Текст книги "Вселенная из ничего: почему не нужен Бог, чтобы из пустоты создать Вселенную"

Литий, конечно, тоже интересный элемент, и многие его любят, однако для нас с вами гораздо важнее более тяжелые ядра – углерод, азот, кислород, железо и т. д. Они в результате Большого взрыва не возникли. Создание их возможно только в раскаленных недрах звезд. А попасть к вам в организм они сумеют, только если звезда окажет им любезность и взорвется, развеяв свою продукцию по космосу, и тогда в один прекрасный день атомы встретятся, соединятся и войдут в состав маленькой голубой планетки, расположенной возле звезды по имени Солнце, и ее атмосферы. За всю историю нашей Галактики в ней взорвалось около 200 миллионов звезд. Эти сонмища звезд пожертвовали собой, если хотите, ради того, чтобы вы когда-нибудь родились. По-моему, они подходят на роль Спасителей ничуть не хуже любой другой кандидатуры.

Как показали тщательные исследования, проведенные в девяностые годы, взрывающиеся звезды определенной разновидности, так называемые сверхновые типа Ia, обладают замечательным свойством: те сверхновые типа Ia, которые родились более яркими, светят дольше. Эмпирически эта зависимость прослеживается очень надежно, хотя теоретически мы еще не вполне понимаем, почему это так. А значит, такие сверхновые служат прекрасными «стандартными свечами». То есть с их помощью можно калибровать расстояния, поскольку яркость при рождении можно непосредственно определить при помощи измерения, не зависящего от расстояния до них. Если мы наблюдаем сверхновую в далекой галактике, а это нам по силам, потому что сверхновые очень яркие, – то можно пронаблюдать, сколько времени она светится, и установить ее первоначальную яркость. А тогда, измеряя абсолютную величину потока света от такой сверхновой, попадающего в наш телескоп, можно точно подсчитать, на каком расстоянии находится от нас и сама сверхновая, и ее галактика. А затем, измерив «красное смещение» света от других звезд в этой галактике, можно определить ее скорость и таким образом сравнить скорость галактики с расстоянием до нее и вычислить темп расширения Вселенной.

Пока что все хорошо, но если сверхновые взрываются только раз в сто лет в отдельно взятой галактике, каков шанс вообще их заметить? Ведь последний раз взрыв сверхновой в нашей Галактике наблюдал еще Иоганн Кеплер в 1604 году! Правду говорят, что сверхновые в нашей Галактике наблюдаются только при жизни великих астрономов, а Кеплер, безусловно, заслуживает такого звания.

Сначала Кеплер был простым австрийским учителем математики, а затем стал помощником астронома Тихо Браге, который тоже – еще до Кеплера – наблюдал сверхновую в нашей Галактике и за это получил в дар от датского короля целый остров. На основании данных о положении планет, собранных Браге более чем за десять лет, Кеплер в начале XVII века вывел три своих знаменитых закона движения планет.

1. Планеты движутся вокруг Солнца по эллипсам.

2. Прямая, соединяющая планету с Солнцем, заметает равные площади за равные промежутки времени.

3. Квадрат периода обращения планеты по орбите прямо пропорционален кубу большой полуоси его орбиты (то есть большой полуоси эллипса – половины отрезка, пересекающего эллипс в самом широком месте).

А эти законы, в свою очередь, почти сто лет спустя легли в основу закона всемирного тяготения Ньютона. Но это не единственное замечательное достижение Кеплера: он еще и успешно защитил собственную мать от обвинений в ведьмовстве и написал, возможно, первое в истории научно-фантастическое произведение – о путешествии на Луну.

В наши дни, чтобы увидеть сверхновую, надо просто посадить по аспиранту наблюдать за каждой галактикой в небе. Ведь в космических масштабах сто лет – это период, не слишком сильно отличающийся от среднего времени написания диссертации, а аспирантов на свете много и обходятся они недорого. Однако, к счастью, можно обойтись и без таких крайних мер – по очень простой причине: Вселенная стара и очень велика, а поэтому редкие события в ней происходят сплошь и рядом.

Так что отправляйтесь как-нибудь ночью на лесную поляну или в пустыню, где хорошо видно звезды, и поднимите руку к небу, соединив большой и указательный пальцы в кружок размером примерно с десятицентовик. Нацельтесь на темный участок неба, где звезд вообще не видно. В достаточно большой телескоп, которыми сегодня пользуемся мы, астрономы, на этом клочке неба можно различить около 100 000 галактик, и в каждой – миллиарды звезд. А поскольку в каждой из этих галактик раз в сто лет взрывается сверхновая, вполне можно ожидать, что за ночь на этом участке неба взорвется, скажем, три звезды.

Именно этим астрономы и занимаются. Они запрашивают время для работы на телескопе – и наблюдают то одну, то две сверхновые звезды за ночь, а иногда погода стоит пасмурная и вообще ничего не видно. Таким образом нескольким исследовательским группам удалось определить постоянную Хаббла с погрешностью менее 10 процентов. Новая величина – около 70 километров в секунду для галактик, находящихся от нас на среднем расстоянии в 3 миллиона световых лет, – почти на порядок меньше, чем получилось у Хаббла и Хьюмасона. В результате мы делаем вывод, что возраст Вселенной ближе к 13 миллиардам лет, а вовсе не к полутора миллиардам.

Как я еще покажу, эта цифра тоже полностью совпадает с независимыми оценками возраста самых старых звезд в нашей Галактике. Четыреста лет современной науки – от Браге и Кеплера до Леметра, Эйнштейна и Хаббла, от спектров звезд до распространенности легких элементов – составили яркую, непротиворечивую картину расширяющейся Вселенной. Все сходится. Картина Большого взрыва получилась очень стройной.

Глава 2. Сага о тайнах Вселенной. Космос на вес

Бывает известное известное. Это когда мы знаем, что что-то знаем. Бывает известное неизвестное. Это когда мы знаем, что чего-то не знаем. Но бывает еще и неизвестное неизвестное. Это когда мы чего-то не знаем – и не знаем, что не знаем.

Дональд Рамсфельд

Теперь, когда мы установили, что у Вселенной было начало и зародилась она в определенный момент в прошлом, который можно рассчитать, приходит на ум следующий резонный вопрос: «А чем все это кончится?»

Вообще говоря, именно этот вопрос заставил меня в свое время покинуть родное поприще – физику частиц – и углубиться в дебри космологии. В семидесятые и восьмидесятые годы XX века из детальных измерений движения звезд и газа в нашей Галактике, а также из измерений движения галактик в крупных скоплениях галактик, так называемых кластерах, напрашивался все более и более очевидный вывод, что во Вселенной есть что-то такое, чего не видно на первый взгляд – ни невооруженным глазом, ни даже в телескоп.

Главная сила, которая действует на огромном масштабе галактик, – это гравитация, поэтому измерение движения объектов на подобных масштабах позволяет исследовать гравитационное притяжение, которое управляет этим движением. Подобные измерения начались с новаторской работы американского астронома Веры Рубин и ее коллег в начале семидесятых годов XX века.

Рубин защитила диссертацию в Джорджтаунском университете, а до этого училась на вечернем отделении, пока муж ждал ее в машине, потому что водительских прав у нее не было. Она подавала документы в Принстон, в аспирантуру по астрономии, но туда до 1975 года не принимали женщин. Рубин стала второй женщиной, получившей Золотую медаль Королевского астрономического общества. Эта награда и многочисленные другие заслуженные почести достались ей благодаря революционным наблюдениям и расчетам темпа вращения нашей Галактики. Вера Рубин наблюдала звезды и горячий газ, находившиеся все дальше и дальше от центра нашей Галактики, и определила, что эти области движутся гораздо быстрее, чем в случае, если бы сила гравитации, управляющая их движением, соответствовала массе всех наблюдаемых объектов внутри Галактики. Впоследствии благодаря трудам Рубин космологам стало ясно, что объяснить это движение можно лишь одним способом – предположить, что в нашей Галактике массы гораздо больше, чем получается, если сложить массы всех этих звезд и горячего газа.

Однако в этой гипотезе была одна сложность. Те самые расчеты, которые прекрасно описывали наблюдаемую распространенность легких элементов (водорода, гелия и лития) во Вселенной, позволяют примерно судить об общем количестве протонов и нейтронов – составных частей обычного вещества. Тут все как в кулинарном рецепте, просто кухня у нас ядерная: объем получившегося блюда зависит от того, сколько в него положить каждого из ингредиентов. Если удваиваешь рецептуру – кладешь, например, четыре яйца вместо двух – и конечного продукта, в данном случае глазуньи, получится в два раза больше. Однако первоначальное количество протонов и нейтронов во Вселенной, возникшее при Большом взрыве и определенное в соответствии с наблюдаемым количеством водорода, гелия и лития, говорит о том, что вещества примерно в два раза больше, чем мы видим в звездах и раскаленном газе. Где же все эти частицы?

Придумать, где спрятать протоны и нейтроны, довольно легко – на свете полным-полно ничем не примечательных сугробов, планет и космологов, – поэтому многие физики предположили, что существуют какие-то невидимые – «темные» – объекты, в которых столько же протонов и нейтронов, сколько и в видимых. Однако если посчитать, сколько этого «темного вещества» нужно, чтобы объяснить движение вещества в нашей Галактике, мы обнаружим, что отношение общего количества вещества к видимому – вовсе не два к одному, а скорее десять к одному. Если это не ошибка, темная материя состоит не из протонов и нейтронов. Их просто не хватит.

В начале 1980 годов я был юным физиком-ядерщиком, и когда я узнал о том, что, вероятно, существует экзотическая черная материя, то пришел в восторг. Ведь из этого буквально следовало, что доминирующие частицы во Вселенной – это не старые добрые нейтроны и протоны, которых кругом навалом, а, возможно, какая-то совершенно новая элементарная частица, что-то, чего в наши дни нет на Земле, что-то загадочное, струящееся меж звезд – какой-то тайный режиссер-постановщик гравитационного балета, который мы зовем галактикой.

Однако лично меня еще больше приводили в восторг три новых направления исследований, которые потенциально могли представить природу реальности в совершенно новом свете.

1. Если эти частицы созданы при Большом взрыве, как и легкие элементы, о которых я уже писал, то мы наверняка можем опереться на представления о силах, управляющих взаимодействиями элементарных частиц (а не взаимодействиями ядер, которые важны при определении распространенности химических элементов), чтобы оценить распространенность этих неизвестных экзотических частиц в сегодняшней Вселенной.

2. Может быть, удастся вычислить общую распространенность темной материи во Вселенной на основании теоретических идей физики элементарных частиц либо, вероятно, предложить новые эксперименты по обнаружению темной материи; и то и другое покажет, сколько во Вселенной вещества в целом, а следовательно, какова геометрия нашей Вселенной. Задача физики – не изобретать то, чего мы не видим, чтобы объяснить то, что мы видим, а разобраться, как увидеть то, чего мы не видим, – увидеть то, что раньше было невидимым, известное неизвестное. Каждая новая элементарная частица-кандидат в темное вещество подразумевает новые варианты экспериментов, которые позволили бы непосредственно зарегистрировать частицы темного вещества в их шествии через Галактику: надо построить на Земле приборы, которые бы регистрировали такие частицы, когда Земля натыкается на них при движении через пространство. Если частицы темного вещества пронизывают всю Галактику рассеянными потоками, значит, они уже здесь, вокруг нас, их присутствие могут выявить наземные детекторы и можно не высматривать в телескопы далекие объекты.

3. Если мы сумеем выявить природу темного вещества и измерить его распространенность, то, пожалуй, сможем определить, каков будет конец Вселенной.

Последний пункт, наверное, самый интересный, поэтому начну с него. Честно говоря, я и в самом деле пошел в космологию, потому что хотел стать первым, кто узнает, чем кончится история Вселенной. Мне тогда казалось, что интереснее ничего и быть не может.

Когда Эйнштейн разрабатывал общую теорию относительности, в ее основе лежало предположение, что в присутствии вещества или энергии пространство искривляется. Эта теоретическая идея перестала быть чистой спекуляцией в 1919 году, когда две экспедиции пронаблюдали, как свет звезд огибает Солнце во время солнечного затмения – в точном соответствии с тем, как Солнце должно было искривлять пространство вокруг себя по расчетам Эйнштейна. Эйнштейн практически мгновенно прославился – и теперь его имя знают все. Принято считать, будто известность ему принесло уравнение E = mc ², опубликованное на пятнадцать лет раньше, но это лишь распространенное заблуждение.

Так вот, если пространство потенциально искривлено, то геометрия всей нашей Вселенной сразу становится гораздо интереснее. В зависимости от общего количества вещества во Вселенной, она может существовать в геометрии трех разных типов – речь идет о так называемых открытой, замкнутой и плоской моделях Вселенной.

Вообразить, как именно выглядит искривленное трехмерное пространство, довольно трудно. Поскольку мы – существа трехмерные, нам не легче интуитивно представить себе искривленное трехмерное пространство, чем двумерным героям знаменитой книги про Флатландию – вообразить, как выглядел их мир в глазах трехмерного наблюдателя, если бы оказался искривлен наподобие, например, поверхности сферы. Более того, если искривление совсем небольшое, то трудно представить себе, как его можно обнаружить в повседневной жизни, – вот, скажем, и в Средние века многие были уверены, что Земля плоская, поскольку она выглядела плоской с их точки зрения.

Представить себе искривленные трехмерные Вселенные, повторяю, довольно трудно: вот, скажем, замкнутая Вселенная – это трехмерная сфера в четырехмерном пространстве, что само по себе звучит устрашающе. Зато их в некотором смысле легко описать. Если в замкнутой Вселенной долго-долго смотреть в одном направлении, то в конце концов увидишь собственный затылок.

Хотя эти экзотические геометрии могут показаться и чистым курьезом, и попыткой произвести впечатление в беседе, на практике их существование приводит к очень важным последствиям. Общая теория относительности недвусмысленно утверждает, что замкнутая Вселенная, чья плотность энергии определяется в основном веществом вроде звезд и галактик и в еще больше степени – экзотическим темным веществом, в один прекрасный день должна схлопнуться обратно: в сущности, это будет процесс Большого взрыва наоборот – Большой Хруст, если угодно. Открытая Вселенная будет и дальше расширяться в конечном темпе, а плоская Вселенная займет промежуточное положение – будет замедляться, но никогда не остановится. Поэтому определение количества темного вещества, а следовательно, общей плотности массы во Вселенной, обещало дать ответ на вековечный вопрос (если и не вековечный, то, по крайней мере, такой же древний, как Т. С. Элиот): чем же кончится мир – хныканьем или взрывом? Сага об определении общего количества темного вещества насчитывает уже как минимум полвека, и о ней можно написать целую книгу – честно говоря, я так и сделал, и книга называется «Quintessence» («Квинтэссенция»). А сейчас я докажу, что и в самом деле лучше один раз увидеть (картинку), чем сто (или даже сто тысяч) раз услышать (слова), – но сначала все-таки словами и только потом – картинкой.

Самые крупные объекты во Вселенной, которые держатся силой гравитации, называются сверхскопления галактик. Они состоят из тысяч, а то и больше отдельных галактик и тянутся на десятки миллионов световых лет. Большинство галактик входят в подобные сверхскопления, а наша собственная Галактика находится в сверхскоплении Девы, центр которого расположен почти в 60 миллионах световых лет от нас.

Поскольку сверхскопления такие большие и массивные, почти все вещество во Вселенной входит в какое-нибудь скопление. А значит, если мы сумеем взвесить сверхскопления галактик, а затем оценить общую плотность таких сверхскоплений во Вселенной, то получим возможность «взвесить Вселенную» вместе с темным веществом. А потом на основе уравнений общей теории относительности мы определим, достаточно ли у нас вещества, чтобы Вселенная замкнулась.

Пока все неплохо, но как взвесить объекты с габаритами в десятки миллионов световых лет? Проще простого. У нас же есть гравитация.

В 1936 году Альберт Эйнштейн по совету астронома-любителя Руди Мандла опубликовал в журнале «Science» заметку под названием «Линзоподобное действие звезды при отклонении света в гравитационном поле». В этой краткой статье Эйнштейн рассказал о примечательном явлении: само пространство может действовать как линза, искривлять и усиливать свет, в точности как линзы в моих очках для чтения.

В 1936 году нравы в научном сообществе были куда как мягче, и интересно читать, как неформально начинает Эйнштейн свою статью, опубликованную, между прочим, в авторитетном научном журнале: «Некоторое время тому назад меня навестил Р. Мандл и попросил опубликовать результаты небольшого расчета, который я провел по его просьбе. Уступая его желанию, я решил опубликовать эту заметку» (пер. А. Базя, Л. Пузикова и А. Сазыкина). Не исключено, что подобный разговорный тон не возбранялся одному только Эйнштейну, но мне приятнее полагать, что это просто продукт эпохи, когда научные результаты не всегда облекались в слова, недоступные пониманию простых смертных. Так или иначе, то, что свет описывает искривленные траектории, если само пространство искривляется в присутствии вещества, стало первым значительным прогнозом общей теории относительности и открытием, которое, как я уже упоминал, принесло Эйнштейну международную славу. Поэтому, возможно, не стоит удивляться, что, как было недавно обнаружено, еще в 1912 году, то есть задолго до того, как Эйнштейн завершил работу над общей теорией относительности, он пытался найти какое-то доступное наблюдениям явление, которое убедило бы астрономов в его правоте, и проделал практически те же вычисления, что и были изложены по просьбе мистера Мандла в статье 1936 года. Быть может, тогда, в 1912 году, он не стал публиковать свои расчеты, потому что пришел к тому же выводу, что и в статье 1936 года: «Конечно, нельзя надеяться на то, что удастся прямо наблюдать это явление». Более того, изучая его заметки обоих периодов, нельзя сказать с уверенностью, что он вообще помнил, что двадцать четыре года назад подсчитывал то же самое.

Зато он в обоих случаях прекрасно понимал, что искривление света в гравитационном поле может означать, что если яркий объект расположен далеко позади скопления массы, то свет, идущий от него в разные стороны, может огибать это скопление массы и сходиться снова, в точности как при прохождении сквозь обычную линзу, и тогда либо первоначальный объект окажется увеличен, либо получится несколько копий его изображения, причем некоторые из них будут искажены (см. рисунок ниже).

Когда Эйнштейн рассчитал, как повлияет на изображение далекой звезды расположенная поблизости звезда, эффект оказался таким маленьким, что его, похоже, было и вовсе не измерить, вот почему Эйнштейн и сделал в статье такую оговорку – что едва ли удастся когда-нибудь это пронаблюдать. В результате Эйнштейн заключил, что его статья не имеет особой практической ценности. Вот как он писал об этом в письме редактору «Science»: «Позвольте также поблагодарить вас за содействие в публикации заметки, которую выжал из меня мистер Мандл. Пользы от нее никакой, зато бедняге будет приятно».

Однако Эйнштейн не был астрономом – а нужен был именно астроном, чтобы разобраться, что эффект, который он предсказал, можно не просто измерить, но еще и извлечь из него пользу. Для этого понадобилось оценить эффект гравитационной линзы, который оказывают на далекие объекты гораздо более крупные системы – галактики и даже скопления галактик, поскольку линзирование звезд звездами и правда слишком слабо. Не прошло и нескольких месяцев после выхода в свет заметки Эйнштейна, как блистательный астроном из Калифорнийского технологического института Фриц Цвикки опубликовал в журнале «Physical Review» статью, в которой показал, как применить на практике именно такие наблюдения (тем самым он косвенным образом упрекнул Эйнштейна за то, что тот думал только о звездах и не сообразил, какими мощными гравитационными линзами могут служить галактики).

Цвикки славился вспыльчивым характером, зато далеко опережал свое время. Он еще в 1933 году оценил относительное движение галактик в скоплении Волос Вероники и на основании законов Ньютона определил, что галактики движутся так быстро, что должны были бы разлететься в стороны, и тогда скопление распалось бы, а следовательно, массы в этом скоплении гораздо больше – в сто с лишним раз – чем накопилось бы за счет одних только звезд. Поэтому Цвикки по праву можно считать первооткрывателем темной материи, хотя в то время его авторитет был так велик, что большинство астрономов, скорее всего, считали, что должно найтись какое-то другое объяснение его результатам, не такое экзотическое.

Статья Цвикки, опубликованная в 1937 году и занимавшая всего страницу, была не менее примечательной. Он предложил три разных способа применения гравитационных линз: 1) проверка общей теории относительности, 2) использование близлежащих галактик как своего рода телескопа для увеличения далеких объектов, которые иначе невозможно рассмотреть в телескопы с Земли, а главное – 3) ответ на загадку, почему скопления весят гораздо больше, чем объясняет одно лишь видимое вещество: «Наблюдения отклонения света вокруг туманностей способны обеспечить самое прямое определение масс туманностей и разъяснить вышеуказанное несоответствие».

Статье Цвикки уже далеко перевалило за семьдесят, однако читается она как вполне современное предложение применять гравитационные линзы для исследования Вселенной. И в самом деле, сбылись все прогнозы Цвикки до единого, а главное – последний.

То, что проходящие между нами и далекими квазарами галактики играют роль гравитационных линз, удалось пронаблюдать в 1987 году, а затем в 1998 году, спустя 61 год после того, как Цвикки предложил взвешивать туманности при помощи гравитационных линз, этот метод позволил определить массу крупного скопления. В тот год физик Тони Тайсон со своими коллегами из Лабораторий Белла (ныне, увы, закрытых, но в свое время заслуженно увенчанных всевозможными лаврами, в том числе и нобелевскими, за самые разные достижения – от изобретения транзистора до открытия реликтового микроволнового излучения) пронаблюдали крупное далекое скопление, получившее поэтичное название CL 0024 + 1654, которое находится на расстоянии около 5 миллиардов световых лет.

Этот прелестный снимок с Космического телескопа им. Хаббла – яркий пример того, как сильно искажается и многократно повторяется под действием гравитационной линзы изображение далекой галактики, расположенной еще в 5 миллиардах световых лет за скоплением: видите продолговатые пятнышки среди других галактик, в целом круглых? Когда разглядываешь эту картинку, она будоражит воображение. Во-первых, каждое пятнышко на фото – не звезда, а галактика. Каждая галактика состоит, может быть, из 100 миллиардов звезд, а при них, вероятно, сотни миллиардов планет, и среди них, не исключено, – давно погибшие цивилизации. Я говорю «давно погибшие», поскольку этой картинке 5 миллиардов лет. Свет оттуда отправился в путь за 500 миллионов лет до того, как сформировались наше Солнце и Земля. Многих звезд, запечатленных на этом снимке, давно уже нет, они израсходовали свое ядерное топливо миллиарды лет назад. А кроме того, искаженные очертания галактик – это именно тот эффект, о возможности которого говорил Цвикки. Большие искаженные пятна левее центра картинки – это сильно увеличенные (и вытянутые) изображения далекой галактики, которую иначе, вероятно, вообще не было бы видно.

Вычислить распределение массы в скоплении исходя из этого изображения – сложная и многоступенчатая математическая задача. Для ее решения Тайсону пришлось создать компьютерную модель скопления и проследить все возможные пути, которыми лучи из источника проходят сквозь скопление, на основе законов общей теории относительности, и отобрать из них те, которые лучше всего соответствуют наблюдениям ученых. В конце концов Тайсон с сотрудниками получили графическое изображение, которое точно показывало, где расположена масса в системе, запечатленной на изначальном снимке.

На этом рисунке творятся настоящие странности. Пики на графике показывают расположение галактик, видимых на снимке, однако основная масса в системе расположена между галактиками – и распределена она плавно и незаметно. В сущности, между галактиками распределено в 40 раз больше массы, чем содержит видимое вещество системы (в 300 раз больше массы, чем содержится в одних только звездах: остальное видимое вещество рассеяно вокруг них в виде раскаленного газа). Очевидно, что темное вещество составляет основную часть плотности в скоплениях галактик, но при этом оно не сосредоточено в границах отдельных галактик.

Физики-ядерщики, в том числе и я, ничуть не удивились, когда обнаружилось, что темное вещество доминирует в скоплениях. И хотя у нас не было ни единого прямого доказательства, все мы надеялись, что темного вещества окажется достаточно много, чтобы нашу Вселенную можно было считать плоской, а для этого темного вещества во Вселенной должно было оказаться более чем в 100 раз больше, чем видимого вещества.

Причина таких упований проста: только плоская Вселенная обладает математической красотой. Почему? Следите за ходом моей мысли.

Независимо от ответа на вопрос, достаточно ли темного вещества, чтобы Вселенная оказалась плоской, наблюдения гравитационного линзирования (напомню, что эффект гравитационной линзы – это результат локального искривления пространства вокруг массивных объектов, а то, плоская ли Вселенная, связано со средним искривлением пространства в целом, на которое не влияет локальная рябь в окрестностях массивных объектов), а также относительно недавние наблюдения, полученные в других областях астрономии, подтвердили, что общее количество темного вещества в галактиках и скоплениях намного превосходит значения, которые можно получить, если рассчитывать синтез атомных ядер, рождающихся вскоре после Большого взрыва. Сейчас мы, можно сказать, уверены, что темное вещество – а его существование, повторяю, подтверждается независимо в самых разных астрофизических контекстах, от отдельных галактик до скоплений галактик, – должно состоять из чего-то совершенно нового, чего-то такого, чего в обычных земных условиях не существует. Это не звездное вещество и не земное вещество. Но оно существует!

Первые выводы о существовании темного вещества в нашей Галактике породили совершенно новую область экспериментальной физики, и я рад отметить, что и сам сыграл роль в ее разработке. Как я уже говорил, частицы темного вещества окружают нас повсюду, – и здесь, в комнате, где я набираю этот текст, и «там», в космосе. Следовательно, мы можем ставить эксперименты, чтобы искать темное вещество и элементарные частицы нового типа (или типов), из которых оно состоит.

Такие эксперименты ставятся в шахтах и туннелях глубоко под землей. Почему под землей? Потому что на поверхности Земли нас постоянно бомбардируют всевозможные космические лучи – и от Солнца, и от более далеких объектов. Поскольку темное вещество по самой своей природе не вступает в электромагнитное взаимодействие и не испускает свет, мы предполагаем, что оно взаимодействует с нормальным веществом очень слабо, поэтому зарегистрировать его будет невероятно трудно. Даже если мы каждый день подвергаемся бомбардировке миллионов частиц темного вещества, большинство из них проходит сквозь нас и сквозь Землю, даже не «заметив» нас, и мы их тоже не замечаем. Поэтому, если хочешь зарегистрировать крайне редкие исключения из этого правила – те частицы темного вещества, от которых отскакивают атомы обычного вещества, – готовься регистрировать крайне редкие события. А чтобы это стало в принципе возможно, необходимо в достаточной степени отгородиться от космических лучей, то есть уйти под землю.

Однако сейчас, когда я пишу эти строки, появилась и другая возможность, не менее интересная. Недавно запущен Большой адронный коллайдер, расположенный в Швейцарии, недалеко от Женевы. У нас есть много причин полагать, что при очень высоких энергиях, с которыми сталкиваются протоны в этой установке, воссоздаются условия первых мгновений существования Вселенной, пусть и в микроскопически малых объемах. В этих объемах те же самые взаимодействия, которые когда-то породили частицы темного вещества в космосе, могут породить такие же частицы в лаборатории! То есть сейчас идет большая гонка: кто первым обнаружит частицы темного вещества – экспериментаторы глубоко под землей или экспериментаторы на Большом адронном коллайдере? Хорошая новость состоит в том, что кто бы ни выиграл гонку, никто не проиграет. Выиграем мы все – поскольку узнаем, из чего на самом деле состоит это вещество.

Астрофизические эксперименты, о которых я рассказал выше, не раскрыли природу темного вещества, зато показали нам, какое количество этого вещества существует на свете. Окончательно и прямо определить общее количество вещества во Вселенной стало возможно благодаря изящным выводам из измерений, полученных при наблюдении гравитационных линз, вроде тех, о которых я уже говорил, в сочетании с другими наблюдениями рентгеновского излучения от скоплений галактик. Независимую оценку общей массы скоплений можно провести потому, что температура газа в скоплениях, испускающих рентгеновские лучи, зависит от общей массы системы, в которой они испускаются. Результаты получились неожиданные и, как я уже упоминал, для многих из нас, ученых, огорчительные. В сухом остатке оказалось, что общая масса, содержащаяся в галактиках и скоплениях и вокруг них, составляет лишь около 30 процентов общего количества массы, которая нужна, чтобы Вселенная в наши дни была плоской. Обратите внимание, что и это количество более чем в 40 раз больше массы видимого вещества, которое, таким образом, составляет менее 1 процента массы, необходимой для того, чтобы Вселенная оказалась плоской.