Я никогда бы не подумал, что при моей жизни мы получим такую точность. Но теперь, когда мы это знаем, мы можем утверждать, что вселенная с измеренной на сегодня скоростью расширения никоим образом не может быть такой старой без темной энергии, и, в частности, без темной энергии, которая ведет себя фактически так, как вела бы себя энергия, отображаемая космологической постоянной. Другими словами, это энергия, которая, по-видимому, остается неизменной во времени.
В следующем научном прорыве наблюдатели смогли точно определить, как материя, в форме галактик, сгруппировалась вместе в течение космического времени. Результат зависит от скорости расширения Вселенной, поскольку силе притяжения, стягивающей галактики вместе, приходится состязаться с космическим расширением, расталкивающим материю друг от друга. Чем больше значение энергии пустого пространства, тем быстрее она станет господствующей энергией во Вселенной, и тем скорее увеличивающаяся скорость расширения, в конечном счете, остановит гравитационный коллапс материи во все большие размеры.
Поэтому, измеряя гравитационное скучивание, наблюдатели смогли подтвердить, снова же, что только плоская вселенная, то есть которая согласуется с наблюдаемой крупномасштабной структурой, это вселенная с примерно 70 процентами темной энергии и, опять же, что темная энергия ведет себя более или менее схоже с энергией, выраженной космологической постоянной.
Независимо от этих косвенных исследований истории расширения Вселенной, наблюдатели сверхновых всесторонне проверили возможности, которые могли бы вызвать систематические ошибки в их анализе, в том числе возможность увеличения пыли на больших расстояниях, которая заставляет сверхновые выглядят тусклее, и исключали их одну за другой.
Одна из самых важных проверок включала проникновение назад во времени.
Ранее в истории Вселенной, когда то, что сейчас является нашей наблюдаемой областью, было намного меньшего размера, плотность материи была намного больше. Тем не менее, плотность энергии пустого пространства остается одинаковой в течение долгого времени, если она отражает космологическую постоянную — или что-то вроде нее. Таким образом, когда размер Вселенной был бы примерно наполовину меньше нынешнего, плотность энергии материи превышала бы плотность энергии пустого пространства. Все время до этого материя, а не пустое пространство, создавала бы доминирующую гравитационную силу, оказывающую влияние на расширение. В результате, Вселенная замедлялась бы.
В классической механике есть название для точки, в которой система меняет свое ускорение и, в частности, переходит от замедления к ускорению. Она называется «jerk». В 2003 году я организовал конференцию в моем университете, чтобы рассмотреть будущее космологии, и пригласил одного из членов исследовательской группы «High-Z Supernova», Адама Рисса, который сказал мне, что у него есть кое-что интересное, чтобы сообщить на конференции. Он сообщил. На следующий день «Нью-Йорк Таймс», которая делала отчет о конференции, поместила фото Адама, сопровождаемое заголовком «Космический jerk обнаружен». Я сохранил эту фотографию и время от времени обращаюсь к ней ради развлечения.
Детальное картирование истории расширения Вселенной, демонстрирующее, что она перешла из периода замедления к ускорению, добавило существенный вес утверждению, что первоначальные наблюдения, которые подразумевали существование темной энергии, на самом деле были правильными. Принимая во внимание все другие ныне доступные доказательства, очень трудно представить, что, следуя этой картине, в настоящее время мы так или иначе вовлечены в космическую охоту за призраками. Нравится нам это или нет, темная энергия, похоже, укоренилась, или, по крайней мере, остается, пока каким-то образом не изменится.
Происхождение и природа темной энергии, несомненно, самая большая загадка в фундаментальной физике сегодня. У нас нет глубокого понимания того, как она возникла и почему приняла такие значения, как она имеет. Поэтому мы понятия не имеем, почему начало преобладать расширение Вселенной, причем лишь сравнительно недавно, в течение примерно последних 5 млрд лет, и не является ли это полной случайностью. Естественно было бы заподозрить, что ее природа связана с какой-то базовой особенностью происхождения Вселенной. И все признаки позволяют предположить, что она также будет определять будущее Вселенной.
Глава 6: Бесплатный обед на Краю Вселенной
Космос большой. Действительно большой. Вы просто не поверите, насколько он необычайно, умопомрачительно большой. Я имею в виду, вам может казаться, что от вашего дома до аптеки далеко, но это просто ерунда в сравнении с космосом.
— Дуглас Адамс, «Автостопом по Галактике»
Я полагаю, что одно из двух — это не так уж плохо. Мы, космологи, догадывались (и в конечном итоге это оказалось правдой), что Вселенная плоская, так что мы не были сильно смущены шокирующим фактом, что пустой космос действительно содержит энергию, и к тому же вполне достаточно энергии, чтобы оказывать влияние на расширение Вселенной. Существование этой энергии было невероятно, но еще более невероятен тот факт, что этой энергии недостаточно для того, чтобы сделать Вселенную непригодной для жизни. Ведь если бы энергия космоса соответствовала первоначальным предположениям, которые я описал ранее, коэффициент расширения был бы столь велик, что все, что мы сейчас наблюдаем во Вселенной, мгновенно скрылось бы за горизонтом. Вселенная стала бы холодной и темной гораздо раньше, чем Солнце и наша Земля смогли бы сформироваться.
Из всех причин полагать, что Вселенная была плоской, пожалуй, самая простая для понимания является результатом факта, что было хорошо известно, что Вселенная почти плоская. Даже в прежние годы, до обнаружения темной материи, известное количество видимого вещества внутри и вокруг галактик составляло, возможно, 1 процент от общего количества материи, необходимой, чтобы дать плоскую Вселенную.
Сейчас 1 процент может показаться не так много, но возраст нашей Вселенная очень большой, миллиарды лет. Если предположить, что гравитационные эффекты материи или излучения влияют на прогрессирующее расширение, как мы, физики, всегда думали, то, если Вселенная не абсолютно плоская, по мере расширения она становится все менее и менее плоской.
Если она открытая, скорость расширения растет более быстрыми темпами, чем это было бы для плоской Вселенной, раздвигая материю все дальше и дальше друг от друга по сравнению с тем, что было бы в противном случае, уменьшая суммарную плотность и очень быстро давая бесконечно малую часть плотности, необходимой, чтобы привести к плоской Вселенной.
Если она закрытая, то это быстрее замедляет расширение и, в конечном итоге, приводит к тому, что она вновь сожмется. Все это время плотность сначала уменьшается более медленными темпами, чем для плоской Вселенной, а затем, когда Вселенная коллапсирует обратно, плотность начинает увеличиваться. Опять же, отклонение от плотности, ожидаемой для плоской Вселенной, со временем увеличивается.
Вселенная увеличилась в размерах почти в триллион раз, когда ее возраст был равен 1 секунде. Если бы в это ранний момент плотность Вселенной не была практически точно такой, как ожидается от плоской Вселенной, а составляла бы, скажем, только 10 процентов плотности, необходимой для плоской Вселенной в то время, то сегодня плотность нашей Вселенной отличалась бы от плотности плоской Вселенной, по меньшей мере, в триллион раз. Это гораздо больше, чем всего лишь в 100 раз, отличающие плотность видимого вещества во Вселенной от плотности, которая бы представляла плоскую Вселенную сегодня.
Эта проблема была хорошо известна уже в 1970-е годы, и ее стали называть «проблемой плоскостности». Рассматриваемая геометрия Вселенной подобна воображаемому карандашу, балансирующему вертикально на кончике на столе. Малейший дисбаланс, в ту или другую сторону, и он быстро опрокинется. Так же и для плоской Вселенной. Малейшее отклонение от плоскостности быстро нарастает. Таким образом, как Вселенная может быть почти плоской сегодня, если бы не была абсолютно плоской?
Ответ прост: сегодня она должна быть практически плоской!
Этот ответ на самом деле не настолько прост, потому что он вызывает вопрос: «Как начальные условия сговорились, чтобы получить плоскую Вселенную?»
Есть два ответа на этот второй, более сложный вопрос. Первый восходит к 1981 году, когда молодой физик-теоретик и исследователь-постдок из Стэнфордского университета, Алан Гут, размышлял о проблеме плоскостности и двух других связанных с ней проблемах стандартной картины Большого Взрыва: так называемой проблеме горизонта и проблеме монополя. Нас здесь интересует только первая, так как проблема монополя лишь усугубляет как проблему плоскостности, так и проблему горизонта.
