих глаз — параллаксом — и расстоянием до объекта, на который вы смотрите. Однако не беспокойтесь о деталях — ваша зрительная система делает это автоматически. Именно поэтому вы видите мир в 3D.[20]
Когда вы смотрите на звёзды в ночном небе, параллакс слишком мал, чтобы его заметить; ваши глаза расположены слишком близко друг к другу, чтобы возникла значительная разница в угле. Однако есть хитроумный способ преодолеть данное затруднение: нужно измерять положение звезды в два приёма, с периодом в шесть месяцев, заменив тем самым взаимное расположение ваших глаз двумя положениями Земли в пространстве. Большее расстояние между точками наблюдения увеличивает параллакс; он по-прежнему мал, но в некоторых случаях достаточно велик, чтобы его измерить. В самом начале XIX столетия среди учёных была напряжённая конкуренция, кто первый измерит такой звёздный параллакс; в 1838 году немецкий астроном и математик Фридрих Бессель заслужил лавры победителя, успешно измерив параллакс звезды под названием 61 Лебедя в созвездии Лебедя. Угловая разница оказалась равной 0,000084 градуса, что соответствует расстоянию до звезды в 10 световых лет.
С тех пор метод постоянно улучшался и теперь применяется на спутниках, которые могут измерять гораздо меньшие углы параллакса, чем в наблюдениях Бесселя. Эти достижения позволили проводить точные измерения расстояний до звёзд, если они не превышают несколько тысяч световых лет. Однако если сильно выйти за эти рамки, разница в углах опять становится слишком маленькой и метод перестаёт работать.
Другой подход, который может измерять гораздо бо́льшие расстояния на небе, основан на ещё более простой идее: чем дальше вы отодвигаете светящийся объект, будь это автомобильные фары или яркая звезда, тем больше излучённый свет рассеивается по пути своего движения к нам, и поэтому тускнеет. Сравнивая видимую яркость объекта (то, насколько ярок свет при наблюдении с Земли) с собственной яркостью (то, насколько ярок свет при наблюдении с близкого расстояния), можно найти расстояние до объекта.
Но здесь возникает отнюдь не малое препятствие, как определить собственную яркость астрофизических объектов. Звезда тусклая, потому что находится очень далеко или потому что сама по себе не очень яркая? Это объясняет, почему столь долгим оказался поиск астрономических объектов, которые были бы достаточно распространены в космосе, и собственную яркость которых можно было бы достоверно определить без необходимости находиться рядом. Если бы удалось найти такие стандартные свечи , то была бы найдена единая мера определения расстояний. Разница в яркости одной стандартной свечи по отношению к другой напрямую дала бы нам информацию о расстоянии между ними.
В течение всего столетия с попеременным успехом предлагалось и применялось множество разных стандартных свечей. В последнее время наиболее плодотворным оказался метод, использующий звёздные вспышки, называемые сверхновыми типа Ia . Сверхновая Ia возникает, когда белый карлик вытягивает вещество из своего близкого компаньона, как правило, красного гиганта, вокруг которого он вращается. Из хорошо развитых физических методов изучения звёздных структур следует, что если белый карлик вытянет достаточное количество вещества (так что его масса возрастёт примерно до 1,4 масс Солнца), то он больше не сможет поддерживать свой вес. Раздутый карлик коллапсирует, и происходит настолько мощный взрыв, что порождённая вспышка света сопоставима со светом около 100 миллиардов звёзд в окружающей его галактике.
Такие сверхновые звёзды являются идеальными стандартными свечами. Взрыв настолько мощный, что его можно видеть с фантастически больших расстояний. Важно, что поскольку вспышки являются результатом одного и того же физического процесса — увеличение массы карлика примерно до 1,4 масс Солнца и последующий взрыв, — то образовавшиеся сверхновые имеют примерно одинаковые собственные светимости. Однако проблема в использовании сверхновых типа Ia состоит в том, что в средней галактике такие вспышки происходят раз в несколько столетий: как нам поймать их в процессе взрыва? Обе группы, космологический проект «Supernova cosmology» и поисковая группа «High-Z Supernova», взялись за решение этого вопроса способом, похожим на эпидемиологические исследования: точная информация об однотипных относительно редких событиях может быть получена, если изучать достаточно большую популяцию. Поэтому на помощь пришли телескопы, снабжённые широкоформатными детекторами, способными одновременно анализировать тысячи галактик. Тогда исследователи смогли установить местоположение дюжины сверхновых типа Ia, которые в дальнейшем можно более детально изучать с помощью обычных телескопов. Основываясь на их яркости, учёные смогли определить расстояния до дюжины галактик, удалённых на миллиарды световых лет, — и таким образом завершить первый шаг в решении поставленной задачи.