Придумать, где спрятать протоны и нейтроны, довольно легко (ни сугробы, ни планеты, ни специалисты по космологии не излучают свет), 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 видимого вещества в нашей Галактике, мы обнаружим, что отношение общего количества вещества к видимому – вовсе не 2 к 1, а скорее 10 к 1. И если это не ошибка, то темное вещество не может состоять из протонов и нейтронов. Их просто не хватит.

В начале 1980-х гг. я был юным физиком со специализацией по элементарным частицам, и когда узнал о том, что, вероятно, существует экзотическое темное вещество, 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, нечто, чего в наши дни нет на Земле, нечто 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 мироздание в совершенно новом свете.

1. Если эти частицы были порождены Большим взрывом, как и легкие элементы, о которых я уже писал, мы наверняка можем опереться на наши знания о силах, определяющих взаимодействия элементарных частиц (а не ядер, взаимодействия между которыми важны при определении распространенности химических элементов), чтобы оценить количество возможных экзотических новых частиц в сегодняшней Вселенной.

2. Может быть, удастся вывести общее количество темного вещества во Вселенной на основании теоретических идей в физике элементарных частиц либо предложить новые эксперименты по обнаружению темного вещества; и то и другое покажет, сколько имеется 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 можем видеть, – увидеть то, что раньше было невидимым, то есть известное неизвестное. Каждый новый кандидат на темное вещество из числа элементарных частиц подразумевает новые эксперименты, 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 пересекает их путь в космосе. 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 определить природу темного вещества и его количество, то, пожалуй, сможем предсказать, каков будет конец Вселенной.

Последний пункт, наверное, самый интересный, поэтому начну с него. Честно говоря, я на самом деле пошел в космологию потому, что хотел стать первым, кто узнает, чем кончится история Вселенной.

Тогда это казалось отличной идеей.

Главной идеей общей теории относительности Эйнштейна было предположение о том, что в присутствии вещества или энергии пространство искривляется. Эта теоретическая идея перестала быть чистой спекуляцией в 1919 г., когда две экспедиции пронаблюдали, как свет звезд огибает Солнце во время солнечного затмения в точности в той степени, в какой должен был, если присутствие Солнца искривляет пространство по Эйнштейну. Автор теории практически мгновенно прославился – и теперь его имя знают все. (Правда, большинство считает, будто известность ему принесло уравнение E = mc², полученное на 15 лет раньше, но это лишь распространенное заблуждение.)

Так вот, если пространство потенциально искривлено, то геометрия всей нашей Вселенной становится гораздо интереснее. В зависимости от общего количества вещества во Вселенной она может существовать в геометрии каждого из трех 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[12] вообразить, как выглядел бы их мир в глазах трехмерного наблюдателя, если бы, например, оказался искривлен наподобие поверхности сферы. Более того, если кривизна невелика, трудно представить себе, как ее можно обнаружить в повседневной жизни, – точно так же, как в Средние века многие были уверены, что Земля плоская, поскольку она выглядела плоской.

Представить себе искривленную трехмерную Вселенную, повторяю, довольно сложно. Вот, скажем, замкнутая Вселенная – это трехмерная сферическая поверхность в четырехмерном пространстве, что само по себе звучит устрашающе. Зато эти пространства 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 чистым курьезом, а то и попыткой произвести впечатление в беседе, на практике из их существования проистекали бы намного более важные последствия. ОТО недвусмысленно утверждает, что замкнутая Вселенная, в которой плотность энергии определяется в основном веществом вроде звезд и галактик и в еще больше степени – экзотическим темным веществом, в один прекрасный день должна схлопнуться – в сущности, это будет процесс Большого взрыва наоборот, Большой хруст, если угодно. Открытая Вселенная будет и дальше расширяться с конечной скоростью, а плоская Вселенная занимает промежуточное положение: ее расширение будет замедляться, но никогда не остановится.

Поэтому определение количества темного вещества, а следовательно, общей плотности массы во Вселенной обещало дать ответ на извечный вопрос (а если и не извечный, то, по крайней мере, такой же древний, как поэт Т. С. Элиот): чем же кончится мир – взрывом или стоном? Сага об определении общего количества темного вещества насчитывает уже как минимум полвека, и о ней можно написать целую книгу – на самом деле я так и сделал, и книга называется «Квинтэссенция» (Quintessence). Но сейчас я продемонстрирую, что одна-единственная картинка действительно может стоить тысячи (а то и ста тысяч) слов, но сделаю это сначала все-таки словами и только потом – картинкой.

Самые крупные гравитационно связанные объекты во Вселенной называются сверхскоплениями галактик. Они состоят из тысяч, а то и больше отдельных галактик и могут тянуться на десятки миллионов световых лет. Большинство галактик входят в подобные сверхскопления; в частности, наша собственная Галактика находится в сверхскоплении Девы, центр которого расположен почти в 60 млн световых лет от нас.

Поскольку сверхскопления так велики и массивны, 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. Сделав это, мы на основе уравнений ОТО 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 г. Альберт Эйнштейн по настоянию 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, то есть искривлять и усиливать свет, в точности как линзы в моих очках.

В то время 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»[13]. Не исключено, что подобный задушевный 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 следует по искривленной траектории, если само пространство искривляется в присутствии вещества, стало первым значительным прогнозом ОТО и открытием, которое, как я уже упоминал, принесло Эйнштейну международную славу. Поэтому, возможно, не стоит удивляться, что (как было недавно обнаружено) еще в 1912 г., то есть задолго до того, как Эйнштейн завершил работу над ОТО, он пытался найти какое-то наблюдаемое явление, которое убедило бы астрономов в правоте его теории, и проделал практически те же вычисления, что были изложены по просьбе мистера Мандла в статье 1936 г. Быть может, тогда, в 1912 г., он не стал публиковать свои расчеты, потому что пришел к тому же выводу, что и в статье 1936 г.: «Конечно, нельзя надеяться на то, что удастся прямо наблюдать это явление». Более того, изучая его записные книжки обоих периодов, нельзя сказать с уверенностью, что он вообще помнил, что 24 года назад занимался теми же расчетами.