Еще в 1990-е годы, преподавая космологию, я сказал своему курсу, что не могу предсказать отдаленное будущее Вселенной. Но уверен, что касающееся ее важное открытие произойдет в ближайшее время. Через пять лет, утверждал тогда я, мы узнаем, бесконечна Вселенная или все-таки конечна, продолжится ее расширение всегда или в конечном счете этот процесс остановится и Вселенная вернется в прежнее состояние путем «Большого сжатия». И если такое сжатие произойдет, логично предположить, что это ознаменует конец пространства и времени, если только слово «конец» имеет какой-то смысл по отношению к тому, чего больше не существует.

Я также говорил: возможно, дело кончится тем, что Вселенная остановится на какой-то границе, разделяющей бесконечное и конечное (в смысле пространства и времени). Так что даже в том случае, если у нас будет точная картина Вселенной, это не даст ответа на вопрос, оказывается ли «всегда» таковым в действительности.

Я был абсолютно уверен в предчувствии скорого ответа. Дело в том, что я начал собственный эксперимент, призванный ответить на этот вопрос. И верил в своего бывшего студента Сола Перлмуттера, подхватившего из моих рук руководство этим проектом.

Эксперимент с детектированием микроволнового излучения, о котором я рассказывал в предыдущей главе, был направлен на изучение природы Большого взрыва и структуры Вселенной при ее зарождении. Новый экспериментальный проект должен был определить будущее Вселенной. Путем к этому было выбрано гораздо более точное, чем ранее, определение в деталях поведения «расширения Хаббла».

Теория предсказывала, что расширение замедлится из-за самогравитации и взаимного притяжения галактик, расходящихся все дальше друг от друга. Это замедление можно было измерить, сравнивая расширение в ближайших галактиках с теми, которые от нас значительно удалены. Эти последние галактики покажут действие закона Хаббла таким, каким оно было миллиарды лет назад, и мы сможем увидеть, насколько замедлилось с тех пор расширение. Скорости галактик мы могли измерить с помощью того же эффекта, которым пользуется полиция при замере скорости машин: допплеровского сдвига.

Трудность заключалась в точном определении расстояния до галактик. Я решил, что так называемые сверхновые могут в этом помочь. Если бы мы смогли обнаружить замедление Вселенной, то сумели бы рассчитать, будет ли ее расширение вечным. Расчеты сводились практически к определению скоростей разбегания галактик. Будут ли галактики в расширяющейся Вселенной разбегаться или упадут обратно в «Большое сжатие»?

Параметр замедления Вселенной космологи обозначили последней буквой греческого алфавита Ω (омега). Мы собирались дать параметру определение, поэтому весь эксперимент я назвал «Проект “Омега”». Новый измеритель мог рассказать о возможном конце времени.

«Проект “Омега”» был задуман после того, как в 1978 году я услышал лекцию Роберта Вагонера в Стэнфордском университете. В ней он указал, что собственная яркость отдаленных сверхновых типа II может быть определена скоростью расширения их оболочки и временем такого расширения. Скорость, помноженная на время, даст нам размер звезды. Если бы мы смогли найти отдаленные сверхновые, определить их яркость и измерить скорость на основании допплеровского смещения галактик, в которые они входят, то после этого смогли бы использовать их как «калибровочные свечи». Наблюдаемая яркость в сравнении с их собственной яркостью позволила бы определить расстояние до них.

Требовалось получить как можно больше информации от большого количества отдаленных сверхновых. Однако вспышка сверхновых – довольно редкое явление, случающееся раз в несколько сотен лет. И чтобы использовать такую информацию, вспышку нужно зафиксировать в первые несколько дней после возникновения. Придется наблюдать за сотнями галактик, возвращаясь к этому занятию каждые несколько ночей. Только тогда можно уловить сверхновую в критической фазе расширения.

Когда я рассказал учителю и научному руководителю моей докторской диссертации Луису Альваресу о лекции Вагонера, он припомнил, что профессор Высшей технической школы штата Нью-Мексико Стерлинг Колгейт как раз начал проект по автоматическому поиску сверхновых. Я встретился с Колгейтом и выяснил, что он отказался от проекта как от слишком сложного. Однако посоветовал мне попробовать, снабдив массой рекомендаций и наставлений по тем проблемам, которые ему в конечном счете не удалось решить.

Требовались телескоп и очень мощный компьютер для управления им. К счастью, мое открытие косинусной зависимости интенсивности микроволнового излучения в космосе, подтверждающей анизотропию Вселенной, было отмечено наградой – премией Национального научного фонда Алана Уотермана: $150 000 «не связанных» денег на исследования, которые я волен был выбирать сам. Каким замечательным делом оказался этот грант! Можно было начать проект со сверхновыми без необходимости доказывать какому-то жюри, что ты способен его осуществить. Премия Уотермана сделала мой проект возможным. Я использовал большую часть средств на приобретение необходимого компьютера (в те дни мощные машины были очень дороги) и на принятие в помощники недавнего выпускника университета Карла Пеннипакера.

Проект был пугающе сложным, и мне важна была поддержка. Сначала она была, но потом проект дважды закрывался администрацией (один раз директором по науке лаборатории Лоуренса университета в Беркли, а затем директором центра астрофизики частиц этого же университета). Но я все равно умудрялся каким-то образом выбивать финансирование и не останавливать эксперимент. Хорошо, что в то время я уже был на профессорском контракте: текущая работа (и зарплата) не зависели от следования приказам боссов. Мне показалось, что снова бюрократические сложности с проектом превзошли сложности научные, как это было с исследованием Джорджа Смута в NASA.

В 1986 году, через восемь лет после начала изучения сверхновых, к нам присоединился мой четвертый докторант, Сол Перлмуттер. Теперь я мог официально привлечь его к работе как взращенного мною доктора наук. Он быстро продемонстрировал удивительные лидерские качества. Сол полностью переписал программу для компьютера. Осматривая сотни галактик снова и снова, мы начали находить сверхновые. К 1992 году сообщили об обнаружении 20 таких звезд, включая открытие самой дальней на то время.

Большинство из найденных нами сверхновых по космологическим меркам находились относительно близко. Сол и Карл горели желанием совершить прорыв в науке и приступить к поискам очень далеких звезд такого типа. Для этого требовались более мощные телескопы. В то же время, по их мнению, это дарило надежду на то, что мы наконец обнаружим ожидаемое замедление расширения. Я сомневался, но доверился коллегам и одобрил новое направление. Сол разработал способ передачи информации по интернету, который в то время был довольно медленным. Он воспользовался математикой фракталов. Насколько я знаю, он был первым человеком, кто применил этот продвинутый метод в научных измерениях. Сегодня фракталы применяются очень широко.

Затем Сол решил еще одну ключевую проблему, которая ставила меня в тупик. Он разработал схему обнаружения многих суперновых в одну ночь накануне новой (темной) луны, а также точное расписание наблюдения за небом с использованием мощных телескопов (таких как астрономические обсерватории в космосе) в следующую темную ночь. По моему мнению, этот с виду достаточно простой шаг вперед сделал наш проект полностью работающим.

«Неэкспериментаторы» могут удивиться, что я начал проект, еще не совсем понимая, как решать проблемы последующих измерений. Однако я научился у Луиса Альвареса, что такая смелость часто необходима – или вы никогда не справитесь с большой задачей. Важно быть уверенным, что вы сами (или члены вашей команды) при необходимости найдете нужное решение. Конечно, если бы я не располагал средствами от премии Уотермана, не решился бы на такой авантюризм. Наши судьи заранее требовали бы ответы на каждый вопрос и отвергали все запросы на финансирование, пока мы не представили бы удовлетворяющих их ответов.

Сол огласил свое решение на одном из совещаний с внешними судьями, которые оценивали нашу работу, чтобы вынести рекомендации по ее дополнительному финансированию. Эта была группа экспертов, ранее рекомендовавшая закрыть проект по сверхновым. После доклада Сола членам оценочной комиссии стало ясно, что проект может быть успешным. Один из членов комиссии, Роберт Киршнер, нашел нашу идею столь убедительной, что даже предложил создать в университете независимую исследовательскую группу для соревнования за научный результат.

К тому времени Сол стал подлинным лидером. И в 1992 году, через 15 лет после начала работы и через 6 – после прихода Сола, я попросил его взять руководство проектом на себя. Я постепенно отошел от него, сосредоточившись на других исследованиях. За пять следующих лет Сол настолько продвинулся в изучении сверхновых и оказался так близко к ответу на изначальный вопрос, что я убедил своих студентов в Беркли: скоро мы узнаем, будет ли время течь всегда или закончится вместе с «Большим сжатием».

В 1999 году Сол и его группа, которая расширилась и стала интернациональной, совершила удивительное, невероятное открытие. Их экспериментальные проверки закона Хаббла, выполненные с большей точностью, чем когда-либо ранее, и направленные на очень отдаленные галактики, обнаружили отход от этого закона. Вселенная не замедлялась под взаимным воздействием сил гравитации, как прежде считалось. Существовала какая-то гораздо более мощная сила, которая заставляла ее, наоборот, ускоряться. Это было неожиданное и даже пугающее открытие. Когда Сол показал результаты, я был настроен весьма скептически. Перлмуттер и его команда приложили огромные усилия, чтобы найти какие-то моменты, которые могли привести их к ошибочным выводам. Но не нашли. Опровергать же собственную работу они не могли. Исследователи обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется!

Почти одновременно с этим группа университета Беркли, которую помог создать Киршнер, объявила о получении такого же результата. Несколько лет спустя Сол Перлмуттер разделил Нобелевскую премию за это открытие с Брайаном Шмидтом и Адамом Риссом из конкурирующей команды.

С подтверждением ускорения Вселенной был решен вопрос с «Большим сжатием». Его не случится. Пространство будет существовать вечно, и время тоже… конечно, если только нет другого явления, которое может быть открыто и которое еще не продемонстрировало своего действия, но способно в конечном счете повернуть эволюцию вспять. Ускорение Вселенной, открытое Солом и его командой, может стать экспериментальным доказательством теории четырехмерного Большого взрыва, о которой мы поговорим далее и которая служит основой моего объяснения сейчас.

Я не ожидал, что Вселенная ускоряется. Никто не ожидал. Но я правильно предсказал студентам, что очень скоро мы узнаем, будет ли Вселенная расширяться бесконечно. А когда Сол Перлмуттер объявил о результатах эксперимента, и еще до того, как об этом сообщили газеты, я смог сообщить своему курсу, что ответ на поставленный вопрос получен.

Ускорение Вселенной хорошо согласовывается с общей теорией относительности Эйнштейна. Вспомните – до открытия Хабблом расширения Вселенной Эйнштейн полагал, что она статична, а галактики всегда находятся на своих местах. Чтобы устранить фактор их взаимного гравитационного притяжения, Эйнштейн даже ввел космологическую постоянную, отталкивающую силу, объясняющую статичность Вселенной (это было до открытия Хаббла). Хаббл обозначил эту постоянную значком Λ, заглавной буквой греческого алфавита лямбда. Эта постоянная обозначала своего рода антигравитацию, которая, однако, происходила от пустого пространства, а не от массы. Я представляю ее себе как пространство, отталкивающее самое себя.

Когда Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется, постоянная лямбда оказалась ненужной, и научное сообщество стало считать ее нулем. Как я отметил в , согласно утверждению Георгия Гамова, Эйнштейн считал введение лямбды самой большой ошибкой своей жизни. Если бы он не добавил ее в свои уравнения, мог предсказать расширение Вселенной. И все-таки самой большой ошибкой Эйнштейна было то, что он назвал ошибкой свою космологическую постоянную.

Удобным способом включения космологической постоянной Λ в уравнения общей теории относительности можно назвать ее перенос (математически) в энергетическую часть уравнения и объединение с тензором Т, обозначающим плотность энергии. Это равноценно тому, чтобы представлять лямбду в качестве некоей величины энергии. И в самом деле, такой подход уже становится вполне привычным, а присутствие лямбда-члена объясняется тем, что пустое пространство заполнено темной энергией; его же плотность и давление зависят от значения Λ. Когда космологическая постоянная включается в уравнения Эйнштейна таким образом, уравнения не меняются: лямбда-члена в них как бы нет, но энергия и плотность пустого пространства больше не считаются нулем.

Темная энергия, заполняющая пустое пространство, снова звучит как напоминание об эфире… но так оно и есть. В представлениях современной космологии пустое пространство отнюдь не пустое. В дополнение к темной энергии оно, как полагают физики, включает в себя поля Хиггса, что заставляет частицы казаться обладающими большей массой, чем без этих полей. А Поль Дирак высказал даже идею, что пустое пространство заполнено бесконечным морем электронов с отрицательной энергией, – самое ошеломляющее предположение, которое когда-либо исходило от видного физика. (Подробнее об этом в .) Вакуум совсем не пустой.

Одна из причин, по которой теоретики любят использовать лямбда-член в качестве некоего показателя энергии, заключается в том, что они ждали его появления, руководствуясь соображениями квантовой физики. Они предполагали, что «квантовые флуктуации вакуума» будут переносить темную энергию и приведут к отрицательному давлению. Почему тогда не признать, что это предугадывание темной энергии? Дело в том, что они получили совершенно неправильные цифры. Если, согласно имеющимся научным данным, темная энергия, которая ускоряет расширение Вселенной, имеет плотность массы 10⁻²⁹ г/см³, то это же значение, напророченное квантовой теорией, выражается величиной 10⁹¹. Теория ошиблась в 10¹²⁰ раз. Это расхождение было названо «худшим теоретическим предсказанием в истории физики». Прорицание квантовой физики относительно темной энергии ошибочно на сотню квинтиллионов гуголов.

Могут ли квантовые флуктуации быть источником темной энергии? Вероятно. Некоторые теоретики пытаются внести расчетные поправки в свои теории, но создается впечатление, что нет пути к изменению величины во столько раз. Предполагаю, что правильное значение квантовых флуктуаций в конечном счете составит нуль (если наша квантовая теория верна) и что темная энергия в итоге окажется чем-то совершенно другим, аналогичным полям Хиггса (о них поговорим в ). Но это только мое предположение.

Быстрое расширение Вселенной со скоростями, превышающими скорость света, составляет основную часть теории инфляции, предложенной физиками Аланом Гутом и Андреем Линде и получившей дальнейшую разработку в исследованиях Андреаса Альбрехта, Пауля Штейнхардта и других. Они занимались вопросом об удивительной однородности Вселенной. Если мы посмотрим на расстояние в 14 миллиардов световых лет, увидим то пространство Вселенной, которое излучало сигналы 14 миллиардов лет назад. А если посмотрим в противоположном направлении, также увидим исходящее оттуда излучение, которое пропутешествовало по Вселенной те же 14 миллиардов лет.

Получается, две эти области Вселенной находятся друг от друга на расстоянии 28 миллиардов световых лет. Так что для сигнала было недостаточно времени, чтобы пройти расстояние от одного района до другого. Даже когда в начальный момент Большого взрыва эти области находились сравнительно недалеко друг от друга, они удалялись друг от друга слишком быстро, чтобы между ними мог возникнуть какой-то контакт. Каким же тогда образом могли они «знать», как достичь одной и той же плотности, температуры и интенсивности излучения? Как они могли стать такими похожими, если у них не было времени выровнять свои параметры? Тем не менее сигналы, которые исходят из точек Вселенной, разделенных 28 миллиардами световых лет, наблюдаются как исключительно похожие. Как это могло произойти?

Гут и Линде показали возможность, что такие удаленные точки Вселенной были расположены очень близко друг к другу в момент достаточно медленного расширения Вселенной, позволяющего им взаимодействовать. Они были довольно близки, чтобы достичь схожей температуры и плотности. Затем, согласно теории, природа вакуума очень резко изменилась, и эти точки Вселенной были разделены со скоростями, невероятно более высокими, чем скорость света. При этом они не двигались. Разделение произошло в связи с очень быстрым возникновением между ними пространства. Именно это увеличение пространства ученые назвали инфляцией. Здесь срабатывала математика. Правда, ученым пришлось постулировать новый вид поля, которое вызвало увеличение пространства. То поле, которое менялось с расширением и в конце концов остановилось в том состоянии, в котором прекратилась инфляция Вселенной. Но существование такого поля легко согласовывалось с общей теорией относительности.

Многие годы инфляционная теория была популярной прежде всего потому, что предлагала единственное известное решение загадки однородности Вселенной. Ответ этой теории: причиной однородности считается то, что когда-то все во Вселенной находилось в очень тесном контакте. Сейчас появились подтверждения других предсказаний инфляционной теории; в частности, были спрогнозированы структуры волн, которые обнаружились в микроволновом излучении. Идея инфляционного развития Вселенной стала еще более привлекательной, когда было обнаружено ускорение ее расширения.