Земля вращается вокруг Солнца со скоростью, определяемой ее расстоянием до Солнца, солнечной массой и гравитационной постоянной, которая является универсальной константой природы. Для того чтобы найти эту скорость, общая теория относительности не понадобится: достаточно одних старых добрых школьных законов Ньютона. Те же законы можно применить к далеким галактикам, которые вращаются вокруг общего центра масс.

В 1930-е годы астроном Фриц Цвикки, однако, обнаружил, что внешние области скопления галактик Волос Вероники вращаются гораздо быстрее, чем это позволяет видимая масса скопления. В 1970-е годы Вера Рубин наблюдала группу спиральных галактик, похожих на Млечный Путь, и подтвердила, что в них существует аналогичное несоответствие. По ее оценкам, на одну часть видимой материи в этих галактиках должно приходиться шесть частей невидимой материи.

Темная материя должна воздействовать на движение через гравитацию, но вряд ли через другие силы природы. Стандартная модель физики элементарных частиц не располагает частицами, которые удовлетворяли бы нужным требованиям. Попытки обнаружить частицы темной материи вне этой стандартной модели или создать их в результате столкновений высокоэнергетических частиц до сих пор успехом не увенчались.

В конце 1990-х годов две группы ученых, наблюдавших далекие сверхновые, обнаружили, что эти звездные вспышки всякий раз оказывались слабее, чем ожидалось. Ученые пришли к выводу, что путь, который пришлось преодолеть свету, чтобы дойти до нас, «растянулся» и стал длиннее, чем должен был быть. То есть сверхновые были дальше от нас, чем предполагалось.

Темная энергия – название для той субстанции, которая вызывает это расширение с ускорением. Она доминирует в космосе, составляя 68 % всего сущего во Вселенной. Но что же это такое? Возможно, это энергия вакуума, подобная той, которую могут создавать квантовые частицы, выскакивающие и растворяющиеся в свободном пространстве. Возможно, это воскрешение космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в уравнения общей теории относительности, а затем отбросил. А возможно, темная энергия есть некая «квинтэссенция», еще неоткрытая пятая сила природы.

Обе субстанции порождают свои сложности для теории, но в принципе возможен и другой подход. Например, разные области Вселенной, в которой плотность вещества переменна, могут расширяться по-разному, приводя к иллюзии расширения с ускорением. Поэтому, если мы отбросим космологический принцип, мы могли бы избавиться от темной энергии.

Вглядитесь пристальнее во Вселенную – и вы столкнетесь с несколькими проблемами, которые трудно разрешить. Она почти геометрически «гладкая», и даже удаленные ее области имеют почти одинаковую температуру.

Космическая инфляция одним махом решает эти проблемы. В первые мгновения Вселенная расширялась быстрее скорости света (понятие предельной скорости света применимо только к объектам внутри Вселенной), что разгладило морщины в ее ранней хаотической сущности. Это означает, что ныне весьма отдаленные друг от друга окраины Вселенной когда-то были тесными соседями и могли обмениваться теплом.

В 2014 году исследователи провозгласили, что они увидели рябь от инфляции, запечатленную в космическом микроволновом фоне. Но это сообщение оказалось ошибочным, и остается неясным, что заставило раннюю Вселенную раздуваться. Проблема в том, что инфляцию очень трудно остановить, и она может привести к возникновению мультивселенной, состоящей из причинно не связанных друг с другом вселенных, которые в конечном итоге отпочковываются друг от друга.

Одним из выходов может быть ослабление требования постоянства скорости света. Если в ранней Вселенной свет распространялся быстрее, это могло бы решить проблему с температурой. Может быть, скорость света падает и сейчас, но это падение невозможно обнаружить даже с помощью самых чувствительных приборов.

Гравитация – единственная сила в природе, которую не удается описать с помощью квантовой теории. Кроме того, любая попытка применить к ней квантовую теорию (т. е. представить ее в виде обмена частиц, называемых гравитонами, а не в виде искривлений пространства-времени, как об этом говорит общая теория относительности) разрывается в клочья из-за появления бесконтрольных бесконечностей, которые делают все вычисления бессмысленными. Это большая проблема для физиков. При взаимодействии элементарных частиц гравитация обычно так слаба, что ею смело можно пренебречь. Но в некоторых случаях взаимодействие элементарных частиц нужно рассматривать совместно с гравитацией: например, в черных дырах или на первых этапах рождения Вселенной в Большом взрыве. Без квантовой теории гравитации – первого шага на пути создания теории, объединяющей все взаимодействия, – наука не преодолеет непроницаемый барьер, мешающий нам достичь окончательного прозрения. Кроме того, любая теория квантовой гравитации потребует сломать связь между гравитационной и инертной массой, воплощенную в принципе эквивалентности, а это подрывает краеугольный камень современной физики.

Могут ли нейтрино быть темной материей? Стандартная модель физики элементарных частиц говорит нам, что эти неуловимые частицы не имеют массы. Современные эксперименты свидетельствуют о том, что масса у них есть, но она мала, и это единственное противоречие с тем, что предсказывает стандартная модель. Но, по-видимому, этой массы все-таки недостаточно, чтобы объяснить существование темной материи, по крайней мере, пока не будет открыта новая разновидность так называемых стерильных нейтрино. Последние результаты, полученные спутником «Планк» и нейтринной антарктической обсерваторией «Ледяной куб», пока не подтверждают существования этого типа нейтрино.

Когда Эйнштейн создавал свою модель стационарной Вселенной (см. «Общая теория относительности» в разделе «Принципы» в этой главе), он ввел дополнительный член в уравнения общей теории относительности, чтобы уравновесить силу тяготения. Позже он назвал введение этой космологической постоянной своей «самой большой ошибкой». Слегка скорректированная космологическая постоянная могла бы объяснить темную энергию, но теоретически предсказанная величина получается больше экспериментально измеренной в 10¹²⁰ раз. Это, пожалуй, самое вопиющее численное несоответствие во всей физике.

Черные дыры – это сверхплотные объекты, которые поглощают все, включая свет, пролетающий слишком близко от них. Они имеют различные размеры: сверхмассивные черные дыры затаились в самом центре большинства галактик, а черные дыры звездной массы образуются при коллапсе звезд, выработавших свой ресурс. Черные дыры были предсказаны общей теорией относительности, и они представляют собой места, где гравитация настолько сильна, что ею больше нельзя пренебрегать, рассматривая квантовые взаимодействия на малых масштабах. В настоящее время у нас нет никакого представления, что происходит на краю черной дыры или внутри нее.