Происхождение Вселенной - [22]

Видимая материя не обладает достаточной гравитацией для создания той структуры, которую мы видим: очевидно, ей должна помогать какая-то форма темной материи. Еще одно доказательство существования этой темной материи предоставляется галактиками, которые вращаются слишком быстро, чтобы удерживать свое вещество без дополнительного гравитационного «клея».

Темная материя не может состоять из протонов, нейтронов и электронов. Когда Вселенной не было еще трех минут от роду, протоны и нейтроны соединились и образовали дейтерий (тяжелый водород) и небольшие количества других легких элементов. Космологи посчитали, что если бы обычного вещества во Вселенной было гораздо больше, чем сейчас, тогда бы и в плотном вареве возникло гораздо больше дейтерия. Поэтому темная материя – это нечто экзотическое, что могло образоваться в самые первые горячие моменты Большого взрыва. Физики предлагали множество гипотетических частиц, которые могли бы входить в состав темной материи, включая так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы и более легкие аксионы. Первоначальные черные дыры, вышедшие из горнила Большого взрыва, также могли включиться в образование темной материи.

В 1990-е годы астрономы столкнулись с еще одной загадкой. Они обнаружили, что далекие сверхновые на удивление слабы – а из этого следует, что расширение Вселенной не замедляется, как повсеместно предполагалось, а, наоборот, ускоряется. Во Вселенной как будто доминирует некая отталкивающая сила. Ее назвали темной энергией. Она может представлять собой либо космологическую постоянную (энергию вакуума), либо изменяющееся поле энергии – некую квинтэссенцию. Либо же гравитация может вести себя по-разному, становясь отталкивающей силой на больших расстояниях.

Космический микроволновый фон

Спутники WMAP и «Планк» дали твердое обоснование стандартной картине космологии путем точного измерения спектра флуктуаций космического микроволнового фона. Все данные указывают на то, что Вселенная существует 13,8 миллиарда лет, содержит примерно 5 % обычной материи, 26 % темной материи и 69 % темной энергии.

Остается много важных вопросов. Мы не знаем истинного размера Вселенной, не знаем даже, бесконечна она или нет. Не знакомы мы и с ее топологией, нам неизвестно, закручивается где-нибудь пространство или нет. Мы не знаем, что вызвало инфляцию и породила ли она множество параллельных вселенных далеко-далеко от нашей, как подразумевается во многих теориях.

Еще одна загадка: почему Вселенная предпочитает материю антиматерии? В ранние этапы Большого взрыва, когда создавались частицы, Вселенной пришлось сделать выбор в пользу одной из них. Иначе, если бы материя и антиматерия появились в одинаковых количествах, они бы уничтожили друг друга, и в мире, кроме излучения, ничего бы не осталось. Стандартная модель физики элементарных частиц не объясняет это предпочтение по отношению к материи.

Как все начиналось на самом деле (если начало и было) до сих пор неизвестно, потому что в релятивистских моделях Большой взрыв происходит в точке сингулярности, где уравнения не работают. Конец Вселенной также покрыт мраком неизвестности, поскольку он зависит от природы темной энергии и от того, как эта странная субстанция станет вести себя в будущем. Увеличение силы действия темной энергии уничтожит гравитационную связь между галактиками, а потом вызовет Большой разрыв, который уничтожит все вещество. Уменьшение этой силы спровоцирует коллапс Вселенной в Большом сжатии, что приведет к новому Большому взрыву. Чтобы понять сценарии начала и конца Вселенной, нам, вероятно, понадобится квантовая теория гравитации.

Большой взрыв начинается

Более 50 лет назад случайно была подтверждена история происхождения Вселенной. Канадский и американский космолог Джим Пиблс (род. 1935) вспоминает историю убеждения скептиков.

«Я присутствовал при рождении Большого взрыва, если так можно выразиться. В мае 1964 года Арно Пензиас и Роберт Вильсон провели свои первые измерения астрономического микроволнового излучения из остатка сверхновой Кассиопея А. Обосновавшись на территории Телефонных лабораторий Белла в Холмделе (штат Нью-Джерси), они использовали рупорную антенну, созданную для изучения микроволновых коммуникаций, которые впоследствии легли в основу сотовой телефонной технологии. Но Пензиас и Вильсон столкнулись с проблемой, которая до этого уже беспокоила инженеров фирмы Белла. Со стороны неба “долетало” больше микроволн, чем ожидалось.

Я тогда был молодым, подающим надежды теоретиком в Принстонском университете и работал в научно-исследовательской группе Боба Дикке. Боб был ярым сторонником идеи происхождения Вселенной из горячего плотного состояния, и он исследовал предположение, что от него должно было остаться море излучения, рассеянного по всему небу. Боб поручил двум своим сотрудникам, Питеру Роллу и Дэвиду Вилкинсону, сконструировать приемник для обнаружения этого излучения и предложил мне изучить теоретические последствия его наличия или отсутствия.

В феврале я представил нашу идею на коллоквиуме, а через несколько недель Бобу позвонил Пензиас. Когда Боб, Питер и Дэвид прибыли в Холмдел, они обнаружили, что группа Пензиаса вырвалась вперед. Я не помню, чтобы Боб или еще кто-либо из нас об этом пожалел. Наоборот, все радовались тому, что можно хоть что-нибудь измерять и анализировать.