Вселенная из ничего - Лоуренс Краусс

Эти ранние заключения о темной материи в нашей Галактике породили целую новую область экспериментальной физики, и я рад сказать, что я сыграл определенную роль в ее развитии. Как я уже упоминал выше, частицы темной материи существуют вокруг нас — в комнате, где я печатаю, так же как и «там», в космосе. Следовательно, мы можем проводить эксперименты по поиску темной материи и нового типа элементарной частицы или частиц, из которых она состоит.

Эксперименты ведутся в шахтах и тоннелях глубоко под землей. Почему под землей? Потому что на поверхности Земли нас регулярно бомбардируют всякие космические лучи, от Солнца и гораздо более дальних объектов. Поскольку темная материя, по самой своей природе, не проявляет электромагнитного взаимодействия, чтобы создавать свет, мы предполагаем, что она взаимодействует с нормальной материей чрезвычайно слабо, так что ее будет чрезвычайно трудно обнаружить. Даже если нас каждый день бомбардируют миллионы частиц темной материи, большинство из них проходит через нас и Землю, даже не «зная», что мы здесь, и не замечая нас. Таким образом, если вы хотите обнаружить проявления очень редких исключений из этого правила, частицы темной материи, которые все-таки отскакивают от атомов вещества, то вам лучше приготовиться регистрировать очень редкие и нечасто случающиеся события. Только под землей вы достаточно защищены от космических лучей, чтобы это было возможно даже в принципе.

Однако пока я это пишу, появляется не менее захватывающая возможность. Как раз сейчас запускают Большой адронный коллайдер поблизости Женевы, Швейцария, крупнейший и самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц. Но у нас есть много оснований считать, что при очень высоких энергиях столкновений протонов в этом устройстве будут воссозданы условия, аналогичные тем, что были в очень ранней Вселенной, хотя лишь в микроскопически малых областях. В таких областях те же взаимодействия, которые в очень ранней Вселенной, возможно, впервые создали то, что в настоящее время является частицами темной материи, сейчас могут создавать подобные частицы в лаборатории! Таким образом, сейчас проходит большая гонка. Кто первым обнаружит частицы темной материи: экспериментаторы глубоко под землей или экспериментаторы на Большом адронном коллайдере? Хорошей новостью является то, что, если одна группа выиграет гонку, никто не проиграет. Мы все выиграем, изучая то, что в действительности представляет собой элементарное вещество материи.

Несмотря на то, что описанные мной астрофизические исследования не раскрыли природу темной материи, они говорят нам, как долго она существует. Окончательный, прямой расчет общего количества материи во Вселенной был выполнен на основе гравитационных измерений линзирования, вроде тех, что я описал, в сочетании с другими наблюдениями рентгеновского излучения из скоплений. Независимые подсчеты общей массы скоплений возможны потому, что температура газа в скоплениях, производящих рентгеновские лучи, связана с общей массой системы, из которой они излучаются. Результаты оказались неожиданными, и, как я уже упоминал, разочаровывающими для многих из нас, ученых. Поскольку, когда все прояснилось, в прямом и переносном смысле, общая масса галактик и скоплений, и вещества вокруг них, была оценена примерно в 30 процентов от общего количества массы, необходимой, чтобы привести к образованию плоской Вселенной сегодня. (Заметьте, что это более чем в 40 раз больше массы, которая могла бы считаться видимой материей, что, следовательно, составляет менее 1 процента от массы, необходимой для образования плоской вселенной.)

Эйнштейн был бы поражен, узнав, что его «небольшая публикация» в конечном счете была далеко не бесполезной. Дополненный новыми замечательными инструментами экспериментов и наблюдений, открывшими нам новые окна в космос, новыми теоретическими разработками, которые бы поразили и восхитили Эйнштейна, и открытием темной материи, которое, наверняка, подняло бы его кровяное давление, маленький шаг Эйнштейна в мир искривленного пространства, в конечном счете, превратился в гигантский скачок. В начале 1990-х годов Святой Грааль космологии, по-видимому, был обретен. Наблюдениями было установлено, что мы живем в открытой Вселенной, которая поэтому будет расширяться вечно. Или нет?

Глава 3: Свет от начала времен

И ныне, и присно, и во веки веков.

Если вы размышляете, пытаясь определить общую кривизну Вселенной, измеряя содержащуюся в ней общую массу, а затем используя уравнения общей теории относительности, отматывание пленки назад имеет огромные потенциальные проблемы. Вы неизбежно должны задаться вопросом, скрыта ли материя так, что мы не можем ее обнаружить. Например, мы можем исследовать наличие материи в этих системах, используя гравитационную динамику видимых систем, таких как галактики и скопления. Если значительная масса каким-то образом находится в другом месте, мы ее пропустим. Было бы гораздо лучше непосредственно измерить геометрию всей видимой Вселенной.

Но как можно измерить трехмерную геометрию всей видимой Вселенной? Легче начать с более простого вопроса: как бы вы определили, что двумерный объект, такой как поверхность Земли, был изогнут, если бы не могли обойти вокруг Земли и не могли подняться над ней в спутнике и посмотреть вниз?

Во-первых, вы могли бы спросить ученика средней школы, какова сумма углов в треугольнике? (Только выбирайте среднюю школу тщательно… Европейская школа подойдет.) Вам бы сказали, что 180 градусов, потому что ученик, без сомнения, изучал евклидову геометрию — геометрию, ограниченную плоским листом бумаги. На изогнутой двумерной поверхности, такой как глобус, вы можете нарисовать треугольник, сумма углов которого намного больше, чем 180 градусов. Рассмотрим, например, линию, нарисованную вдоль экватора, затем идущую под прямым углом, доходящую до Северного полюса, а затем идущую еще под прямым углом на юг к экватору, как показано ниже. Три раза по 90 дает 270, намного больше, чем 180 градусов. Вуаля!

Оказывается, это просто, двумерное мышление распространяется прямо и одинаково на три измерения, потому что математики, которые впервые предложили неплоскую, или так называемую неевклидову, геометрию поняли, что одни и те же возможности могут существовать в трех измерениях. Кстати, самый известный математик девятнадцатого века, Карл Фридрих Гаусс, был так очарован возможностью, что наша Вселенная может быть изогнута, что взял данные карт геодезической съемки за 1820-е и 30-е годы, чтобы измерить большие треугольники между немецкими горными вершинами Hoher Hagen, Inselberg и Bracken, и определить, может ли он обнаружить какую-либо кривизну самого пространства. Конечно, тот факт, что эти горы находятся на изогнутой поверхности Земли, означает, что двумерная кривизна поверхности Земли мешала бы любым измерениям, которые он выполнял, чтобы исследовать кривизну в фоновом трехмерном пространстве, в котором находится Земля, что он должен был знать. Я предполагаю, что он планировал вычесть все такие вклады из своих конечных результатов, чтобы увидеть, мог ли быть связан какой-либо возможный остаток кривизны с искривлением фонового пространства.

Первым человеком, попытавшимся окончательно измерить кривизну пространства, был никому не известный математик Николай Иванович Лобачевский, живший в далекой Казани в России. В отличие от Гаусса, Лобачевский был фактически одним из двух математиков, имевших смелость предположить в печати возможность так называемых гиперболических криволинейных геометрий, где параллельные линии могут расходиться. Примечательно, что Лобачевский опубликовал свою работу по гиперболической геометрии (которую мы теперь называем «отрицательно искривленными» или «открытыми» вселенными) в 1830 году.

Вскоре после этого, рассматривая, может ли наша собственная трехмерная вселенная быть гиперболической, Лобачевский предположил, что есть возможность «исследовать звездный треугольник для экспериментального решения этого вопроса». Он предположил, что можно воспользоваться наблюдениями за яркой звездой Сириус, когда Земля была по разные стороны своей орбиты вокруг Солнца, с интервалом в шесть месяцев. Исходя из наблюдений, он пришел к выводу, что кривизна нашей Вселенной должна быть, по крайней мере, в 166 000 раз больше радиуса орбиты Земли.

Это большое число, но это тривиально мало по космическим масштабам. К сожалению, тогда как у Лобачевского была правильная идея, он был ограничен технологиями своего времени. Однако сто пятьдесят лет спустя ситуация улучшилась благодаря наиболее важному из всех наблюдений в космологии: измерению космического микроволнового фонового излучения, или реликтового излучения.