Чтобы внести полную ясность, я с самого начала должен признать, что не поддерживаю убеждения, что творение требует творца, которое лежит в основе всех мировых религий. Каждый день внезапно появляются красивые и удивительные объекты, от снежинки холодным зимним утром до потрясающей радуги после полуденного летнего душа. Тем не менее, никто, кроме самых ярых фундаменталистов, не предположил бы, что каждый такой объект был любовно, кропотливо и, самое главное, целенаправленно создан божественным разумом. Действительно, многие непосвященные, также как ученые, наслаждаются нашей способностью объяснять, как могут спонтанно появляться снежинки и радуги на основе простых и элегантных законов физики.

Конечно, кто-то может спросить, и многие спрашивают: «Откуда взялись законы физики?», — и с еще большим намеком: «Кто создал эти законы?» Даже если можно ответить на этот первый вопрос, спросивший зачастую поинтересуется: «А это откуда взялось?», — или: «А кто создал это?», — и так далее.

В конечном счете, многие мыслящие люди приходят к очевидной необходимости Первопричины, как могли бы выразиться Платон, Фома Аквинский, или современная Римско-католическая церковь, и тем самым предположить некоторое божество: творца всего, что есть, и всего, что когда-либо будет, кого-то или чего-то вечного и вездесущего.

Тем не менее, признание Первопричины оставляет открытым вопрос: «Кто создал создателя?» В конце концов, в чем разница между утверждением в пользу вечно существующего создателя по сравнению с вечно существующей Вселенной без создателя?

Эти аргументы всегда напоминают мне о знаменитой истории компетентного эксперта, дававшего лекцию о происхождении Вселенной (иногда называют Бертрана Рассела, а иногда Уильяма Джеймса), которому возражала женщина, верившая, что мир держится на гигантской черепахе, которая стоит на другой черепахе, та на другой… при этом все время есть следующая черепаха! Бесконечный поиск первичности любой созидательной силы, порождающей саму себя, даже какой-нибудь воображаемой силы, большей, чем черепахи, не приблизит нас к тому, что дало начало Вселенной. Тем не менее, эта метафора бесконечного спуска может в действительности быть ближе к реальному процессу, посредством которого возникла Вселенная, чем объяснение о единственном создателе.

Была темная грозовая ночь

.

В начале 1916 года Альберт Эйнштейн только что закончил величайшую работу всей своей жизни, результат многолетних, напряженных интеллектуальных усилий по выведению новой теории гравитации, которую он назвал общей теорией относительности. Однако это была не просто новая теория гравитации, это также была новая теория пространства и времени. И это была первая научная теория, которая могла объяснить не только то, как объекты движутся во Вселенной, но и как может развиваться сама Вселенная.

Однако была одна загвоздка. Когда Эйнштейн начал применять свою теорию к описанию Вселенной в целом, стало ясно, что теория не описывала Вселенную, в которой мы, несомненно, жили.

Теперь, почти сто лет спустя, трудно в полной мере оценить, насколько наша картина Вселенной изменилась в течение одной человеческой жизни. В 1917 году научное сообщество считало, что Вселенная была статичной и вечной, и состояла из одной галактики, Млечного Пути, в окружении огромного, бесконечного, темного и пустого космоса. В конце концов, это то, что вы бы предположили, глядя в ночное небо своими глазами или с помощью небольшого телескопа, и в то время было мало оснований полагать иначе.

В теории Эйнштейна, как и до этого в теории тяготения Ньютона, гравитация представляет собой просто силу притяжения между всеми объектами. Это означает, что невозможно иметь в пространстве ряд масс, находящихся в покое постоянно. Их взаимное гравитационное притяжение, в конечном счете, приведет их к сжатию, что явно противоречит, казалось бы, статичной Вселенной.

Установив, что у Вселенной было начало, и что она возникла в определенное и измеримое время в прошлом, следующий естественный вопрос звучит так: «Каков ее конец?»

На самом деле, это был именно тот вопрос, который привел меня из моей вотчины, физики элементарных частиц, в космологию. В течение 1970-х и 1980-х годов, благодаря детальному изучению движения звезд и газа в нашей Галактике, а также изучению движения галактик в больших группах галактик, называемых кластерами, становилось все более ясно, что во Вселенной есть не только то, что видится невооруженным глазом или в телескоп.

Гравитация является главной силой, действующей в огромных масштабах галактик, поэтому измерения движения объектов в этих масштабах позволяет нам исследовать гравитационное притяжение, вызывающее это движение. Такие измерения начались с новаторской работы американского астронома Веры Рубин и ее коллег в начале 1970-х. Рубин закончила Джорджтаун в степени доктора, посещая вечерние занятия, в то время как ее муж ждал в машине, потому что она не умела ее водить. Она подавала заявление в Принстон, но в этот университет не принимали женщин по программе аспирантов-астрономов до 1975 года. Рубин стала лишь второй женщиной, когда-либо награжденной Золотой медалью Королевского астрономического общества. Эта медаль и многие другие ее заслуженные награды стали следствием ее новаторских измерений скорости вращения нашей галактики. Наблюдая звезды и горячий газ все дальше от центра нашей галактики, Рубин определила, что эти области двигались гораздо быстрее, чем должны были бы, если бы гравитационная сила, вызывающая их движение, была обусловлена массой всех наблюдаемых объектов в галактике. Благодаря ее работе, космологам в конечном итоге стало ясно, что единственным способом объяснить это движение было постулировать существование значительно большей массы нашей Галактики, чем можно было объяснить, суммировав массу всего этого горячего газа и звезд.

В этой теории, однако, была одна проблема. Те же расчеты, которые так красиво объясняют наблюдаемое содержание легких элементов (водорода, гелия и лития) во Вселенной, также говорят нам, сколько примерно протонов и нейтронов, вещества обычной материи, должно существовать во Вселенной. Причина в том, что, как и в любом кулинарном рецепте — в данном случае в ядерной готовке — количество вашего конечного продукта зависит от того, сколько каждого ингредиента вы берете. Если вы удвоите рецепт, например, возьмете четыре яйца вместо двух, вы получите больше конечного продукта, в данном случае омлета. Тем не менее, начальная плотность протонов и нейтронов во Вселенной, возникшая в результате Большого Взрыва, как это установлено из наблюдаемого относительного содержания водорода, гелия и лития, обеспечивает примерно вдвое большее количество вещества, чем мы можем видеть в звездах и горячем газе. Где эти частицы?

Легко представить себе способы скрыть протоны и нейтроны (снежки, планеты, космологов… ничто из этого не светится), поэтому многие физики полагали, что в темных объектах находится столько же протонов и нейтронов, как и в видимых объектах. Однако когда мы подсчитываем, сколько должно быть «темной материи», чтобы объяснить движение видимой материи в нашей галактике, мы находим, что отношение всей материи к видимой материи должно быть не 2 к 1, а скорее 10 к 1. Если это не ошибка, то темная материя не может состоять из протонов и нейтронов. Их просто недостаточно.

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.

Шаг вперед, два шага назад, похоже, таковы наши поиски понимания Вселенной и придания ей точного облика. Даже несмотря на то, что наблюдения, наконец, окончательно определили кривизну нашей Вселенной — и по ходу проверили давние теоретические подозрения — даже хотя и было известно, что во Вселенной в десять раз больше материи, чем могло бы быть за счет протонов и нейтронов, даже такого огромного количества темной материи, составляющей 30 процентов того, что требуется для получения плоской Вселенной, было далеко недостаточно, чтобы объяснить всю энергию во Вселенной. Прямое определение геометрии Вселенной и последующее открытие, что Вселенная действительно плоская, означало, что 70 процентов энергии Вселенной все еще не хватает, их нет ни внутри, ни вокруг галактик или даже скоплений галактик!

Все было не настолько шокирующим, как я это представил. Еще до этих измерений кривизны Вселенной и определения общей массы скоплений в ней (как описано в главе 2) появились признаки того, что тогдашняя теоретическая картина нашей Вселенной — с достаточным количеством темной материи (как мы теперь знаем, в три раза большим, чем существует на самом деле), чтобы быть пространственно плоской — просто не согласовывалась с наблюдениями. Действительно, еще в 1995 году мы с моим коллегой Майклом Тернером из Университета Чикаго написали еретическую работу, предполагая, что такая условно принятая картина не может быть правильной, и фактически единственная возможность, которая появилась с учетом плоской Вселенной (нашим теоретическим предпочтением в то время) и наблюдений скоплений галактик с их внутренней динамикой, была гораздо более странная Вселенная, которая уходит корнями к сумасшедшей теоретической идее Альберта Эйнштейна, возникшей в 1917 году, чтобы разрешить кажущееся противоречие между предсказаниями его теории и статичной Вселенной, в которой, как он думал, мы жили, и от которой впоследствии он отказался.

Насколько я помню, нашим стремлением в то время было больше показать, что что-то не так с общепринятыми знаниями, чем предложить окончательное решение проблемы. Предположение казалось слишком сумасшедшим, чтобы действительно в него поверить, поэтому я не думаю, что кто-то был более удивлен, чем мы, когда выяснилось, три года спустя, что наша еретическое предположение было все же абсолютно правильным!

Давайте вернемся в 1917 год. Напомню, что Эйнштейн разработал общую теорию относительности, и его сердце переполняла радость, когда он обнаружил, что может объяснить прецессию перигелия Меркурия, даже когда он столкнулся с фактом, что его теория не могла объяснить статичной Вселенной, в которой, по его мнению, он жил.

Если бы у него было больше мужества отстаивать свои убеждения, он мог бы предсказать, что Вселенная не может быть статичной. Но он этого не сделал. Вместо этого он понял, что может сделать небольшое изменение в своей теории, полностью согласующееся с математическими выводами, которые изначально привели его к разработке общей теории относительности, изменение, которое, похоже, делало статичную Вселенную возможной.