Я не согласен с мнением, что Вселенная — это загадка, нечто не поддающееся пониманию и анализу, то, о чем можно получить лишь интуитивное представление. Я чувствую, что такое воззрение несправедливо по отношению к научной революции во всех областях мироздания, начатой почти четыреста лет назад Галилеем и продолженной Ньютоном. Два этих гения наглядно показали, что, по крайней мере, некоторые части Вселенной ведут себя не произвольным образом, а подчиняются точным математическим законам.

С. Хокинг. Черные дыры и молодые вселенные

В своих научных популяризациях, подобных «Краткой истории времени», Хокинг постепенно подводил читателей к современной картине Мира. До 1915 года пространство и время воспринимались как некая жесткая арена для событий, на которую все происходящее никак не влияет. Так обстояло дело даже в специальной теории относительности. Тела двигались, силы притягивали и отталкивали, но время и пространство просто оставались самими собой, их это не касалось. И было естественно думать, что пространство и время бесконечны и вечны.

В общей же теории относительности ситуация совершенно иная. Пространство и время теперь динамические величины: когда движется тело или действует сила, это изменяет кривизну пространства и времени, а структура пространства-времени в свою очередь влияет на то, как движутся тела и действуют силы. Пространство и время не только влияют на все, что происходит во Вселенной, но и сами изменяются под влиянием всего в ней происходящего. Как без представлений о пространстве и времени нельзя говорить о событиях во Вселенной, так в общей теории относительности стало бессмысленным говорить о пространстве и времени за пределами Вселенной.

Одним из самых удивительных парадоксов современного естествознания является то, что мы совершенно не знаем, из чего состоит подавляющее большинство массы окружающей нас материи. В середине прошлого века у астрономов стала крепнуть уверенность, что в глубине космоса происходит что-то непонятное, связанное с наличием некоей скрытой массы Метагалактики, названной впоследствии темной материей. С тех пор в стане астрономов, космологов и астрофизиков не утихают споры по поводу происхождения и природы темной материи.

В этой полемике всегда активно участвовал и Хокинг. Он широко обсуждал парадоксы вращения гигантских спиральных галактик. Вместе с бывшим королевским астрономом Мартином Рисом он написал работу о далеких галактиках. В ней представлены «звездные острова» Метагалактики в образе своеобразных галактических центрифуг, выбрасывающих массу легкого межзвездного водорода на периферию. Так вот, спектральное излучение подобных микроскопических спутников, окутывающих окраины галактик, показывает, что вращаются они гораздо быстрее, чем следовало бы. Получается, что галактические частицы вращаются не как планеты Солнечной системы — по законам Кеплера, а как части некоего пространственного галактического твердого тела, «цементируемого» гравитацией неизвестной материи.

После исследований Риса и Хокинга среди большинства ученых утвердилось мнение, что именно скрытая масса вместе с еще более таинственной темной энергией возникла почти сразу же после Большого взрыва, когда еще не существовало знакомых нам элементарных частиц и полей. Масло в огонь споров о сущности темной материи добавило открытие конца прошлого века, наглядно показавшее, что галактики, как осколки Большого взрыва, не только не замедляют свой разбег, двигаясь «на излете», а наоборот, продолжают наращивать скорость. Все это ученые связывают именно с влиянием неизвестных «темных» частиц, наполняющих Вселенную.

Состав Метагалактики

Незадолго до ухода Хокинг писал, что несмотря на очень большое количество исследований, сказать что-то более-менее определенное о материальной основе нашего мира очень трудно. Ведь «скрытая масса» очень слабо взаимодействует с различными видами излучения, такими, как радиоволны, инфракрасное излучение, ультрафиолет. Однако, как и «нормальная» материя, темная составляющая Вселенной обладает вполне определенной массой, взаимодействующей гравитационным образом с обычной материей звезд, планет, малых небесных тел и газопылевых туманностей.

С этой точки зрения все чаще предлагаются сценарии ранней эволюции нашего Мира, в которых темная материя играет важнейшую роль первичных гравитационных зерен. Именно подобные «темные гравиконцентраты» могли бы вызвать локальное увеличение пространственной плотности энергии. Избыточная плотность гравитации в таких областях новорожденного Мира притягивала бы к себе все окружающее вещество, превращая в зародыши будущих галактик.

Сегодня большинство астрофизиков сходится на том, что масса невидимой материи Вселенной далеко не ограничивается скрытой от нас массой обычных небесных тел и распыленного вещества, а склонны добавлять к ней и совокупную массу все еще не открытых видов элементарных частиц. Они даже получили специальное название — «массивные частицы слабого взаимодействия». Теоретически они не должны проявлять себя во взаимодействии со световым и прочим электромагнитным излучением, а наша Галактика может быть со всех сторон облачена сферической оболочкой из таких частиц. Земля, в силу своего движения, должна постоянно находиться под воздействием «ветра скрытых частиц», и вполне возможно, что с течением времени одна из частиц такого «темного ветра» вступит во взаимодействие с одним из земных атомов и возбудит колебания, необходимые для ее регистрации.

Лаборатории, проводящие подобные эксперименты, уже сообщают о том, что получены первые намеки на подтверждение реального существования шестимесячного полупериода колебания частоты регистрации сигналов об аномальных событиях подобного ряда. Именно этого и следовало ожидать, поскольку полгода Земля движется по околосолнечной орбите навстречу ветру скрытых частиц, а в следующие полгода ветер дует «вдогонку», и частицы залетают на Землю реже.

Главная проблема тут в том, что еще до формирования атомов, на протяжении примерно первых трехсот тысяч лет после Большого взрыва, Вселенная пребывала в протоплазменном состоянии. Любое ядро привычной нам материи распадалось, не успев сформироваться, под мощнейшими энергиями бомбардировки со стороны перегретых частиц раскаленной, сверхплотной, непрозрачной плазмы. После того как Вселенная расширилась до некоторой степени прозрачности разделяющего вещество пространства, начали, наконец, формироваться легкие атомные ядра. Но к этому моменту Вселенная расширилась уже настолько, что силы гравитационного притяжения не могли противодействовать кинетической энергии разлета осколков Большого взрыва, и все вещество, по идее, должно было бы разлететься, не дав сформироваться устойчивым галактикам, которые мы наблюдаем. В этом и состоит смысл своеобразного галактического парадокса, долгое время ставившего под сомнение саму теорию Большого взрыва.

Вопрос существования темной материи до последнего времени вызывал ожесточенные споры среди ученых. Одни говорили, что это призрачный миф, другие, напротив, считали ее существование вполне закономерным. Необходимы были убедительные доказательства наблюдения этой невидимой субстанции, и одна из первых попыток была сделана при помощи рентгеновской космической обсерватории «Чандра» в исследованиях гравитационного взаимодействия скоплений галактик. Эти грандиозные космические структуры образовались сотни миллионов лет назад и в результате взаимного проникновения отдельных галактик стали пронизывать друг друга со скоростью около 5000 км / c, чтобы, в конце концов, предстать в нынешнем виде. При проникновении таких больших масс друг в друга неизбежны гравитационные флуктуации, изменяющие направление и скорость движения отдельных членов скопления и газовых облаков.

Но какие частицы составляют темную материю, пока неизвестно. Можно лишь утверждать, что это не обычные частицы, из которых состоят окружающие нас предметы, а также планеты, звезды (и мы сами); то есть это не протоны, не нейтроны и не электроны. Фундаментальная физика может предложить на роль частиц темной материи только гипотетические частицы, которые никогда еще не наблюдались в лаборатории. Они должны быть, скорее всего, довольно массивными, в тысячи раз превышая массу протона. Они не должны обладать электрическим зарядом и вообще участвовать в электромагнитном взаимодействии, им разрешено только слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад атомных ядер и, конечно, гравитационное.

Еще более странной субстанцией, чем темная материя, является темная энергия. В отличие от сгустков массивных частиц слабого взаимодействия темная энергия «разлита» по всей нашей Вселенной, равномерно заполняя и скопления галактик, и пустые межгалактические провалы космоса. Самое необычное — то, что темная энергия в определенном смысле связана с антигравитационным воздействием. Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что, начиная с недалекого прошлого, Вселенная начала расширяться с возрастающим ускорением, как если бы включился некий гипотетический генератор антигравитации. Обычная гравитация с течением времени должна была бы приводить к обратному эффекту замедления разбегания галактик.

Правда, существуют и иные объяснения ускоренного расширения нашего Мира, исходящие из предположения, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такие гипотезы ведут к далеко лежащим выводам об определенной ограниченности самой общей теории относительности. По-видимому, если ее обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.

К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных.

Прежде считалось, что разбегание галактик может только замедляться под действием их собственного тяготения. Но ускорение означает, что в природе имеется не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение, которое преобладает над тяготением в наблюдаемой Вселенной. Антитяготение создается не галактиками (с их обычным светящимся барионным веществом и темной материей), а некоей особой космической энергией, в которую погружены все галактики, — темной энергией.

Темная энергия темна по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, она невидима — не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны.

Эта универсальная константа была введена в космологию Эйнштейном, когда он применил только что созданную им общую теорию относительности к изучению Мира, рассматриваемого как некое единое целое. Эйнштейн решил эту задачу и представил результат в виде физико-математической модели Вселенной. Модель описывала Вселенную как статичную, вечную и неизменную физическую систему.

Во Вселенной Эйнштейна притяжение всех тел природы друг к другу… отсутствовало. Ньютоновское всемирное тяготение при этом, однако, не отменялось; но помимо него в эйнштейновской модели действовал еще один силовой фактор — всемирное антитяготение, которое полностью компенсировало взаимное тяготение космических тел в масштабе всей Вселенной.

Ничего подобного прежняя, до-эйнштейновская, физика не знала. Но антитяготение не вытекало в действительности и из общей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Тем не менее она органично и в исключительно экономной форме была введена в структуру общей теории относительности, в ее математические уравнения. Антитяготение было представлено в этих уравнениях всего одной, притом постоянной физической величиной, которая и получила позднее название космологической константы. Она обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения — без нее теория не допускала бы статичности мира.

Большинство современных космологов, так же, как и профессор Хокинг, однозначно связывают физический смысл космологической константы с параметрами вакуума, считая, что открытая астрономами темная энергия — это энергия вакуума. Возникли предположения, что в нем скрыто отрицательное давление, и из-за этого в веществе возникает сила, приводящая к дополнительному расталкиванию галактик. Но структура вакуума и сама по себе с физической точки зрения носит сугубо гипотетический характер.

Разумеется, отрицательное давление вакуума со всех точек зрения является совершенно необычным явлением, ведь давление в жидкости или газе, как правило, положительно. Правда, в окружающей природе тоже есть примеры отрицательного давления внутри вихрей торнадо или при взрыве объемных боеприпасов, но это требует особых условий, хотя и не является чем-то исключительным. Однако отрицательное давление вакуума — это его основное и исключительное качество.

Сама по себе возможность проявления вакуумного антитяготения следует из теории гравитации Эйнштейна, ведь согласно ей тяготение создается не только плотностью среды, но и ее давлением. Так что эффективная плотность, создающая тяготение, складывается как бы из двух слагаемых. Отсюда и антитяготение вакуума: отрицательная эффективная плотность создает эффект антигравитации. Получается, что если поместить в вакуум две частицы, то они начнут разлетаться, как если бы всемирное вакуумное антитяготение стремилось удалить их друг от друга.

Так как по наблюдательным данным о сверхновых плотность вакуума превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии, в наблюдаемой Вселенной антитяготение сильнее тяготения, и космологическое расширение обязано происходить с ускорением. Раз наблюдаемое расширение Вселенной происходит с ускорением, оно будет продолжаться неограниченно долго — ничто уже не способно этому помешать. При этом средняя плотность не-вакуумной компоненты — вещества и излучения — будет при расширении только убывать. Но это означает, что создаваемое ими тяготение никогда уже не возобладает во Вселенной. Доминирование вакуума будет только усиливаться, а разбегание галактик происходить все быстрее и быстрее.

Обратимся от будущего Вселенной к ее прошлому. Если смотреть назад по времени, то мы увидим, что плотность вещества в прошлом была больше, чем сейчас. В раннюю эпоху расширения она превосходила плотность вакуума. Был и такой момент в истории Вселенной, когда плотность вещества равнялась эффективной плотности вакуума. В этот миг тяготение вещества точно компенсировалось антитяготением вакуума: это был момент нулевого ускорения в динамической истории мира.

Можно сказать, что чем сильнее разгоняется космологическое расширение под воздействием антигравитации вакуума, тем ближе становится наш Мир, как целое, к абсолютной неизменности и полному покою. В таком мире все события неразличимы, а это означает, что в нем нигде ничего не происходит, и потому этот мир вечен и неизменен. Такой мир напоминает статический мир модели Эйнштейна. Но в модели Эйнштейна покой достигался равновесием тяготения вещества и антитяготения вакуума. В мире вакуума такого равновесия нет, ведь антигравитация вакуума ничем не уравновешена, и тем не менее этот мир тоже находится в покое. Оказывается, что покой не обязательно предполагает равновесие сил — если речь идет о вакууме. Будучи сам неизменным, он делает и мир неизменным — в отсутствие других сил.

Из всех этих данных и соображений вытекает простая картина ближнего объема Вселенной. Главные ее черты таковы: имеется центральная масса Местной группы галактик и разбегающиеся от нее ближайшие галактики, а все это погружено в однородную темную энергию космического вакуума. На достаточно больших расстояниях от Местной группы ее тяготением можно полностью пренебречь по сравнению с антитяготением темной энергии вакуума. На таких расстояниях галактики движутся на идеально регулярном фоне вакуума, который их разгоняет. Так глобальное расширение всей Вселенной и локальное разбегание галактик в ближнем объеме оказываются динамически сходными и связанными — благодаря темной энергии вакуума.

Поиски новых экспериментальных свидетельств присутствия темной энергии и попытки теоретически осмыслить их результаты превратились сегодня в целую космологическую индустрию, включающую самые разнообразные исследования по всему временному спектру от ранней до современной Вселенной. Есть множество указаний на то, что уравнение состояния темной энергии менялось со временем, так что для воссоздания достаточно полной картины необходимо накопить информацию, относящуюся ко всем эпохам эволюции Вселенной. Таким образом, космологи получат информацию о замедлении расширения Вселенной вследствие притяжения материи и о его ускорении темной вакуумной энергией в различные исторические периоды подобно тому, как сведения об изменении климата на Земле черпают из наблюдений за шириной колец на спилах деревьев.

Парадоксальные и даже в чем-то противоречивые свойства темной энергии дали повод физикам назвать новую полевую субстанцию архаичным термином натурфилософов древности — квинтэссенция. Означает оно, что это некое новое универсальное поле фундаментального характера, но на самом деле это пока только сугубо умозрительные соображения. Есть и другие гипотезы, весьма экзотические, о том, что гравитация на больших расстояниях не подчиняется теории относительности. Но пока построить в границах подобных инновационных представлений внутренне непротиворечивую теоретическую модель не удается. Теоретики не могут также предложить экспериментаторам какие-либо разумные схемы проверочных экспериментов. В целом такая ситуация, когда совершенно не видно способов проверить лабораторно хотя бы отдельные части теории, является достаточно необычной, можно сказать, даже странной для физики.

Если считать, что главной причиной ускоренного расширения пространства-времени является темная энергия, то будущее нашего Мира напрямую зависит от ее стабильности. Если таинственная антигравитирующая квинтэссенция устойчива, то через вполне определенный период все видимое пространство расширится настолько, что другие галактики скроются за горизонтом видимой части Вселенной — Метагалактики — и астрономы будущего уже никогда их больше не увидят. При этом наша Галактика примет вид гигантской черной дыры, в которую сольются в конце своего жизненного пути крупные звезды центральной части, окруженной потухшими звездами периферии. А вот если темная энергия пульсирует, будучи нестабильной, то могут быть и более оптимистичные сценарии далекого будущего.

Разумеется, футурологам хотелось бы пофантазировать на тему освоения загадки темной квинтэссенции, и здесь рано еще делать какие-либо научные прогнозы. Тем не менее, можно не сомневаться, что если темная энергия будет обнаружена в лабораторных условиях, то физики и инженеры обязательно найдут ей практическое применение.

К примеру, из антигравитирующий субстанции вполне можно было бы строить те же подпространственные червоточины, используя их в тоннелях, ведущих в иные миры… Правда, современных мечтателей несколько расхолаживают оценки астрономов для эффективной плотности темной энергии, обеспечивающей именно данное значение ускоренного расширения нашего Мира. Ведь если темная энергия распределена более-менее равномерно, то ее плотность совершенно ничтожна, составляя около 10^–33 граммов в кубометре космоса, что соответствует всего лишь десятку обычных атомов. Даже сверхразряженный межзвездный газ в несколько раз плотнее.

В среде астрономов обнаружение антигравитационной квинтэссенции принесло не только радость научного открытия, но и множество трудноразрешимых проблем. Так, под угрозой оказался проверенный временем стандартный сценарий развития модели Большого взрыва. В то же время существует довольно много скептически настроенных ученых, которые вообще отказываются верить в само существование темной энергии и вызванное ею ускоренное расширение пространства. Сейчас уже можно сказать, что открытие удивительной квинтэссенции застигло врасплох не только астрономов, но и привыкших ко всяческим сюрпризам природы физиков-теоретиков, похоже, что вначале им просто нечего было предложить по существу. Пока же ясно одно: незначительная часть нашего Мира состоит из обычного вещества, включающего известные и не известные еще нам частицы, а подавляющая его часть имеет форму вакуумоподобной энергии, однородно разлитой по всей Вселенной.