Вселенная из ничего - Лоуренс Краусс

В любом случае, тот факт, что свет следует по искривленным траекториям, если само пространство искривляется в присутствии материи, был первым значительным новым предвидением общей теории относительности и открытием, которое, как я уже упоминал, привело Эйнштейна к мировой известности. Поэтому, пожалуй, не удивительно (как недавно было обнаружено), что в 1912 году, задолго до того, как Эйнштейн фактически завершил свою общую теорию относительности, он выполнил расчеты — когда пытался найти некоторое наблюдаемое явление, которое бы убедило астрономов проверить его идеи — расчеты, которые были в основном идентичны тем, что он опубликовал в 1936 году по просьбе мистера Мандла. Возможно, поскольку в 1912 году он пришел к такому же выводу, который он изложил в своей работе 1936 года, а именно, что «шансы наблюдать это явление невелики», он никогда не потрудился опубликовать свою раннюю работу. Действительно, после изучения его тетрадей за оба эти периода, мы не можем с уверенностью сказать, что он вообще помнил, что сделал оригинальные расчеты двадцатью четырьмя годами ранее.

Что Эйнштейн признавал в обоих случаях, так это то, что искривление света в гравитационном поле может означать, что, если яркий объект был расположен далеко позади промежуточного распределения масс, лучи света, идущие в различных направлениях, могут огибать промежуточное распределение и сходиться снова, так же, как они делают, когда пересекают обычную линзу, создавая либо увеличение исходного объекта, либо многочисленные копии изображений исходного объекта, некоторые из которых могут быть искажены (см. рисунок ниже).

Когда он рассчитывал предсказываемый эффект для линзирования далекой звезды промежуточными звездами на переднем плане, эффект был настолько мал, что оказался совершенно неизмеримым, и это побудило его сделать замечание, упомянутое выше — что маловероятно, что такое явление когда-нибудь будет наблюдаться. В результате Эйнштейн посчитал, что в его работе было мало практической пользы. Как он тогда выразился в своем сопроводительном письме к редактору «Science»: «Позвольте мне также поблагодарить Вас за сотрудничество в небольшой публикации, которую мистер Мандл из меня выжал. Она не имеет большой ценности, но сделает бедного парня счастливым».

Однако Эйнштейн не был астрономом, а нужно было быть астрономом, чтобы понять, что эффект, предсказанный Эйнштейном, мог быть не только измерен, но и полезен. Его польза была в применении линзирования удаленных объектов гораздо большими системами, такими как галактики или даже скопления галактик, а не в линзировании звезд звездами. Через несколько месяцев после публикации Эйнштейна блестящий астроном из Калифорнийского технологического института, Фриц Цвикки, представил статью в «Physical Review», в которой он продемонстрировал практичность именно этой перспективы (а также косвенно опозорил Эйнштейна тем, что тот не принял во внимание возможный эффект линзирования галактиками, а не звездами).

Цвикки был запальчивой личностью и далеко обогнал свое время. Еще в 1933 году он проанализировал относительное движение скопления галактик в созвездии Волосы Вероники и определил, используя законы движения Ньютона, что галактики двигались так быстро, что должны были разлететься, разрушив скопление, если бы масса скопления не была гораздо больше, более чем в 100 раз, чем если бы ее обеспечивали одни звезды. Таким образом, его по праву можно было бы считать тем, кто обнаружил темную материю, хотя в то время его выводы были настолько удивительны, что большинство астрономов, вероятно, считали, что могут быть некоторые другие, менее экзотические объяснения полученных им результатов.

Одностраничная статья Цвикки в 1937 году была столь же замечательной. Он предложил три различных применения для гравитационного линзирования: (1) проверка общей теории относительности, (2) использование промежуточных галактик в качестве своего рода телескопа, чтобы увеличить более отдаленные объекты, которые иначе были бы невидимыми для телескопов на Земле, и, самое главное, (3) решение тайны, почему скопления, по всей видимости, весят больше, чем может обеспечить видимая материя: «Наблюдения отклонения света вокруг туманностей может дать нам возможность наиболее прямо определять их массы и прояснить вышеупомянутое расхождение».

Работе Цвикки уже семьдесят четыре года, но между тем она читается как современный проект использования гравитационного линзирования для исследования Вселенной. Действительно, все предложенное им свершилось, и последнее его предложение самое примечательное из всех. Гравитационное линзирование далеких квазаров промежуточными галактиками было впервые обнаружено в 1987 году, а в 1998 году, через шестьдесят один год после того, как Цвикки предложил взвешивать туманности, используя гравитационное линзирование, с его помощью определили массу большого скопления.

В том же году физик Тони Тайсон с коллегами из ныне несуществующей Bell Laboratories (с такими титулованными представителями и такими Нобелевскими традициями великой науки, от изобретения транзистора до открытия космического микроволнового фонового излучения) наблюдали удаленное большое скопление, колоритно обозначенное CL 0024 + 1654, расположенное примерно в 5 млрд. световых лет от Земли. На этом красивом изображении с космического телескопа Хаббл можно видеть яркий пример сложного изображения далекой галактики, расположенной еще на 5 миллиардов световых лет позади скопления, как сильно искаженные и удлиненные изображения среди большей частью шарообразных галактик.

Взгляд на эту картинку дает пищу для воображения. Во-первых, каждое пятнышко на этом фото — это галактика, а не звезда. В каждой галактике содержится, возможно, 100 миллиардов звезд, а с ними, вероятно, сотни миллиардов планет, и, возможно, давно исчезнувших цивилизаций. Я говорю давно исчезнувших, потому что изображению 5 миллиардов лет. Свет был излучен на 500 миллионов лет раньше, чем сформировались наше Солнце и Земля. Многие из звезд на фото больше не существуют, исчерпав свое ядерное топливо миллиарды лет назад. Кроме того, искаженные изображения как раз показывают, что то, что утверждал Цвикки, было возможно. Большие искаженные изображения слева от центра — сильно увеличенные (и удлиненные) версии этой далекой галактики, которой в противном случае, вероятно, не было бы видно вообще.

Отмотать пленку назад от этой фотографии, чтобы определить соответствующее распределение масс в скоплении — сложная и запутанная математическая проблема. Чтобы это сделать, Тайсон должен был построить компьютерную модель скопления и проследить лучи от источника через скопление во всех возможных направлениях, используя законы общей теории относительности, чтобы определить закономерные пути, пока они не будут лучше всего соответствовать наблюдениям исследователей. Когда всё утряслось, Тайсон с сотрудниками получили графическое изображение, которое показало, где именно располагалась масса в этой системе, изображенной на исходной фотографии.

Есть кое-что странное в этом изображении. Пики на графике представляют расположение видимых галактик на исходной фотографии, но большая часть массы системы находится между галактиками, распределенная плавным и темным образом. Масса между галактиками в системе фактически более чем в 40 раз превышает массу, содержащуюся в видимой материи (она в 300 раз больше, чем масса, содержащаяся в звездах, вместе с остальной видимой материей в горячем газе вокруг них). Темная материя, очевидно, не ограничивается галактикой, но еще и преобладает в скоплениях галактик.

Физики, занимающиеся элементарными частицами, как я, не были удивлены, обнаружив, что темная материя также доминирует в скоплениях. Несмотря на то, у нас не было ни малейших прямых доказательств, все мы надеялись, что количества темной материи было достаточно, чтобы привести к плоской Вселенной, а это означало, что во Вселенной должно было быть более чем в 100 раз больше темной материи, чем видимой.

Причина была проста: плоская вселенная является единственной математически красивой вселенной. Почему? Сейчас поясню.

Достаточно или нет темной материи для создания плоской вселенной, наблюдения, вроде тех, что получены гравитационным линзированием (напомню, что гравитационное линзирование получается в результате локального искривления пространства вокруг массивных объектов; форма Вселенной определяется глобальной средней кривизной пространства, без учета локальной ряби вокруг массивных объектов) и более поздние наблюдения в других областях астрономии подтвердили, что общее количество темной материи в галактиках и скоплениях намного превышает то, которое учитывается при расчетах нуклеосинтеза Большого Взрыва. Мы сейчас практически уверены, что темная материя — существование которой, я повторяю, было независимо подтверждено в целом ряде различных астрофизических вещей, от галактик до скоплений галактик — должна быть сделана из чего-то совершенно нового, чего-то, чего при нормальных условиях на Земле не существует. Это такой материал, который не является звездным либо земным материалом. Но это кое-что!