Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик

Узнав, какие виды энергии и вещества заполняют Вселенную, мы можем воссоздать прошлое. В ранней Вселенной темной энергии (в форме космологической постоянной) было ничтожно мало по сравнению с веществом. Ведь по мере расширения Вселенной плотность вещества уменьшается, тогда как космологическая постоянная остается неизменной. Стало быть, если того и другого сегодня соизмеримо много (соотношение темной энергии и вещества примерно равно 2:1), значит, в ранней Вселенной плотность вещества должна была значительно превышать плотность энергии, выраженной космологической постоянной.

Рис. 7. Энергетический состав Вселенной (для тех, кто не жалует круговые диаграммы)

Итак, при 10¹⁷ кельвинов все начинается с «супа», состоящего в основном из вещества и темной материи. Пространство-время реагирует на это вещество, начиная расширяться. Это охлаждает «суп» и способствует формированию первых атомных ядер, а затем легких атомов. Изначально «суп» из частиц настолько густой, что в нем застревает даже свет. Но как только образуются атомы, свет получает возможность распространяться почти без помех.

Темная материя, раз она не взаимодействует со светом, охлаждается быстрее, чем обычное вещество. Следовательно, в ранней Вселенной темная материя первой начинает образовывать скопления под действием собственного гравитационного притяжения. На самом деле без исходного комкования темной материи галактики не сформировались бы так, как мы это наблюдаем, поскольку гравитационное притяжение уже скомковавшейся темной материи необходимо, чтобы ускорить комкование обычного вещества. И только когда достаточное количество обычного вещества скопилось вместе, могло начаться образование больших атомных ядер в недрах звезд.

Под воздействием гравитации на протяжении миллиардов лет формируются галактики, возникают солнечные системы, загораются звезды. И все это время Вселенная расширяется, хотя расширение и стало замедляться. Но примерно тогда, когда галактики полностью сформировались, темная энергия берет верх – и скорость расширения Вселенной начинает расти. Именно в эту фазу мы сейчас и живем. И дальше, в будущем, вещество будет только еще сильнее истончаться. А значит, если темная энергия и есть космологическая постоянная, она продолжит доминировать, а расширение Вселенной продолжит ускоряться – бесконечно.

Длина волны первых световых лучей, вырвавшихся из «супа» частиц в ранней Вселенной, увеличилась с расширением последней, но этот свет все еще здесь и сегодня. Его длина волны теперь – несколько миллиметров, она лежит далеко вне видимого диапазона, в микроволновой области. Это космическое микроволновое фоновое излучение измеримо и служит самым ценным источником информации для космологов.

Средняя температура реликтового излучения равна примерно 2,7 кельвина, не намного выше абсолютного нуля. Но существуют мельчайшие отклонения от средней температуры – примерно на 0,003 %. Они исходят из областей в ранней Вселенной, где было чуть теплее или чуть холоднее, чем в среднем. Таким образом, в температурных флуктуациях реликтового излучения зашифрованы неоднородности горячего «супа», из которого образовались галактики.

Вооруженные этим знанием, мы можем использовать реликтовое излучение, чтобы делать заключения об истории Вселенной, которые я и описала выше. Другие данные мы получаем из наблюдаемого распределения галактик, различных измерений расширения Вселенной, распространенности химических элементов и гравитационного линзирования – это если перечислить только самые важные источники информации[44].

Согласованную космологическую модель также обозначают как «Лямбда-CDM», где «лямбда» (буква греческого алфавита) – это космологическая постоянная, а CDM – Cold Dark Matter (холодная темная материя). Вместе Стандартная модель и согласованная космологическая модель на сегодняшний день составляют основания физики[45].

Дальше будет трудно

Раньше я участвовала в серии международных конференций «Суперсимметрия и объединение фундаментальных взаимодействий». С 1993 года они проходили ежегодно и в лучшее время собирали свыше пятисот участников. Каждый год в докладах восхвалялись достоинства суперсимметрии: естественность, объединяющая способность и наличие кандидатов в темную материю. Из года в год поиски суперпартнеров приносили отрицательные результаты. Из года в год модели подновляли, чтобы примирить их с отсутствием доказательств.