Приямвада Натараджан

КАРТА ВСЕЛЕННОЙ

Главные идеи, которые объясняют устройство космоса

© Priyamvada Natarajan, 2016

Originally published by Yale University Press

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2019

© Электронное издание. ООО «Альпина Диджитал», 2019

* * *

Посвящается Амме и Аппе

Предисловие

Карта космоса за последние 100 лет претерпела существенные изменения. В 1914 г. наша Галактика Млечный Путь представлялась целой Вселенной — маленькой, статичной, одинокой. Космологические исследования в те времена все еще опирались на классические принципы гравитации, разработанные в XVII в. Современная физика и триумфальные шаги общей теории относительности (ОТО) полностью изменили представление человечества о пространстве и времени. Сегодня мы знаем, что Вселенная динамична, темпы ее расширения только ускоряются, в то время как таинственные ключевые компоненты — темную материю и темную энергию — увидеть пока не удается. Остальная материя, из которой состоят звезды и само человечество, представлена в виде таблицы Менделеева, но это всего лишь 4 % от всей массы Вселенной. Мы удостоверились в существовании планет на орбитах других звезд. Мы подозреваем наличие других Вселенных. Все это говорит о невероятном научном прогрессе.

Из всех научных дисциплин космология, вероятно, оказала наиболее существенное влияние не только на нашу концепцию Вселенной, но и на наше понимание своего места в ней. Потребность в поиске собственной точки опоры и попытки объяснить природные явления уходят своими корнями в первобытные времена. Мы находим удивительное сходство в древних мифах о сотворении мира, которые помогали людям придать смысл изменчивым и суровым природным явлениям. Сверхъестественные объяснения пробуждают веру в невидимую и все же куда более могущественную реальность. Кроме того, они в значительной степени базируются на нашем ощущении чуда в мире природы. Изобретательное человеческое воображение позволяло древним цивилизациям представлять силы, которые напрямую не присутствовали в мире, но воспринимались как вполне реальные.

Возьмем, к примеру, Энки, шумерского бога воды, гнев которого мог стать причиной наводнений. Или Индру — бога дождя и грозы в индуизме. Радуга, вытянувшаяся на небе, служила ему луком, молнии — стрелами. Самые сильные мифы — это мифы, которые требуют большой доли воображения и в то же время помогают нам почувствовать опору под ногами.

Я выросла в Индии и всегда ощущала потребность найти свое место в мире. Энциклопедия «Британника» стала моим первым путеводителем. 32 тома 15-й редакции, помещавшиеся на книжных полках моих родителей, стали для меня воплощением всех знаний человечества того времени. Словно заколдованная, я погружалась в древние атласы, карты, которые вели путешественников к новым открытиям, и карты звездного неба. Я была очарована звездами. Мои собственные картографическое изыскания позволили мне впервые ощутить на собственном опыте, что такое научное исследование. Занявшись программированием на компьютере Commodore 64, для национальной газеты я написала программу, с помощью которой можно было составлять ежемесячные карты звездного неба над Дели. С той поры я была захвачена открытиями и исследованиями. Во времена учебы в бакалавриате Массачусетского технологического института (MIT) я изучала физику, математику и философию. Затем любопытство привело меня в магистратуру MIT на программу «Наука, технологии и общество», после чего я отправилась за океан в докторантуру по астрофизике в Кембриджском университете. Я стала ученым и продолжаю постигать новые знания, связанные с историей и философией науки, чтобы лучше узнать, как совершаются научные открытия и формируются наши знания. По сути, в основе моей работы как астрофизика-теоретика, связанной с составлением карты темной материи и исследованием процесса формирования черных дыр, лежит ощущение чуда и стремление раскрыть тайны Вселенной — чувство, похожее на то, что испытывали люди древности. Меня все еще увлекает изучение карт, которые помогают нам ориентироваться, — все то, что впервые возбудило мой интерес, когда я была ребенком и жила в Дели. Я исследую отклонение света, идущего из отдаленных галактик, гравитационное линзирование, чтобы определить местоположение темной материи, которая является причиной таких отклонений. Я также исследую формирование и рост черных дыр, самых удивительных и загадочных объектов во Вселенной. В настоящее время участвую в одном из самых крупных и новаторских проектов картографирования Вселенной, когда-либо предпринимаемых человечеством, — программе Hubble Frontier Fields. Цель проекта — глубже проникнуть в отдаленные уголки Вселенной и более точно, чем когда-либо, отметить местоположение темной материи. В период с 2014 по 2017 г. камеры на борту космического телескопа «Хаббл» расходовали значительную долю времени на данный проект. Конечно, я лишь одна из многих исследователей, использующих эти уникальные наблюдения и отдающих свои силы работе по созданию масштабной карты Вселенной. Впереди нас ждет множество новых удивительных открытий. Мы, как и поколения наших предшественников-ученых, можем столкнуться с необходимостью полностью пересмотреть нынешний статус-кво.

Существует немало книг, посвященных истории космологических открытий, однако в данной работе я поставила цель по-иному взглянуть на процесс развития научных идей, то, как их оспаривали и в конце концов принимали. Чтобы следить за развитием событий, не обязательно быть астрофизиком. Примеры из области космологии, которые я привожу в работе, предназначены для иллюстрирования гораздо более обширных тенденций в сфере научных исследований и открытий. В частности, я прослеживаю развитие радикальных научных идей, которые постоянно меняли карту космоса. Эволюция идеи, возникающей из мрака, получающей популярность, а затем и всеобщее признание, кажется мне крайне захватывающей. В космологии создание и уточнение карт часто отражает данный процесс, выходя за рамки картографии. Тектонические сдвиги в понимании мира в прошлом веке потребовали пересмотреть привычные «карты знаний». Но утверждение новых идей не происходит в одно мгновение, оно всегда становится предметом дебатов. По мере оспаривания учеными господствующих представлений о Вселенной наше мировоззрение и символическая карта продолжали непрерывно меняться, требуя от нас адаптироваться и быть готовыми к изменениям.

Это история необычайного полета фантазии, появления радикальных идей, подпитываемых новыми открытиями. Процесс принятия идеи раскрывает различные стороны как всей науки, так и отдельных ученых — эмоциональные, психологические, личные и социальные, выходящие за рамки чисто интеллектуального стремления к знаниям. Это видение противоречит популярной точке зрения, что наука состоит лишь из исследований с целью получения фактических данных об устройстве мира. Дело в том, что наукой занимаются люди и она строится из переплетения субъективных мнений.

Споры и разногласия в научном сообществе являются неотъемлемой его частью, и мы заостряем на них внимание именно потому, что они демонстрируют, как новые идеи борются за право на существование. Именно поэтому мне интересно, почему возникают споры в сообществе космологов и как разрешаются. Эти споры не прекращаются, поскольку свойственны самой природе научных поисков. Научный ум совершенствуется и приобретает гибкость в процессе дискуссий, которая ежедневно подвергается проверке и позволяет ученым преодолевать потрясения от новых открытий, подвергающих сомнению основы знаний. Я показываю, как космологи справляются с этими переменами и уточняют свои «карты знаний», творчески используя энергию любознательности.

Это мощное слияние новых идей и новых технологий, меняющее наше знание о космосе. Возьмем, например, изобретение спектрографа, который раскладывает свет на составные части, позволяя дистанционно изучать химический состав далеких звезд; мощные телескопы и чувствительные камеры, обладающие невероятно высоким разрешением; или компьютеры, способные хранить и обрабатывать огромные массивы данных — все это породило новые идеи и позволило ученым их подтвердить или опровергнуть.

В последние несколько десятилетий исследователи проникли еще дальше вглубь пространства и времени, используя сложные детекторы и спутники. Мы описали реликтовое излучение, исследование которого приближает нас к моменту творения — Большому взрыву. На нашем собственном «заднем дворе» мы обнаружили тысячи планет, вращающихся вокруг звезд за пределами Солнечной системы. Тем не менее осталось много тайн.

С древних времен мы наслаждаемся величием ночного неба, состоящего из тысяч неподвижных точек света — звезд, восходивших и заходивших в одно и то же время. Однако в 1718 г. британский астроном Эдмунд Галлей, второй по значимости астроном Королевства Великобритании, обнаружил, что координаты звезд постепенно меняются. Например, звезды Сириус, Арктур и Альдебаран сместились далеко от тех мест, которые описаны древнегреческим астрономом Гиппархом около 2000 лет назад. По-видимому, «неподвижные» звезды блуждали.

Такие неожиданные, дезориентирующие открытия распространены в космологии, и нынешнее понимание расширяющейся с ускорением Вселенной аналогично перевернуло наши привычные представления. Все началось в 1543 г., когда Николай Коперник переместил ось вращения мира с Земли на Солнце, вокруг которого мы «с тех пор» обращаемся. Теперь общеизвестно, что речь идет о Солнечной системе, но в то время считалось, что Солнце — центр Вселенной. Открытие движения звезд привело к еще большим изменениям нашего понимания Вселенной. В 1920-х гг. были открыты другие галактики, что говорило о том, что Млечный Путь — всего лишь одно скопление звезд среди многих, а затем было доказано, что Вселенная расширяется, и астроном Эдвин Хаббл подступил к изучению происхождения и эволюции Вселенной. Сегодня у нас есть изображения нескольких миллионов галактик и данные о них, многие из которых настолько далеки, что их свет, который мы видим, возник, когда Вселенная находилась в зачаточном состоянии, то есть в возрасте миллиарда лет при нынешних 13,8 млрд. Эти открытия являются частью более обширной истории о том, как мы пришли к некоторым из самых замечательных идей в космологии за последние 100 лет и как эти идеи получили развитие. Человеческий фактор науки, изобилующий личным соперничеством, столкновениями амбиций и поиском славы, тормозил или же, наоборот, продвигал многие открытия. Человеческое стремление к безопасности и сохранение статус-кво вступают в действие, когда мы сталкиваемся с драматическими изменениями. Эта инстинктивная инертная реакция на новые радикальные идеи препятствует принятию перемен в нашем глубоко укоренившемся мировоззрении. Ученые не освобождаются от этого и часто сопротивляются новому, пока не примут убедительные доказательства.

Понятие Вселенной как часового механизма, управляемого универсальными законами, такими как законы Ньютона, были быстро приняты, потому что картина такого мира давала ощущение стабильной и неизменной Вселенной. Даже революционная гелиоцентрическая система мира Коперника, поначалу воспринятая в штыки, в конце концов прижилась, поскольку сохраняла понятия неподвижной Вселенной, просто ее центр переместился от нас к Солнцу.

Революционные космологические открытия XX и XXI вв. — расширяющаяся Вселенная, темная материя, черные дыры, модель Большого взрыва, многочисленные экзопланеты — перевернули наше представление о Вселенной. Она предстала перед нами как нечто постоянно меняющееся, где мы одновременно уникальны и в то же время ничтожны в грандиозном мире.

В этой книге я прослежу развитие космологических идей из концепций к закономерностям, подчеркивая их неожиданные повороты и отмечая мощное преобразующее воздействие на эволюцию нашего мировоззрения. Этот тектонический сдвиг понимания Вселенной как неподвижной и статичной структуры к структуре постоянно меняющейся требует постоянного преобразования нашего видения космоса. Новые открытия в космологии лишают нас точки опоры и часто вызывают дискомфорт даже у самих открывателей. Наблюдение за постепенной эволюцией ученых, появление у них способности принимать новые идеи и перестраивать карты знаний не только показывают, как работает наука, но и дают представление о том, что становится катализатором изменения мировоззрения. Преображающее влияние науки как объективного метода познания окружающего мира раскрывает эмоции и страсти, захватывающие ученых. По своей сути внутренняя природа этого познания лучше всего иллюстрируется тем фактом, что научный прогресс, сопровождаемый внезапными озарениями, приводит к непредвиденным и изначально непостижимым последствиям. Я раскрываю этот сложный, волнующий процесс в свете меняющейся практики науки. Мы вступили в эпоху большой науки, которой предоставляются огромные инвестиции человеческого интеллектуального капитала и других ресурсов, а также работа с крупными командами и опыт многих технических квалифицированных исследователей. Этот сдвиг в масштабах исследовательских усилий ученых затронул и работы, связанные с космологией.

Например, широкомасштабный проект «Слоуновский цифровой небесный обзор» (Sloan Digital Sky Survey), целью которого было составить подробные трехмерные карты трети всего неба, опирался на команду из нескольких сотен ученых из более чем 40 научно-исследовательских институтов по всему миру. Хотя научные исследования в космологии не так масштабны, как в экспериментальной физике частиц, где задействованы тысячи ученых, астрономия стала свидетельницей резкого увеличения рабочих групп, которые каких-то 30 лет назад состояли из 2–3 человек. По мере развития космологии, требующей использования все более сложных инструментов и технологий, требуется больше ресурсов. Драматические изменения в способах исследования и сложность новых инструментов породили новые междисциплинарные области науки, такие как, например, астрофизика частиц, находящаяся на стыке астрофизики и физики частиц. Эта трансформация масштаба и культуры науки привела к исчезновению образа ученого как чудака с неопрятной шевелюрой. Сегодняшняя большая наука имеет огромный потенциал для ускорения исследований и получения результатов, а также самый разнообразный характер вопросов, которые ученые могут задавать и исследовать.

В наше время происходят эпохальные события в науке, и важно понимать, как она работает. Я считаю, что более точное представление о том, как ученые проводят исследования и совершают открытия, даст более глубокое понимание природы самой науки. Статистика сообщает, что большая часть населения не в состоянии понять суть современных научных исследований и с подозрением относится к работе ученых. Сложный процесс самоидентификации, а не аргументация формирует доверие. Психология человека играет важную роль в принятии изменений. Наше отношение к изменениям глубоко связано с нашим самоощущением. В быстро меняющемся мире, где с головокружительной скоростью развиваются наука и технологии, мы пытаемся обрести ощущение стабильности, поскольку она придает смысл нашей жизни. Многие недавние публичные дискуссии отвергли научные выводы, как и «голую теорию», будто некий недостаток. Но красота науки заключается в том, что, хотя теория всегда условна, она предоставляет лучшие доказательства и объяснения для текущего момента. Несмотря на то что в науке по мере появления новых данных некоторые теории периодически пересматриваются, она основана на воспроизводимых доказательствах, которые дают научную оценку гипотезам.

Понимание силы и условного характера научного мышления — вызов нашего времени, и на последующих страницах я предлагаю взглянуть на мир с позиции космологии — сложной и условной стороны астрономии. Мы увидим, как выдающиеся ученые неоднократно боролись за принятие радикальных новых идей и в конце концов им это удавалось. Надеюсь, книга поможет вам понять (или подтвердить свое понимание), что, хотя наука как человеческое стремление не является абсолютно объективной, она по-прежнему предлагает лучшие рецепты для получения доказательств и познания нашего мира. Наука сама корректирует свои отклонения в ту или иную сторону. Она — лучший для нас способ ориентироваться в этой чудесной Вселенной и понимать ее. На протяжении веков именно наука помогала нам составлять чертеж взаимосвязей естественного мира. И как любая хорошая карта, он указывает, куда двигаться.

1. Древние карты неба

Первоначально человек владел всего одним инструментом для изучения космоса — своими глазами. Люди тех времен воспринимали мир через призму мифа, а не науки, и любые невидимые, таинственные, сверхъестественные силы, которые управляли движением планет и звезд, ассоциировались с деяниями богов. Когда в древности люди поднимали взгляд к небесам, они ожидали от них благоприятных и предсказуемых действий. И точно так же, как и мы сейчас, наши предки фиксировали результаты своих космологических изысканий: они создавали карты.

Одним из первых изображений звездного неба стала выполненная из меди и золота чеканная пластина, датируемая периодом с 2000 по 1600 г. до н. э. Она относится к унетицкой культуре бронзового века. Находка была обнаружена в регионе Саксония-Анхальт на территории Восточной Германии. Судя по всему, на пластине изображено Солнце или полная Луна, лунный серп и звезды. С точки зрения современного человека, на ней также присутствуют Плеяды, что вполне возможно, так как это звездное скопление отчетливо видно на ночном небе даже невооруженным глазом. Металлический диск, вероятно, служил своего рода дневником наблюдений, в который с течением времени добавляли новую информацию. Одно такое дополнение выглядит как две золотые дуги по бокам диска, которые, судя по всему, обозначают местоположение закатного Солнца в дни летнего и зимнего солнцестояния, фиксируя, таким образом, позиции Солнца в самый длинный и самый короткий день в году. Также мы можем видеть дугу в нижней части диска, от которой расходятся многочисленные линии. Она имеет множество толкований: Млечный Путь, радуга или многовесельная солнечная лодка — мифологический способ передвижения Солнца. Мы почти ничего не знаем о способах использования этого предмета. Но можем предположить, что люди, которые пользовались пластиной, каким-либо образом связывали происходящее на Земле с небесными событиями.

Жители Вавилона, которые заинтересовались небом спустя приблизительно девять столетий после появления Небесного диска, с большой тщательностью относились к записи данных астрономических наблюдений. Британский археолог Остен Генри Лейард и его экспедиция, организованная в XIX в. с целью проведения раскопок на месте великих библейских городов в Месопотамии (Междуречье), обнаружили и восстановили целый клад, состоящий из скрупулезно систематизированных данных астрономических наблюдений. Их находка включала копии еще более древних наблюдений, которые были собраны и записаны жителями Месопотамии. Среди тысяч клинописных табличек, которые Лейард и его коллеги обнаружили на территории современного Ирака, был найден документ, содержащий наблюдения Венеры{1}.

Археологи считают, что табличка с данными о Венере была создана во времена правления царя Амми-цадуки и что это один из сотен тысяч документов, которые демонстрируют степень интереса вавилонян к записи данных астрономических наблюдений. Переводы клинописной таблички показывают, что жители Вавилона понимали различие между мерцающими звездами и планетами, которые сияют, испуская ровный свет. Они знали, что на небе есть пять подобных блуждающих точек, которые двигаются отдельно от звезд. Слово «планета» отражает подобные ранние описания, так как происходит от греческого слова πλανήτης — «блуждающий». Одно из небесных тел двигалось с запада на восток относительно других звезд. Самым странным было то, что примерно каждые два года оно радикально меняло направление движения на 90 дней, а затем возвращалось к своему восточному маршруту. В Вавилоне зарегистрировали этот объект и его удивительный ход в обратную сторону. Сегодня мы понимаем, что такая особенность в движении Марса является результатом сочетания маршрутов двух планет: когда Земля и Марс проходят по своим орбитам вокруг Солнца, для наблюдателя с Земли Марс поворачивает в обратную сторону. Вавилоняне искали закономерности и вели подробные наблюдения за странным движением Красной планеты, включая ее необычный возвратный маршрут. Кометы, которые могут появиться на любом участке небосвода, считались предвестниками беды, плохими предзнаменованиями, предрекающими земные катаклизмы. На основании хронологии движения небесных тел в ночном небе можно догадаться, что многие древние цивилизации отмечали регулярность небесной активности и пытались предсказать будущее положение объектов. Вероятно, успех в данном мероприятии помогал им примириться с природой. Карты древности связывали мир небожителей с земным миром{2}.

В наши дни данные астрономических наблюдений используются для подтверждения или опровержения астрофизических гипотез и моделей, в древности же человек видел куда более тесную связь небес с обыденными событиями. Фиксация текущих небесных явлений служила для предсказывания будущих событий, но древние не стремились объяснить закономерности или докопаться до причин. Их целью было отмечать передвижения небесных тел и разрабатывать описания, которые позволили бы точно предсказать будущее. Так была заложена основа астрономии — наблюдения. В конце концов из наблюдений и ведения соответствующих записей родилась эта наука, пусть даже первоначально толкования перемещений данных тел едва ли имели какое-либо отношение к научной сфере. Эта ранняя традиция, заключающаяся в сборе наблюдений за ночным небом, имела ключевое значение. Благодаря ей общество стало инстинктивно связывать наше место на планете с нашим местоположением в космосе.

Жители Вавилона были не способны понять научное значение блужданий небесных тел, однако данные их наблюдений служили не только религиозным, но и практическим целям. Например, закономерности в небесных явлениях имели огромное значение для сельскохозяйственных циклов. Обратите внимание на запись наблюдения на табличке Венеры: «На пятнадцатый день месяца Венера исчезла с небес и оставалась невидимой три дня. Затем на восемнадцатый день одиннадцатого месяца она вновь появилась на восточном краю неба. Заструились новые ручьи, бог Адад послал дождь, а бог Эа послал свои наводнения»{3}. Обратное движение Венеры означало проливные дожди на Земле. В индуистской мифологии Индра, высшее божество и бог бури, имеет разные имена: Повелитель молнии, Собиратель бурь и Даритель дождя. Он вечно сражается с демонами подземного мира и борется со злом от имени сил добра. Он является Демиургом — фигурой ремесленника, который, по поверьям, вылепил физическую Вселенную, исключительно материальный мир. А Творец — это тот, кто вознес на небо зарю, поэтому ему необходимо поддерживать регулярную смену дня и ночи.

Поскольку в те времена никто не использовал данные наблюдений для поиска физических закономерностей, люди древности, не имея научных теорий и развитых технологий, изобрели астрологию. Например, согласно древнеиндийской астрологической традиции, ночное небо делилось на зодиакальные дома, которым соответствовало множество замысловатых мифологических историй, объяснявших их форму. У каждой планеты был свой правитель и соответствующий характер. Марс, например, обладал воинственным темпераментом, и его избранники (люди, рожденные на его участке натальной карты) были агрессивны, сварливы, обожали оружие и имели способности к технике и механике.

И только во времена древних греков человеческое мировоззрение стало опираться на логику, информацию и фактический материал. Их появление на мировой сцене пошатнуло теорию сотворения мира, согласно которой мироздание покоилось на спине черепахи, ее снизу поддерживала другая черепаха… и так далее. Этот образ (иногда с небольшими вариациями) господствовал вплоть до VI в. до н. э. Но в сравнении со знаменитыми городами и царствами Античности, среди которых Иерусалим и Вавилон, зарождающийся греческий мир нес в себе что-то совершенно иное, новое и стремительное. В отличие от античных царств он состоял из нескольких политически независимых городов-государств, которые имели свою автономию и существовали разобщенно. Активно формирующаяся культура, отличавшаяся открытостью для вопросов и споров, перестроила правящий небесами пантеон. Боги обрели новый облик, при этом к смертным перекочевали с небес власть и свобода воли. По сути, небожители несли в себе отражение человеческих пороков, и пропасть между божественной безупречностью и человеческим несовершенством стала уже.

В таком мире в 610 г. до н. э. на ионическом побережье в городе Милетус на территории современной Турции родился Анаксимандр. Ему приписывают создание картины мира, в которой Земля в виде цилиндра дрейфует в пространстве, окруженная небесами, и ни одно существо не держит ее сверху. Он считается первым человеком, сделавшим вывод о свободно подвешенном состоянии Земли. Это заметно изменило мировоззрение, будучи невероятным шагом вперед, который стал символом новой интерпретации космоса.

И хотя перемены были в высшей степени радикальными, толчком к изменению восприятия стали не только мысли Анаксимандра о связи между небом и Землей, но и интеллектуальный процесс, в ходе которого он вышел к своим идеям. Его учитель Талес, как считают, отказался от мифологических толкований, однако именно Анаксимандр запустил процесс переосмысления нашего мира, подвергнув сомнению то, что казалось незыблемым. Такой вид исследования — необходимый и определяющий элемент нашего нынешнего научного подхода. Попытка Анаксимандра объяснить мироздание и пролить свет на происхождение человека и возникновение мира с помощью одного всеобъемлющего описания была одной из самых впечатляющих и ранних, а может быть, и первой. Если в истории существует момент, который мы могли бы назвать поворотной точкой, то это время, когда Талес и Анаксимандр, оба жители Милетуса, разрабатывали новое фундаментальное мировоззрение. Анаксимандр не стал пассивно принимать статус-кво. Он стремился к знаниям и понимал, что они постоянно эволюционируют. Его понимание не было абсолютным или статичным. Оно требовало вопросов, сомнений и постоянных доработок{4}.

Одним из столпов критического мышления, который представляет собой ключевой элемент всей астрономии, является желание ставить вопросы под влиянием любопытства. Другой столп — вечное желание человечества узнавать и создавать то, что мы называем картой. Мы не можем недооценивать значение данной буквальной и практической связи между небом и Землей, которая развивалась одновременно с геодезией — наукой о глобальном позиционировании. Магнитный компас, изобретенный в Китае примерно в 200 г. до н. э., стал инструментом, который в итоге оказал важнейшее влияние на геодезию. Изготовленные с использованием магнитного железняка, материала, который встречается в естественном виде в магнетитовой руде, такие приборы реагируют на магнитное поле Земли. Однако в те времена компасы использовались только в качестве инструментов фэншуй, для гармонизации окружающего пространства. И только приблизительно в 1040 г. н. э. китайцы стали использовать компасы для навигации по суше, в том числе в военных целях; при этом понадобилась еще сотня лет, чтобы компас вошел в обиход мореплавателей. Историки до сих пор спорят о том, как знания о магнетизме распространились из Китая на Запад, однако есть весомые доказательства, что именно китайцам принадлежит слава создателей компаса. Так что остальному миру появления компаса пришлось подождать, а для стремительного прорыва в развитии картографии — выйти за пределы земного и создать карту небес. Звезды в ночи помогали людям древности вести суда в океанах, а наше Солнце позволило измерить размер Земли{5}.

Одной из первых вех в картографии стало измерение в 240 г. до н. э. окружности Земли греческим астрономом Эратосфеном. Он заметил, что в городе Сиена (современный Асуан) ежегодно в самый длинный день (летнее солнцестояние) в полдень отсутствует тень. Он знал, что в Александрии, его родном городе, расположенном ниже по Нилу на севере Египта, в этот же день Солнце находилось над городом не строго по вертикали, поэтому он измерил разницу в положении светила, посчитав угол, которую отбрасывала тень высокой башни в Александрии. С помощью геометрии и известного ему расстояния между городами он получил длину окружности Земли, всего на 16 % отличающуюся от имеющегося сегодня значения, близкого к 40 000 км.

Математика предоставила возможности для совершенно нового подхода к восприятию космоса — произошел сдвиг от мифоса к логосу, к физической и геометрической концепции астрономических явлений, которая позволила анализировать закономерности. Гиппарх из Никеи (190–120 гг. до н. э.) считается одним из величайших астрономов античного мира. Многие приписывают ему изобретение тригонометрии и создание первых эффективных моделей движения Солнца и Луны. Скорее всего, он пользовался вавилонскими хрониками затмений и положений планет. Основываясь на работах жителей Вавилона и Месопотамии, Гиппарх составил актуальный каталог звезд и разработал, как считают, первые количественные, геометрические и математические описания астрономических явлений. Во II в. н. э. астроном, математик, картограф и астролог греко-египетского происхождения по имени Клавдий Птолемей сделал следующий шаг в понимании движения небесных тел. Унаследовав от Гиппарха данные 300-летней давности, он сопоставил все астрономические таблицы и геометрические модели греческих ученых в виде всеобъемлющего трактата — «Альмагеста». Но Птолемей не просто собрал воедино данные — он создал новую модель неба, которая соответствовала всем имеющимся данным{6}.

Физическая модель мира Птолемея состояла из встроенных сфер, и его комплексные таблицы позволяли производить расчет будущих положений планет. Для каждой планеты он использовал по четыре наблюдения за длительный период времени, что позволило получить максимальное преимущество при измерении их циклов. Самое раннее наблюдение, которое он взял для работы, относится к 700 г. до н. э. и, вероятнее всего, является результатом работы Гиппарха по сведению воедино вавилонских хроник. Если учесть, что ключевой интерес в отношении положений планет все еще был связан с прогнозированием земных явлений, никого не удивит, что Птолемей обратился также к земной картографии. В то время как «Альмагест» указывает положения планет на небе, а также лунные циклы, его аналог под названием «Географика» содержит местоположения городов и опознавательных ориентиров на Земле. Птолемей воспринимал обе карты в тандеме: выстроив порядок небесного царства с помощью вложенных сфер, он закрепил местоположения всех известных земных точек на сетке. Так как планеты и Солнце движутся по эклиптике, Птолемей воспользовался эклиптическими координатами — сеткой с Землей по центру в том виде, в котором она представляется с внешней стороны небесной сферы, — для создания карты звездного каталога. С этого момента Земля и небо проецировались с помощью координат на поверхности сферы. Птолемей создал карту небес на основании постоянной привязки к эклиптике, а карту Земли — к широте, измеренной от экватора. Возможность предсказывать положения небесных тел позволила «Альмагесту» сохранять значимость на протяжении Средних веков.

Греки также разработали математический аппарат для изучения дуг, составляющих половину круга, и углов, противолежащих хордам, которые соединяют центр круга с его окружностью. Но математика, конечно, черпала новое и за пределами Греции. Индийцы дополнили математику эллинов. В частности, математику Ариабхате, который занимался исследованиями в V в. н. э., приписывают описание тригонометрических функций через бесконечные ряды, что позволило ему разработать подробные таблицы значений для синусов и косинусов углов. Для отображения неба на небесном глобусе и Земли на земном глобусе требовалось приложить двумерную Евклидову геометрию к изогнутым поверхностям. В период с VII по XI в. арабы и индийцы создавали сферическую тригонометрию. Расширение геометрии для описания отношений между сторонами и углами треугольников на поверхности сферы имело решающее значение для астрономии, для определения местоположения звезд на глобусе, для геодезии, для понимания влияния кривизны Земли при навигации, так как отдаленные точки Земли теперь становились более доступными.

Развивающиеся торговые маршруты способствовали знакомству персидских и арабских математиков с новыми знаниями индийской математики, которые они транслировали и широко распространяли по всему средневековому исламскому миру. Математик Ал-Джайяни из Аль-Андалуса написал работу, которую считают первым всеобъемлющим трактатом по сферической тригонометрии, — это «Книга о неизвестных дугах сферы» («Китаб маджхулат киси ал-кура»). Применив теорему Птолемея, определяющую долготную разницу между двумя точками на Земле в терминах их разницы по широте и расстоянием по дуге большого круга между ними, математик Рейхан Аль-Бируни в XI в. использовал маршруты караванов для получения разницы в широте между Багдадом и другими городами{7}.

Астрономии необходим синтез наблюдений с теоретической и математической базой, кроме того, требуется продуманный анализ причины и следствия. Хотя модель Птолемея могла отобразить движения планет и указать положение на карте самых ярких звезд, зафиксированных жителями Вавилона, он не искал пояснений для интересующего нас вопроса — причины движения планет.

И снова ключом к ответу были технологии, которые продолжали развиваться. Компас, изобретенный в 200 в. до н. э., появился в западном мире примерно 400 лет спустя. В трактате «О природе вещей» (De naturis rerum) Александр Неккам рассказывает о магнитном компасе и его употреблении в навигации примерно за 40 лет до упоминания о нем в персидской книге сказаний, датируемой 1232 г., «Книге сокровищ купцов» («Китаб канз ал-туяр фи мари фат ал-ахяр»), автором которой был Байлак Аль-Кибьяки из Каира{8}.

Наработки в инструментах математики и картографии в итоге привели к появлению радикально нового вида карт — таких, которые соответствуют масштабу. Портуланы (морские карты) сочетали в себе установленные с помощью компаса направления и измеренные моряками морские расстояния. Развитие этих карт приблизило так называемую Эпоху открытий, обозначившую начало эры точных измерений в астрономии. Последовавшая охота за властью и добычей путешествующих по морю европейцев подогревала развитие науки и способствовала изобретению новых приборов. Как подразумевает само название, которое произошло от латинского слова, обозначающего «порт», портуланы были сосредоточены на деталях прибрежных линий и обозначенных с их помощью маршрутах: на картах были отмечены линии, соединяющие между собой известные прибрежные города и позволяющие произвести расчет расстояния, а также времени, необходимого для путешествия. Самый древний из сохранившихся портуланов — Пизанская карта, которую датируют 1296 г.

Если портуланы становились все более точными за счет использования звезд при создании карты Земли, карты неба не только сделались более выверенными, но и стали гораздо тщательнее отображать углубляющиеся объяснения космических явлений. Изменение в методах и возможностях толкования, которое отражало важные концептуальные метаморфозы, особенно заметно на картах неба. Рассмотрим для примера карту космоса, которая появляется в «Бревиарии любви» (Le Breviari d’Amor) — украшенной иллюстрациями рукописи, авторство которой приписывают Матфре Эрменгау де Безье, опубликованной в период между 1375 и 1400 гг.{9}

Этот рисунок изображает аристотелевскую и птолемеевскую точки зрения на Вселенную; царство неподвижных, неизменных идеальных звезд четко отделено границей на верхнем ободе. Все несовершенства ограничены земной сферой, внутри которой находятся изменяющиеся элементы — Огонь, Вода, Земля и Воздух. Все остальное считается чистым и совершенным. Обратите внимание, как это изображение связывает видение небесной силы с механистическим восприятием: ежедневные перемещения Солнца и Луны показаны как результат работы ангелов, которая приводит к вращению Земли. Итак, здесь мы видим упорядоченный космос Птолемея, который тем не менее приводится в движение за счет ангелов — они изображены вращающими ручку, которая часто используется в качестве метафорического устройства. Эта карта демонстрирует жизнестойкость мифологии или духовных элементов, соседствующих с математическим представлением. Здесь ангелы занимают понятийный вакуум, который позже был заполнен гравитационными законами Исаака Ньютона. Ньютон, конечно, рассматривал гравитацию не как свойство материи, но как проявление высших сил. Он верил в высшие силы как фактор, ответственный за движение планет.

Трактовки Вселенной становились более подробными пропорционально развитию миропонимания. Аналогичным образом изменения в восприятии Вселенной также отображались в рамках картографии. Некоторые из особенно витиеватых средневековых толкований космоса можно найти в «Каталанском атласе» (Catalan Atlas), опубликованном в 1375 г. Это одна из наиболее значительных компиляций времен Средневековья, которая отображает концепции Земли и неба. Автором данного атласа считают еврейского астронома и картографа Авраама Крескеса. Земля на изображении окружена кольцами, олицетворяющими четыре ключевых элемента и семь сфер, которые обозначают орбиты известных на тот момент планет. За их пределами находятся Луна, Солнце и неподвижные звезды. Эта карта свидетельствует о переходе от эпохи ангелов к эпохе инструментов. Ангелы больше не приводят в движение космос, вместо этого мы видим, как возрастает значение научных инструментов, в частности астролябии, которую держит в руках похожий на ученого мужа персонаж в центральной части карты.

Хотя считается, что астролябия как прибор для измерения местоположения изобретена древними греками и принадлежит авторству Птолемея, она была усовершенствована в средневековом мусульманском мире. Ученые Востока с их знанием тригонометрии ответственны за добавление в инструмент угловых шкал. Астролябию использовали для определения положения Солнца, Луны и звезд, а также местного времени на указанной широте с помощью таблицы широт многих известных городов, добавленной к прибору в виде отдельных съемных пластин. В мусульманском мире сферическая астролябия также применялась для определения направления, в котором располагалась Мекка, и времени регулярных молитв для истовых верующих. Первая западная металлическая астролябия была изготовлена в X в. в Испании, поэтому неудивительно, что инструмент появляется в «Каталанском атласе». На карте Крескеса время становится математическим понятием, которое можно сопоставить с вечностью. Влияние математических расчетов приобретает центральное значение и выходит на передний план. В более ранних представлениях о космосе на изображениях часто встречались бородатые люди, олицетворяющие собой богов, которые контролировали происходящее. На закате эпохи Возрождения ангелы и херувимы исчезают с места действия и их заменяют аллегорические человеческие фигуры, олицетворяющие четыре времени года.

Николай Коперник, астроном эпохи Возрождения, осуществил следующий решительный шаг в 1514 г. в своей рукописи на 20 страницах, которая в некотором роде стала предвестницей будущих сенсаций. Позже получившая название «Малый комментарий» (Commentariolus) и распространявшаяся исключительно среди друзей астронома, эта работа была посвящена пересмотру господствовавшего на тот момент птолемеевского взгляда на космос. Коперник предложил перестроить небеса, создав новую систему координат, в которой в центре располагалось Солнце, а не Земля.

Несомненно, система Коперника подрывала все прежние понятия о небесах — она не только говорила о том, что Земля обращается вокруг Солнца, но и предполагала, что, так как для наблюдателя местоположение звезд осталось неизменным (то есть отсутствует параллакс), звезды оказались значительно дальше, чем считалось ранее, несмотря на движение Земли по ее предполагаемой орбите. Небесная граница отодвинулась еще дальше. Боясь негативной реакции, Коперник вплоть до 1543 г. колебался относительно издания полного трактата на эту тему под названием «О вращении небесных сфер» (De revolutionibus orbium coelestium). Наконец, епископ его поддержал, и Коперник посвятил трактат папе римскому. Лишь спустя 70 лет, в 1616 г., книгу запретила католическая инквизиция и трактат отдали «на правку». Был издан список «правок», где удалили несколько кусков текста (примерно в 10 местах), включая отрывки, в которых новое положение Земли представлялось в виде факта, а не гипотезы. Целью изменений было представить гелиоцентризм просто как удобный способ описания движения планет — как точку зрения, но не реальную действительность. Мы увидим во многих следующих главах, что похожие приемы часто были необходимы для того, чтобы представлять радикальные идеи чем-то более приемлемым.

Оуэн Джинджерич, выдающийся историк астрономии, отследил почти каждый существующий экземпляр работы Коперника и, проведя небольшое детективное расследование, оценил долю книг, сохранившихся к настоящему времени. Он пришел к выводу, что от 400 до 500 экземпляров, скорее всего, были напечатаны в первом издании и еще 500 или около того — во втором издании, которое было осуществлено в 1566 г. Джинджерич расписывает поиски этих экземпляров в своей книге с ироничным названием «Никем не прочитанная книга» (The Book Nobody Read) и отмечает, что половина имеющихся в Италии книг содержит правки, в то время как в других местах на территории континентальной Европы подобных экземпляров крайне мало{10}.

Несмотря на то что влиятельный кардинал Беллармин в итоге инициировал обвинение в отношении гелиоцентризма, не один лишь католический мир испытывал дискомфорт от изменившейся картины мира. На самом деле против гелиоцентризма возражал и Мартин Лютер. Конечно, церковная доктрина в те времена гласила, что Земля, а не Солнце находится в центре мира. Карта Коперника объясняла общие принципы движения блуждающих небесных тел, однако не могла спрогнозировать хаотичное движение Марса или Венеры с большей точностью, чем господствующая модель. А для противников его теории отсутствие параллакса — потенциального сдвига, который являлся следствием изменения местоположения Земли, — мог означать не удаленное положение звезд, но просто-напросто то, что Земля оставалась совершенно неподвижной. Новый космический порядок Коперника явился настоящим озарением. Безусловно, дело было не только в отсутствии достаточного количества данных. Часть проблемы лежала на технологиях. Наблюдения были настолько неточными, что допускались очень приблизительные прогнозы. Со времен Птолемея в сфере измерений не произошло никаких реальных усовершенствований{11}. Новая концепция космоса в качестве подтверждения нуждалась в более точных данных. Между тем Коперник, как это было свойственно его времени, попеременно именовался то астрологом, то астрономом — хотя он никогда не составлял гороскопы.

Новая гегемония эмпирических данных обозначила важный поворот в истории космологии как науки, а также в истории ее идей, и отсюда возник новый стандарт в теории познания. Наметился переход от нематериального к материальному в построении базы знаний. Астрономия была на передней границе этой эмпирической революции. Наблюдатели могли спустя какое-то время дублировать свои исследования и выявлять лежащие в их основе модели, и все это также способствовало становлению этапа развития интеллектуального научного сообщества. Изобретение печатного пресса обеспечило возможность быстрого распространения информации и предложило новые средства передачи идей, инициируя диалог между учеными. Астрономы писали книги, которые шли в печать и далее циркулировали в среде их коллег{12}.

Различные печатные карты и другие изображения космоса XVI и XVII вв. свидетельствуют о последующей концептуальной борьбе между конкурирующими небесными моделями. И только появление в XVI в. датского астронома Тихо Браге способствовало радикальным изменениям в этой области. Обладая богатыми ресурсами для последовательного создания и совершенствования астрономических инструментов, Браге был помешан на повышении точности наблюдений. Он был очень организованным человеком, и наблюдения имели для него первостепенное значение. Астроном подготавливал целые комплексы мероприятий и эффективно собирал данные в периоды, когда планеты находились в интересных геометрических конфигурациях, например в противофазе. Браге продолжал собирать наблюдения для поддержания или опровержения старых моделей. Он был последним в списке великих астрономов, которые проводили свои исследования без помощи специальных приборов. Ученый тщательно следил за кометами и, таким образом, развенчал популярную в те времена аристотелевскую концепцию идеальной, неподвижной и незыблемой Вселенной за пределами орбиты Луны. Но, подвергнув сомнению старую систему понятий, Браге болезненно относился к перестановке Земли и Солнца, которую предложил Коперник. Он изобрел альтернативную систему, в которой все планеты (кроме Земли) вращались вокруг Солнца, которое, в свою очередь, вращалось вокруг Земли вместе со своей свитой планет. Работа Андреаса Целлариуса «Гармония Макрокосмоса» (Harmonia Macrocosmica) иллюстрирует данную концепцию. Подобная компромиссная модель представляет собой типичную уловку в ситуации, когда радикальная идея подвергает сомнению господствующее мнение. Часто тектонический сдвиг концепции является следствием не единичного характерного события или четкого переломного момента, а скорее медленного и последовательного накопления веских подкрепляющих доказательств, которые приводят к смене мнений.

Дебаты, которые в итоге возникли между сторонниками моделей Коперника и Браге, а также соответствующих космических концепций, стали предметом множества художественных изображений. Карты отражают конфликт между данными мировоззрениями. Они стали площадками для распространения новых идей, а также инструментами интеллектуального влияния.

Возьмем, к примеру, адаптацию модели Браге авторства итальянского астронома и иезуитского священника Джованни Баттиста Риччоли, которую он обсуждает в своем трактате «Новый Альмагест» (Almagestum Novum). Иллюстрация Урании, божественной музы астрономии, служит обложкой для книги. На картинке она в буквальном смысле сравнивает на весах систему Коперника (с левой стороны) и модель Браге, адаптированную Риччоли (с правой стороны). Весы на книге Риччоли (естественно) склоняются в пользу его собственной теории, где Меркурий, Венера и Марс вращаются вокруг Солнца, оно, в свою очередь, вращается вокруг Земли, аналогично Юпитеру и Сатурну, которые остаются на своих геоцентричных орбитах Птолемеевой системы. В левой части изображен многоглазый Аргус, держащий телескоп и указывающий на изобилие новых небесных объектов, которые стали видны благодаря этому инструменту. Мы также видим Птолемея в виде старца, он низведен до роли зрителя, а его списанная геоцентрическая модель Солнечной системы лежит на земле.

За пределами карт теологическая принадлежность и политическое верноподданство также оказывали влияние на баланс на весах Урании. Помимо разумного возражения в виде отсутствия доказательств параллакса антикоперниковская позиция Браге могла похвастаться своим политическим преимуществом как созвучная католической догме, предписывающей Земле неподвижное положение. Данная догма возникла в ходе буквального прочтения Библии, новой практики, которая появилась в ответ на вопросы, поднятые Реформацией. Немалое число астрономов XVII в., которые не могли смириться с коперниковской картиной мира, купились на концепцию Браге. Но вскоре у Браге появился новый соперник среди ближайших соратников — его коллега и соавтор научных работ Иоганн Кеплер{13}.

Вплоть до этого момента предполагаемое местоположение Земли относительно Солнца и, следовательно, земной орбиты не соответствовало действительности. Даже для Коперника оставался загадкой эксцентриситет ее орбиты вследствие фактора 2. Более точные данные Браге позволили скорректировать орбиту Земли, и это имело решающее значение для выводов Кеплера относительно движения по эллиптическим орбитам.

Вслед за правильным расчетом земной орбиты и разработкой законов Кеплера появилось решение для загадки Марса. Земля и Венера вращались вокруг Солнца по орбитам, которые крайне незначительно, почти незаметно отклонялись от идеального круга, что соответствовало Птолемеевой картине мира. Для Марса, с другой стороны, характерен значительно больший эксцентриситет его орбиты, который был далек от орбиты круговой.

Кеплер являлся убежденным последователем Коперника и никогда не воспринимал комбинированную модель, предложенную Браге. Но даже у него не было уверенных объяснений, почему движутся планеты, если не брать в расчет идею Птолемея о некой «первичной движущей силе», которая вращает небесные сферы. Несмотря на это, Кеплер первым занялся поисками причинно-следственной связи, говоря современными научными терминами. Он настаивал на идее наличия физической причины и пытался разработать принципы физики небесных тел. Помимо вращения Солнца он рассматривал магнетизм в качестве возможной силы, ответственной за планетные движения. В классической теории вплоть до Коперника еще никогда не пытались искать физическую причину того, почему планеты движутся именно так, а не иначе. Несмотря на эту новаторскую попытку, Кеплер быстро сдался, так как не понимал роли инерции. Причина рассматривалась скорее как философская, а не астрономическая. Конечно, астрономия была частью натурфилософии. Во многом астрономия оказалась той интеллектуальной дисциплиной, которая ускорила разделение натурфилософии и формирующейся области знаний, которую мы в наши дни называем современной наукой.

Отслеживание происхождения новой идеи — задача непростая. Как мы видим на примере развития моделей, которые я только что описала, карты показывают нам состояние знаний в конкретный момент времени и служат действенными маркерами эволюции, в процессе которой происходит представление, распространение, обсуждение и оспаривание новых идей, сочетающих в себе исследование, технологии и осознание.

В то время как люди древности могли надеяться только на свои глаза, современные астрономы располагают телескопами на Земле и в космосе, что значительно расширило возможности для наблюдения за объектами ближнего и дальнего космоса. Карты звездного неба несут в себе отпечаток этой трансформации, фиксируя в графическом виде, как человеческое восприятие неба от воображаемого и мифологического перешло к реальному и логичному. Хотя Кеплер предоставил убедительную схему движения планет, понадобились новые инструменты для научных исследований и новые идеи для того, чтобы раз и навсегда разрешить этот вопрос. Подзорная труба, продававшаяся в 1608 г. на рынке Амстердама, после того как ее приспособили для новой цели, превратилась в телескоп, который позволил обозревать в ночном небе далекие объекты. Галилео Галилей считается изобретателем астрономического телескопа — усовершенствованной обычной подзорной трубы, — которым пользовался, когда открывал спутники Юпитера, пятна на Солнце и фазы Венеры, а также при картографировании поверхности Луны. Галилео также способствовал продвижению понятия небесной механики. Следующий значительный шаг оставался за английским физиком Исааком Ньютоном и его изданием «Математические начала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica) 1687 г., которое часто называют просто «Начала» и которое очерчивает основные принципы закона всемирного тяготения. Этот трактат был бы невозможен без открытия Кеплером трех законов. Ньютон совершил самый дерзкий на тот момент скачок, объединив земное и небесное законом всемирного тяготения. Он стер различия между небом и Землей и показал, что в обеих сферах работают одни и те же законы. Именно в это время, в 1600-х гг., начала появляться методологическая система, которую мы теперь называем наукой.

Радикальные метаморфозы картины мира, провозглашенные Коперником и получившие поддержку в процессе наблюдений в телескоп Кеплера, Галилео и многих других, возродили к жизни древние догадки о структуре большого космоса. Эта эволюция привела к возврату интереса к вопросу, существуют ли другие миры за пределами Солнечной системы. Гравюра конца XVII в., созданная французским художником Бернаром Пикаром, раскрывает его идею о множественности миров, которые могут существовать во Вселенной, иначе говоря, многообразии других звезд за пределами Солнца, которые могли бы стать домом для собственных планетарных систем, похожих на нашу Солнечную систему. Когда вопрос с Солнечной системой прояснился, астрономы устремили взоры за ее пределы, чтобы переосмыслить и отметить на карте то, что может находиться за пределами нашей планетной системы.

Как и многие современные астрономы, я унаследовала этот древний интерес к созданию карт и их истории. Хотя вместо астролябий можно строить модели с помощью компьютеров, мы остаемся исследователями космоса. Рубеж неизведанного — это уже не границы мира, изучаемого с борта каравеллы, но границы нашей Вселенной, которую можно разглядеть через самые мощные телескопы, созданные человечеством. Мы рисуем и перерисовываем наши космологические карты с помощью все более и более сложных инструментов. Отныне можно увидеть рубежи, которые уходят далеко за пределы нашего воображения — к дальним областям космоса и назад во времени, к лепету юной Вселенной вскоре после Большого взрыва, когда она была создана. Продолжается традиция, которая возникла при вступлении в мир логоса и к настоящему времени преобразовалась в мир научного метода. Мы увидим это развитие на следующих страницах — как конкурируют друг с другом результаты наблюдений и новые теории и как те и другие совершенствуют радикальные концепции нашего места в мире, которое уточняется по мере развития космологии.

2. Границы отодвигаются

Расширение Вселенной

Холодным февральским утром 1848 г. Эдгар Алан По читал лекцию под названием «О космографии Вселенной». Она проходила в государственной Нью-Йоркской общественной библиотеке. Присутствовало всего 60 человек, и они покинули зал разочарованными и озадаченными. И все же эта лекция и предшествующая ей работа послужили основой для поэмы в прозе «Эврика», в которой По демонстрирует личное понимание происхождения Вселенной. Некоторые воспринимают «Эврику» как пророческое произведение, предугадывающее новые научные открытия, другие — как произведение романтическое, очень личное или даже нарочито сатирическое. На первых страницах По восклицает: «Я вознамерился говорить о Физической, Метафизической, и Математической — о Вещественной и Духовной Вселенной: о ее Сущности, ее Происхождении, ее Сотворении, ее Настоящем Состоянии, и Участи ее»[1]. Он продолжает описывать Вселенную как непостоянную и изменяющуюся. Это в корне противоречило существующему в научном сообществе видению статичной Вселенной. За неимением доказательств По в своей поэме пытается быть убедительным за счет предположений. Тем не менее в 1848 г. было невозможно убедить кого-либо в состоятельности новой научной идеи без предоставления эмпирических доказательств. Научное объяснение нуждалось в поддержке расчетов и наблюдений. Конечно, По не проводил каких-либо научных изысканий. Но он был прав.

Более 80 лет понадобилось астрономам для того, чтобы подтвердить правоту По. В 1929 г. Эдвин Пауэлл Хаббл с помощью современного по тем временам 100-дюймового телескопа на станции Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии открыл удивительную зависимость: чем дальше находилась галактика, тем скорее, судя по всему, она удалялась от нас. Его наблюдение имело смысл только в случае, если предположить, что Вселенная расширяется. «Эврика» получила подтверждение! Это открытие привело к коренному сдвигу в нашем понимании космоса, не менее важному, чем созданная Николаем Коперником в 1543 г. гелиоцентрическая модель мира. Идея расширяющейся Вселенной получила поддержку и обозначила появление принципиально новой картины космоса — XX в. преобразил нашу космическую карту.

Если эта история начинается с Эдвина Хаббла, заметим, что Альберт Эйнштейн для нашего главного героя играл роль важного антагониста. В то время как Хаббл, будучи астрономом, был занят пересмотром привычной модели Вселенной, основываясь на своих наблюдениях, Эйнштейн, знаменитый теоретик, ухватился за идею о неподвижной Вселенной. Сражение разыгрывалось не между Эйнштейном и Хабблом как отдельными учеными и даже не между теорией и наблюдениями, но между верой и доказательствами. В другой февральский день — на этот раз речь идет о 1931 г. — на семинаре в обсерватории Маунт-Вилсон (что было уместно, так как именно здесь Хаббл получил свои данные) Эйнштейн наконец признал, что он ошибался, и это утверждение шокировало всех собравшихся в зале слушателей, включая Хаббла. Репортер из газеты Associated Press написал, что «по библиотеке пронесся возглас удивления»{1}. Этот возглас символизировал то, что человеческий фактор играет важную роль в области научных исследований.

Но теперь, когда я раскрыла вам кульминационный момент, давайте вернемся к начинаниям Хаббла. 6 мая 1906 г. привлекательный 16-летний старшекурсник школы Wheaton High School в Чикаго побил рекорд штата Иллинойс по прыжкам в высоту. Газета Chicago Tribune сообщила, что юный Эдвин Пауэлл Хаббл взял высоту в 185 см, — возможно, это больше легенда, чем факт. Как подробно рассказывает Алан Лайтман, позднее в том же году Хаббл якобы выиграл медали за все прочие соревнования — от прыжков с шестом до толкания ядра и метания диска. Когда Хаббл получил стипендию, чтобы учиться в Чикагском университете, казалось, он вполне встал на путь профессионального атлета. Хаббл был хорошо сложен, его рост достигал 188 см, и он был невероятно амбициозен. Помимо привлекательных физических данных Хаббл обладал живым умом, был одарен глубоким мышлением, а также, по словам его сестры Люси, с ранних лет отличался высокомерием. Пусть и склонный к преувеличению своих способностей, Хаббл обладал пытливым умом и был весьма начитан. Он рано проявил интерес к астрономии, когда в возрасте восьми лет получил телескоп от своего деда Уильяма Джеймса. Похоже, первое знакомство с космосом произвело на него неизгладимое впечатление. После блестящих успехов в бакалавриате Чикагского университета он получил стипендию Родса для учебы в Оксфорде. Получение этой стипендии стало для Хаббла важной вехой, и годы жизни в Англии на всю жизнь превратили его в англофила. Чтобы угодить отцу, Хаббл изучал юриспруденцию в Королевском колледже, отказавшись от своей мечты продолжить изучение астрономии или математики во время пребывания в Соединенном Королевстве. Среди его современников, известных в будущем и получивших в том же году стипендию Родса, были корреспондент Элмер Дэвис, который в дальнейшем возглавил Бюро военной информации США во время Второй мировой войны, и математик и первопроходец в электронике Ральф Хартли. За годы, проведенные в Оксфорде, Хаббл стал щеголем, освоил английский, характерный для высших слоев общества, а также приобрел манеры, которые соответствовали аристократическому укладу. Он тщательно придерживался усвоенных привычек на протяжении всей жизни, включая курение трубки, — даже в процессе наблюдений в Маунт-Вилсон в свои последние годы{2}.

Хаббл вернулся в Соединенные Штаты в 1913 г., вновь соединившись с семьей, и, предположительно, открыл юридический офис в Луисвилле, штат Кентукки, но оказалось, что он просто отложил свои мечты о космосе. Друзьям в Англии он писал, что занимается судебными делами, но на самом деле преподавал физику, математику и испанский язык в старшей школе в Нью-Олбани по другую сторону реки Огайо от Луисвилля{3}. Его отец умер ранее в этом же году, так что Хаббл вернулся, чтобы помочь матери и младшим брату и сестрам. Хаббл был опустошен утратой. Но в то же время чувствовал себя освобожденным от деспотичного гнета ожиданий со стороны сурового отца. Он бросил работу в течение года после возвращения из Англии и вернулся в Чикагский университет, куда был зачислен как студент магистратуры в сфере астрономии.

До открытий Хаббла в любом уголке мира верили в статичную и неизменную Вселенную. В мифах о сотворении мира на протяжении тысячелетий народы пытались справиться с изменчивыми природными явлениями — дождем, громом, молниями, наводнениями и засухой, взывая к незыблемым небесам, статичному космосу. То, что мы видели в ночном небе одни и те же звезды, конечно, поддерживало эту веру.

В своей книге «О небе» Аристотель написал: «Ибо согласно [историческим] преданиям, передававшимся из поколения в поколение, ни во всем высочайшем Небе, ни в какой-либо из его частей за все прошедшее время не наблюдалось никаких изменений»[2]. Начиная с античных времен астрономы и философы (между ними достаточно долго не было никакой разницы) делили ночное небо на две категории: во-первых, неподвижные звезды, которые, по-видимому, восходят и заходят, однако с течением времени сохраняют свои приблизительные позиции, и, во-вторых, «блуждающие звезды», к которым относились планеты, Солнце и Луна{4}.

Неподвижные звезды также входили в состав впечатляющих символьных систем в древних эллинистических и индийских астрологических традициях. Астрология, развитию которой в значительной мере способствовали наблюдения ночного неба, во многом проложила дорогу астрономии как современной научной дисциплине. Один из самых ранних документов, в котором упоминаются звезды и созвездия, — каталог, обнаруженный в астрологическом сборнике на латыни под названием «Книга Гермеса» (Liber Hermetis). Этот звездный каталог предположительно датирован 130 г. до н. э. В любом случае он, по-видимому, предшествует птолемеевскому (приблизительно 150 г. н. э.), хотя в нем присутствуют названия многих звезд, позже упомянутые в «Альмагесте». Птолемей указал 1020 неподвижных звезд вдобавок к тем, которые имелись в «Книге Гермеса», и они стали играть важную роль в эллинистической традиции{5}.

Незыблемые небеса вдохновляли многих поэтов как метафора постоянства и неизменности в эфемерном и изменчивом мире. Такое представление о наличии неколебимого мира, пусть даже далекого и непостижимого, давало человеческой душе чувство стабильности. Что бы ни происходило, звезды оставались бессменными и молчаливыми свидетелями мимолетной драмы человеческой жизни. Вечные декорации мироустройства напоминали о предопределенном небесном происхождении космоса. Понятие незыблемости воспринималось человеческим воображением как достоверный факт, кроме того, было точкой опоры для накопленных человечеством знаний. В аллегорическом произведении Данте Алигьери «Божественная комедия» (XIV в.) восьмое небо, олицетворяющее рай, принадлежит неподвижным звездам, как и предполагал Птолемей.

Время жизни Шекспира (1564–1616) совпало с жизнью Джордано Бруно (1548–1600), Галилео Галилея (1564–1642), Тихо Браге (1546–1601) и Иоганна Кеплера (1571–1630). Все они были натурфилософами — или, как я назову их анахронически, первыми учеными. На Шекспира их открытия оказали огромное влияние. Доработка телескопа, которую осуществил Галилео, позволила значительно расширить обзор вовне и изменила наши знания о небесной сфере. Если же говорить о картине мира, в умах господствовала геоцентрическая теория, которую Птолемей выдвинул в своем «Альмагесте». Это был расцвет астрономической эры — и Шекспир часто прибегал к астрономии в своих рукописях. Он неоднократно обращался к неподвижным звездам в пьесах и сонетах. В сонете 21 неподвижные звезды обозначают непоколебимость любви:

В любви и в слове — правда мой закон,

И я пишу, что милая прекрасна,

Как все, кто смертной матерью рожден,

А не как солнце или месяц ясный.

Я не хочу хвалить любовь мою, —

Я никому ее не продаю!6

Символика неподвижных звезд оставалась модной для английских поэтов эпохи романтизма. Перси Биши Шелли написал в 5-й песне своей поэмы «Королева Маб» в 1813 г.:

Сколько же Ньютонов, для чьего взора

Эти великие сферы, излучающие вечность,

Были лишь застывшими в небе блестящими каплями,

Освещающими полуночные часы родного города7.

В этом стихотворении королева Маб и дух Ианте «возносятся на волшебной колеснице», чтобы показать «будущий рай человечества». Стихотворение необычно обилием сопроводительных комментариев — целых 93 страницы вдобавок к 86 страницам самой поэмы. Это пример увлечения Шелли наукой, с помощью которой он подкрепляет свои поэтические образы и употребляемые им пророческие элементы, используя свежие открытия и новые научные идеи. Здесь мы видим заметное отличие от попытки По убедить читателя лишь с помощью предположений{8}.

Эйнштейн не был поэтом, да и писал в XX в., однако его не в меньшей степени очаровывали неподвижные звезды. За доказательствами мы можем обратиться не далее чем к его научной работе 1917 г. по теории космологии, в которой он в общих чертах обрисовывает суть известной сегодня новой теории гравитации — Общей теории относительности: «Космологические наблюдения к общей теории относительности»{9}. Сформулированные Эйнштейном так называемые уравнения поля всеобщей относительности объясняют, как материя и энергия создают гравитацию и как гравитация, в свою очередь, влияет на форму пространства и времени. Также в работе вводится космологическая постоянная, обозначенная греческой буквой «лямбда». Лямбда — противодействующая сила, которая сопротивляется притягивающей природе гравитации, — в формулировке Эйнштейна обеспечивала неподвижное положение в небе звезд и туманностей (в то время уже знали о галактиках). Эйнштейн утверждал, что можно выбрать значение лямбды для поддержания этого хрупкого баланса, который отвечал бы за неизменную Вселенную и ее постоянный размер. Введение этой константы стало весьма умным шагом с его стороны для защиты всех остальных наблюдений, которые подтверждали его ОТО. Отталкивающий эффект лямбды имел бы незначительное проявление при наблюдении в масштабах нашей Солнечной системы и показал себя только на огромнейших космических расстояниях. Такие масштабы в то время выходили за рамки эмпирической досягаемости.

В заключение своей работы Эйнштейн признает: «…последний [член лямбда] нам необходим для того, чтобы обеспечить возможность квазистатичного распределения материи, соответствующего фактическим малым скоростям звезд». Другими словами, у него не было объяснения, почему и как появилось понятие лямбды. Он обосновал свои измышления, заявив о необходимости соответствовать необычайно малым скоростям или видимому движению близлежащих звезд в отношении более далеких точек отсчета. Но добавленный им дополнительный член был не только способом скорректировать уравнение и представить теорию в лучшем виде. Мотивы Эйнштейна, которыми он руководствовался при изменении уравнения, свидетельствовали о продолжении культурной традиции и глубоко устоявшейся вере в статичную Вселенную{10}.

Эйнштейн был убежден, что нашел в статичной Вселенной единственно возможное решение своих уравнений поля. Но в 1917 г. нидерландский физик Виллем де Ситтер доказал существование другого решения. Оно описывало пустынную Вселенную, лишенную всякой материи. Де Ситтер предложил новую модель Вселенной, основываясь на космологической теории Эйнштейна, и свой вариант скромно и почтительно именовал «Решением Б» в ответ на «Решение А» Эйнштейна. Геометрия пространства, которая является ключевой характеристикой в теории относительности Эйнштейна, не меняется во времени в Решении А Эйнштейна или новом Решении Б. Однако де Ситтер взял на себя смелость предположить, что содержание материи во Вселенной незначительно в сравнении с силой космологической постоянной Эйнштейна. В его решении из-за отсутствия материи во Вселенной направление ее развития полностью зависит от выдумки Эйнштейна — понятия космологической постоянной. Решение Б де Ситтера подразумевает два ошеломляющих вывода: измерения времени зависят от местоположения наблюдателя во Вселенной и туманности движутся эксцентрично — они стремительно разбегаются друг от друга, приводимые в движение исключительно мощной отталкивающей силой со стороны превалирующей космологической постоянной, и таким образом аннулируют действие гравитации{11}.

Де Ситтер с интересом следил за успехами наблюдательной астрономии и знал об опубликованных в 1913 г. результатах наблюдений астронома Весто Мелвина Слайфера за удаляющимися туманностями. Эйнштейн не был в курсе эмпирических достижений в астрономии. В своей работе в 1917 г. де Ситтер отчитался о ряде исследованных туманностей, которые разбегались со скоростью несколько сотен километров в секунду. Эти наблюдения соответствовали прогнозу де Ситтера и, по его утверждениям, поддерживали таким образом Решение Б. Эти доводы не убедили Эйнштейна и других ученых. Они считали модель Вселенной де Ситтера абсурдной, так как она не содержала никакой материи! Даже несмотря на то, что Решение Б забраковали, работа де Ситтера приобрела статус фундаментальной, так как он открыл дорогу для новой, принципиально важной возможности — трактовать время в уравнениях Эйнштейна как переменную величину. Де Ситтер оформил и усовершенствовал концепцию постоянно развивающейся Вселенной. Тем не менее ему требовались решения, которые бы совпадали с реальной Вселенной — такой, которая явно содержит галактики, а не одну пустоту.

После того как де Ситтер проложил дорогу концепции изменяющейся во времени Вселенной, идея быстро проникла в умы, и другие ученые взялись за исследования в этом направлении. Одним из таких исследователей был советский ученый Александр Фридман, в 1922 г. начавший изучать решения уравнений поля, которые описывали Вселенную, содержавшую в себе материю и изменяющуюся с течением времени, то есть динамические модели космоса при наличии материи. Он отказался как от идей Эйнштейна, так и де Ситтера, и обнаружил ряд иных решений, включающих переменные, которые удовлетворяли уравнениям поля. В его модели Вселенная первоначально была крайне плотной, но с течением времени она расширялась и становилась все более разреженной. Эйнштейн ознакомился с работой Фридмана, но без долгих рассуждений отказался принимать ее всерьез, так как он был категорически не согласен с расчетами ученого. Отчасти по причине такого несогласия работа так и не получила широкого распространения среди читателей. Кроме того, Фридман умер всего три года спустя в возрасте 37 лет. В отсутствие сильных сторонников его идея осталась без внимания.

В действительности Эйнштейн был недоволен решениями и де Ситтера, и Фридмана, но причины недовольства слегка отличались. Решение де Ситтера он считал абсурдным, так как оно подразумевало пустую Вселенную, а решение Фридмана противоречило уверенности Эйнштейна в статичности Вселенной. В ответ Эйнштейн опубликовал несколько поспешно написанных (и ошибочных) статей, призванных выявить заблуждения обоих ученых. Но, когда были обнаружены ошибки в его собственных возражениях, он признал право на существование данных решений, хотя они его и не убедили. Таким образом, даже человек, которого многие считают эпохальным ученым, придерживался убеждений, не имеющих под собой рациональной базы, несмотря на то что в своей работе опирался на рациональное восприятие и логику. Вердикт Эйнштейна, согласно которому Вселенная должна была пребывать в статичном состоянии, оставался непоколебимым до тех пор, пока не появились неопровержимые эмпирические доказательства противного.

Теория и наблюдения в астрономии до сей поры шли параллельно, но неожиданно на сцену вышел европейский священник, который заставил их пересечься. Ничем не примечательный молодой бельгийский священник и физик Жорж Леметр установил принципиально важную взаимосвязь между приведенными выше отвлеченными теоретическими решениями и эмпирическими данными, которые наконец убедили принять выводы Хаббла. Во время своей работы в Гарвардской обсерватории в 1924–1925 гг. Леметр осознал масштабные перспективы сведения в единое целое теории и результатов наблюдений. Он присутствовал на ежегодном собрании Американского астрономического общества в Вашингтоне в 1925 г., где услышал о первом крупном открытии Хабблом существования других галактик помимо нашей собственной. Кроме того, Леметр знал об астрономе Слайфере, бывшем фермере из Индианы, и был знаком с его выводами об удаляющихся туманностях. Леметр заметил, что эти два наблюдения при их сопоставлении подразумевают расширение Вселенной. И у него случилось озарение. Постепенно обрастала деталями идея провести эмпирический тест, цель которого — получить веские доказательства, необходимые для подтверждения теоретической гипотезы о расширяющейся Вселенной. После возвращения в Левен (Бельгия) он разработал модель динамичной Вселенной наподобие работы Фридмана, хотя и не имел ни малейшего понятия о его идеях. Дальновидный Леметр, на два шага опережая всех ученых, сразу же принялся сопоставлять возможные последствия результатов Хаббла и потенциальное использование новооткрытых галактик для проверки характеристик Вселенной. Он стремился проверить, находится ли наблюдаемая нами Вселенная в согласии с ОТО. В своей статье от 1927 г. Леметр спрогнозировал, что скорость, с которой туманности от нас удаляются, пропорциональна расстоянию между нами и туманностью, и подытожил: «Скорости удаления внегалактических туманностей представляют собой космический эффект расширения Вселенной»{12}. Линейная зависимость, согласно которой скорость удаляющихся туманностей пропорциональна расстоянию до них, стала качественно новым выводом, ранее не упомянутым Фридманом. Теперь появились четкие предпосылки для теоретических решений, которые можно было бы напрямую сопоставить с астрономическими наблюдениями. Леметр не знал о расчетах Фридмана, статья которого канула в Лету. К сожалению, Леметр опубликовал свою эпохальную идею на французском языке в малоизвестном научном журнале «Вестник Научного общества Брюсселя» (Annals of the Scientific Society of Brussels). И хотя в 1928 г. в Кембридже он входил в круг великих умов, таких как Артур Стенли Эддингтон, сам Леметр, гигант мысли британской элиты астрофизиков, не смог привлечь к своей работе большого внимания. Теоретическая концепция динамической Вселенной появилась в научной литературе в 1928 г., но осталась незамеченной и не имела какого-либо влияния.

Теперь мы возвращаемся в 1912 г., в мир наблюдательной астрономии, на фоне которой развернутся приведенные выше теоретические свершения. Астрономы-наблюдатели гораздо раньше обнаружили указания на динамический характер Вселенной. Как было сказано выше, первым ключом к разгадке послужили измерения Слайфером скорости туманностей, которые он осуществил с помощью 24-дюймового телескопа в Обсерватории Лоуэлла в штате Аризона в 1912 г. Главным техническим прорывом в то время стало использование фотопластинок в телескопе, которые позволяли фиксировать изображения слабо видимых астрономических объектов. Уже в 1840 г. удалось успешно получить изображение небесного тела, однако понадобилось куда больше времени, чтобы этот метод достиг совершенства. Еще 50 лет потребовалось для фиксации изображения тусклых звезд и неярких туманностей, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. К началу 1900-х гг. наблюдатели регулярно оснащали телескопы камерами и другими приборами, например спектрографами: с помощью разложения света на составляющие его длины волн они показывают химический состав наблюдаемых объектов. Исследователи наводили телескопы на конкретные объекты и собирали свет в течение длительного времени. Свет на пластинке, регистрировавшей местоположение и яркость объектов, фиксировался как негативное изображение — в виде темных пятен.

Эта революционная технология позволила астрономам фиксировать слабые удаленные объекты, используя длинную экспозицию. Изображения на пластинке означали, что у астрономов появились надежные доказательства того, что они видели. Фотопластинки позволяли исследователям анализировать наблюдения и производить измерение характеристик объектов на фотографическом кадре. При наличии материальных данных наблюдений астрономы могли изучать фотопластинки при свете дня. Фотоизображения также способствовали обмену наблюдениями. Самое важное — появилась возможность откалибровать измерение яркости объекта, сделались доступными количественные статистические исследования. В частности, теперь можно было обнаружить и подтвердить с помощью повторного наблюдения перемещение объектов. Также появилась возможность измерять и документировать количественные доказательства, взятые из объективного источника — фотопластинок, в то время как ранее приходилось полагаться на хоть и тренированные, но все же потенциально пристрастные глаза астронома. Хотя в наши дни все это и не выглядит масштабным достижением, в такой сфере, как астрономия, где нельзя осуществить управляемый лабораторный эксперимент, это был настоящий прорыв. Оборудование, которое снижало зависимость от субъективного наблюдателя и автоматически регистрировало данные, максимально приблизило космологические наблюдения к качественным экспериментальным данным.

Фотопластинки, несомненно, стали важнейшими инструментами, ускорившими открытие расширяющейся Вселенной. Они зафиксировали первые материальные изображения ночного неба, которые можно было анализировать, хранить и снова включать в работу в рамках исследования и анализа. Они передавали подробное изображение ночного неба, что способствовало более тщательному изучению отдельных объектов.

Фотопластинка, предшественница фотопленки, представляет собой стеклянную пластину, покрытую фоточувствительной эмульсией, состоящей из соединений серебра, на которой можно фиксировать изображение. Пластинки были в употреблении в астрономии до 1990-х гг., так как они прочнее пленки, их сложнее помять или свернуть. Во многих известных астрономических исследованиях объекты регистрировали на пластинках. До изобретения цифровых камер фотопластинка была главным рабочим компонентом астрономического сообщества.

Фотография славится долгой и богатой историей, но если говорить о ее значении в нашем контексте, то главной здесь будет роль, которую она сыграла в фиксации изображений ночного неба. Фотографии астрономических объектов стали использоваться в научных целях в середине XIX в. Для снимков тусклых астрономических объектов была необходима длительная экспозиция и телескопам требовалась устойчивая опора, а также возможность постоянного перемещения для компенсации вращения Земли. Фокусировка телескопа на фиксированном участке неба в течение длительного времени стала непростой технической задачей. Изобретатель дагерротипии Луи-Жак Манде Дагер снял первое фото Луны в 1839 г. Луна выглядела как пуховый комок из-за сложностей с отслеживаем объекта при длительной выдержке. Уильям Крэнч Бонд и Джон Адамс Уиппл сделали первую фотографию звезды 17 июля 1850 г. с помощью 15-дюймового телескопа Гарвардской обсерватории, который все еще покоится в своей башне по адресу Гарден-стрит, 60, в Кембридже, в кампусе Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.

Затем в 1871 г. Ричард Мэддокс изобрел легкую желатиновую пластину с эмульсионным слоем. Путем проб и ошибок, работая с различными материалами, он обнаружил, что пластинки, покрытые бромистым кадмием и нитратом серебра, закрепляемые с помощью желатина, имеют невероятную светочувствительность. Джон Гершель, сын астронома Уильяма Гершеля, создал первую фотографию на стеклянной пластинке и ввел в обращение термины «позитив» и «негатив». Джон Гершель по праву заслужил титул выдающегося ученого, и его авторитетное исследование «Предварительные рассуждения об изучении натуральной философии» (Preliminary Discourse on the Study of Natural Philosophy) было опубликовано в 1831 г. в «Кабинетной энциклопедии» (Cabinet Сyclopaedia) Дионисия Ларднера. Работа, формулирующая метод научного исследования, вдохновила многих ученых, включая натуралиста Чарльза Дарвина{13}. Гершель разработал технику покрытия стеклянной пластины с одной стороны желатиновой эмульсией, содержащей микрокристаллы высокочувствительного составного галогенида серебра. Размер кристаллов определяет чувствительность, контрастность и разрешение изображения. При воздействии света эмульсия постепенно темнеет, запечатлевая рисунок и оставляя негативный отпечаток.

К началу 1900-х гг. применение фотопластинок в астрономии стало повседневной практикой. Для обработки снимков требовалась напряженная ручная работа, и с этой целью Эдвард Пикеринг, директор Гарвардской обсерватории, нанял группу женщин-исследователей, среди которых была Генриетта Суон Ливитт (и их работа имела решающее значение для миссии Хаббла), за зарплату 25–30 центов в час. Пикеринг нанял Ливитт и других женщин с высшим образованием для работы в рамках его амбициозного исследования, целью которого были каталогизация и точное измерение яркости и цвета каждой звезды на небе. В 1950-х гг. Лаборатория научных вычислений имени Томаса Дж. Уотсона, основанная в Колумбийском университете, в сотрудничестве с IBM первой внедрила автоматизированный способ измерения астрономических пластин, и таким образом машины в итоге заменили человеческие ресурсы и взяли на себя функции счетных устройств. Автоматизация процесса измерения пластин в дальнейшем способствовала извлечению данных из целого ряда исследований, посвященных крупным участкам небесной сферы.

Мощность телескопов и фотопластин стала тем инструментом, который внезапно сделал невидимое видимым, придал осязаемую форму эфемерному и навсегда запечатлел то, что ранее было мимолетным. Эти разработки раздвинули горизонты, повысили объективность и доработали способ превращения информации в доказательную основу. Астрономические наблюдения превратились в двигатель открытий, предоставляя фактический материал, иллюстрирующий космические явления.

Именно Слайфер, которого мы упоминали выше, с помощью нового наблюдательного оборудования нашел одну из первых зацепок: в 1912 г. он обнаружил, что туманность Андромеды, судя по всему, стремительно движется в нашем направлении с довольно существенной скоростью около 300 км/с, что составляет около 1 млн км/ч. В 1914 г., при ее измерении, он выяснил, что несколько других туманностей также движутся с высочайшей скоростью, но уже в противоположном от нас направлении. Эти скорости было невозможно себе представить. Например, в 1912 г. на гонках «Индианаполис-500» самый быстрый автомобиль, который первым пришел к финишу, двигался со средней скоростью всего 129 км/ч. Отчасти изумление, которым сопровождались подобные наблюдения, было вызвано абсолютной невозможностью человеческого воображения охватить такие колоссальные скорости.

Внешние галактики (которые в то время называли внегалактическими туманностями) считались скоплениями звезд, которые либо были слишком тусклыми, либо располагались слишком близко друг к другу, чтобы их можно было рассмотреть по отдельности невооруженным глазом. Сегодня нам известно, что галактики, подобные нашему Млечному Пути, состоят из сотен миллиардов звезд, газа и пыли и что во Вселенной помимо нашей есть миллиарды и миллиарды других галактик. Во времена Слайфера точное расстояние до туманностей оставалось неизвестным, и один из вопросов, который часто вызывал дебаты среди астрономов, звучал так: располагались ли эти далекие туманности внутри нашей Галактики или же они были «островами во Вселенной» за пределами Галактики? Предполагаемый размер Вселенной в те дни, как и сегодня, определялся по видимой границе — насколько далеко мы можем проникнуть взглядом с помощью самых передовых из имеющихся инструментов. Что касается концепции, то представление о туманностях как изолированных в космосе скоплениях звезд не было чем-то новым. Английский астроном Томас Райт (1711–1786) сформулировал эту концепцию еще в 1750 г. Райт, который на протяжении всей жизни был поглощен желанием примирить свои религиозные и научные взгляды, воспринимал такие астрономические объекты в рамках космотеологического мировоззрения. До измерения космических расстояний существовало предположение, что любой объект Вселенной очень похож на другой, и поэтому, если считать, что все звезды приблизительно такие же яркие, как Солнце, самые тусклые кажутся таковыми, так как просто находятся гораздо дальше. Следовательно, расстояния до них можно измерить, сравнив их с яркостью Солнца. Однако предположения изобретательного Райта выходили за пределы Млечного Пути: он представлял, что туманности могут находиться и вне нашей обитаемой Галактики.

Современник Райта философ Иммануил Кант всеми силами поддерживал это утверждение о существовании множества внешних туманностей за пределами нашей собственной Галактики, называя их «островными Вселенными». В трактате «Общая естественная история и теория неба» (Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels), опубликованном в 1755 г., Кант написал (согласно переводу): «Мы видим, что существуют похожие звездные системы (звезды туманностей, туманности), которые разбросаны в космосе на бесконечных расстояниях, и что мироздание во всем своем необъятном величии повсюду организовано в системы, члены которых связаны друг с другом… Впереди лежит широкий простор для открытий, и наблюдения сами по себе послужат ключом к разгадке»{14}.

Хаббл в своих Силлимановских лекциях, с которыми он выступал в Йельском университете в 1935 г. (они были опубликованы под названием «Царство туманностей»), описал гипотезу Райта: «Единая звездная система, изолированная во Вселенной, не удовлетворяла его философскому складу ума. Он вообразил другие похожие системы и для видимых свидетельств их существования обратился к таинственным облакам, называемых туманностями»{15}.

Астрономы стали изучать туманности, и Слайфер к 1914 г. измерил скорости 13 из них, воспользовавшись изменением длины световой волны, которая возникает из-за движения источника относительно нашего местоположения. Подобно более частому и высокому звуку сирены приближающейся «скорой помощи», спектр света, излучаемый телом, которое движется в нашу сторону, перемещается ближе к синему краю (синее смещение). Напротив, когда излучающий свет объект движется в противоположном от нас направлении, длина волны смещается в красную часть спектра — возникает красное смещение. С помощью этого явления, известного как эффект Доплера, которое дает возможность обнаружить приближение или удаление космических объектов, Слайфер вычислил, что туманности в основном удаляются от нас со скоростью приблизительно 600 км/с, что существенно выше скорости любого известного объекта Солнечной системы. В течение следующих восьми лет он собрал данные о более чем 40 подобных туманностей и обнаружил, что все они, судя по всему, постепенно удаляются, исключение составила лишь туманность Андромеды. Астрономы, среди которых был и Хаббл, задумались над результатами Слайфера, и даже такие выдающиеся теоретики, как, например, Эддингтон, были озадачены подобными огромными скоростями. Эти измерения было непросто интерпретировать, но все признали, что они имеют значение и требуют дальнейшего изучения и осмысления. На тот момент никто не понимал, что речь идет о внегалактических туманностях, так как не было принципиально важных данных — насколько далеко они находятся от Земли.

В 1912 г. Ливитт в Гарвардской обсерватории совершила важнейший прорыв. Директор обсерватории Пикеринг планировал исследовать широкую область ночного неба и, следовательно, был заинтересован в сборе статистики астрономических объектов, в то время как Слайфер углубился в длительное изучение отдельных галактик. Женщины с увеличительным стеклом в руке, привлеченные Пикерингом в качестве рабочих ресурсов, корпели над анализом фотопластинок, занимаясь скрупулезными измерениями. К тому времени фотопластинки были довольно чувствительными, и на каждой из них было запечатлено более тысячи звезд в виде темных пятнышек. Армия женщин Пикеринга, его человеческие компьютеры, занимались утомительной задачей — измеряли и записывали параметры изображения самых ярких звезд{16}.

Астрономы догадались, что при наличии информации об истинной яркости звезды силу ее свечения можно было бы использовать для того, чтобы определить расстояние до Земли. Например, нам известно, что яркость лампочки — 60 Вт, если же она в четыре раза тусклее, мы можем сделать вывод, что она находится в два раза дальше, чем такая же лампочка у нас над головой. Но для подобного сравнения необходимо стандартизировать источники света. Ливитт просто обнаружила набор подобных «звездных лампочек» с известной мощностью в ваттах (так называемые стандартные свечи), иначе говоря, переменные звезды цефеиды. Хотя идея рассматривать переменные звезды в качестве эталонов светимости может показаться парадоксальной, изменение их яркости характеризуется удивительной регулярностью, что позволяет использовать такие объекты в качестве калибровочного инструмента. Яркость этих звезд циклично изменяется регулярным и предсказуемым образом, варьируя от нескольких дней до нескольких месяцев. Ливитт обнаружила зависимость между яркостью цефеид и периодом пульсации. Она вела кропотливую работу по исследованию небольших изменений на многочисленных фотопластинках одного и того же участка неба. Более яркие звезды выглядели как более крупные темные пятна. Она сравнивала размеры таких темных пятен с размерами изображений на калибровочной шаблонной пластинке — проверяла одну за другой отдельные звезды на предмет изменения их яркости. Изучив сотни пластинок, Ливитт стала авторитетным экспертом в вопросах измерения яркости звезды, запечатленной на фотопластинке. Она искала переменные звезды, яркость которых изменялась бы регулярно через фиксированные интервалы времени. Для сравнения пластинок одного и того же участка неба, снятого в разное время, их приходилось совмещать с позитивом того же кусочка неба, снятым в другой день. Если черные и белые пятна на негативном и позитивном изображениях не совпадали должным образом, Ливитт определяла звезду как переменную. После скрупулезной работы в 1908 г. она заявила об открытии 1777 новых переменных звезд в Магеллановом Облаке в Южном полушарии. В самом конце статьи, опубликованной в циркуляре Гарвардской обсерватории, она перечисляет 16 особых звезд (позднее причисленных к цефеидам), «более яркие из которых характеризуются более длительными периодами». Так как все эти звезды находились в одном и том же «облаке» или туманности и, следовательно, приблизительно на одном расстоянии от Земли, она смогла заключить, что их периоды должны быть связаны с их свечением, а не расстоянием до них. Более яркие цефеиды имели более длительные периоды. Обработав эти данные, Ливитт поняла, что может измерить расстояние до этих цефеид. Поскольку две такие звезды с одинаковой светимостью имеют одинаковый период, если одна кажется ярче другой, она определенно находится ближе к нам. Причина проста: яркость ослабевает обратно квадрату расстояния. Звезда в два раза более далекая, чем другая, но с одинаковой видимой яркостью излучает в четыре раза более мощный поток света. Предложенный Ливитт метод измерения расстояний, таким образом, включал следующие этапы: измерить период цефеиды и ее видимую яркость, воспользоваться соотношением периода и блеска для оценки ее объективной яркости, а затем сравнить объективную и видимую яркость для вычисления расстояния до нее. Никто, кроме Ливитт, не был в состоянии найти цефеиды, так как, работая «человеческим компьютером», она проанализировала больше пластинок — и больше звезд, — чем любой из ее конкурентов{17}.

Конечно, для рабочего метода Ливитт необходима была калибровка. Требовался образец цефеид, расстояние до которых можно было бы измерить с помощью другого независимого метода, например параллакса. К сожалению, во всем Млечном Пути на тот момент не было известно ни одной достаточно близкой цефеиды, расстояние до которой можно было бы измерить с помощью параллакса. Единственным путем решения проблемы была попытка воспользоваться статистикой, рассчитав параллаксы цефеид Млечного Пути. Началась охота за цефеидами. Харлоу Шепли, «золотой мальчик» Маунт-Вилсон, стал искать их в самых разных точках нашей Галактики и, отыскав, в 1920 г. сделал (неверный) вывод, что все туманности лежат в пределах нашей Галактики. Позже он использовал цефеиды в шаровых звездных скоплениях, чтобы показать, что Млечный Путь — это гигантская звездная система, которая значительно больше, чем кто-либо предполагал ранее. Таким было первое успешное практическое применение метода измерения расстояния с помощью переменных цефеид, и Шепли употребил его для вычисления размера нашей Галактики{18}.

Для расширения сферы применения метода Ливитт астрономам нужно было продолжить поиски данной конкретной категории звезд во внегалактических туманностях, чтобы оценить расстояние. Метод определения расстояния по цефеидам, изобретенный Ливитт, в скором времени сделался стандартным мерилом космоса. Так обстояли дела, когда амбициозный и энергичный Хаббл прибыл в Калифорнию, чтобы взглянуть через самый мощный в мире телескоп. Еще до окончания аспирантуры в Чикагском университете в 1917 г. с диссертацией под названием «Фотографические исследования тусклых туманностей» Хаббл получил приглашение на работу — на должность исследователя в обсерватории Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии. Он отсрочил его на один год для участия в Первой мировой войне. В итоге он отложил свое возвращение на несколько лет, тем не менее рабочее место все еще его ожидало. В это время в эмпирической астрономии господствовали институты Западного побережья. Обсерватория Маунт-Вилсон под управлением Института Карнеги (Вашингтон) и Ликская астрономическая обсерватория на горе Гамилтона, принадлежащая Калифорнийскому университету, представляли собой авангард — в их распоряжении были лучшие телескопы и возможности. Наиболее мощными телескопами были 36-дюймовый телескоп-рефрактор Кроссли в Ликской обсерватории и 60-дюймовый рефрактор в Маунт-Вилсон. Хаббл не смог бы предугадать более благоприятный момент, ведь, когда он вернулся в астрономию, оставалось всего несколько недель до завершения работ по установке в Маунт-Вилсон нового 100-дюймового телескопа Хукера, который в скором времени должен был стать крупнейшим в мире{19}. В 30-летнем возрасте полный амбиций Хаббл получил доступ к лучшему оборудованию. Можно сказать, все звезды сошлись, так как два его потенциальных конкурента, Гебер Кертис и Шепли, как раз перед его приездом переехали из Калифорнии и вскоре, соответственно, освободили для него место. Кертис и Шепли увязли в спорах, являются ли туманности вселенными-островами, как наша собственная, или же они просто группы звезд, которые являются неотъемлемой частью нашей Галактики. Они расходились в вопросе о размерах Млечного Пути и расстояния до туманностей. Кертис не принимал уравнение период-светимость Ливитт, в то время как Шепли с успехом использовал его для определения размера Млечного Пути. Кертис, желавший фотографировать спиральные галактики с равными интервалами для поиска новых звезд и переменных — как в конце концов это сделал Хаббл, — вышел из борьбы, покинув Ликскую обсерваторию в 1920 г., чтобы стать директором обсерватории Аллегейни в Пенсильвании, где он не мог заниматься данной исследовательской программой. Тем не менее два года, в течение которых Хаббл и Шепли пересекались в Маунт-Вилсон, стали началом их соперничества, которое продолжалось на протяжении всей жизни. Затем Шепли уехал в Кембридж и после испытательного срока стал директором Гарвардской обсерватории. Несмотря на то что ученые не переносили друг друга, они поддерживали постоянную переписку — расчетливый и проницательный Хаббл всегда делился своими идеями и открытиями с влиятельным и авторитетным Шепли{20}.

Хаббл решил взяться за задачу измерения расстояния до туманностей. С помощью метода Ливитт он начал искать цефеиды. Для этого понадобились долгие одинокие ночи наблюдений вместе с ассистентом — приходилось сидеть на платформе рядом с телескопом, со 100-дюймовым зеркалом, и следить за звездами. Хаббл надевал теплую одежду и, как только телескоп фокусировался на нужном участке, зажигал трубку и сидел сгорбившись, наблюдая, как над ним медленно проплывают небеса. В одну из этих небесных вахт он, к своей радости, обнаружил цефеиду в туманности Андромеды (наша ближайшая из соседних галактик) и успешно вычислил, что расстояние до нее составляет 900 000 световых лет, а это в три раза превышает размер нашей Галактики, по расчетам Шепли, который использовал тот же метод внутри Млечного Пути{21}.

Это ясно показало, что туманность Андромеды является внешней галактикой, расположенной далеко за пределами нашей собственной. Хаббл продолжил работу, измерив расстояния до нескольких других туманностей, и выявил, что все они расположены вне пределов Млечного Пути. Таким образом, он установил существование настоящих внегалактических туманностей. Хаббл тщательно и терпеливо работал над своей программой исследования спиральных галактик. Его первым крупным открытием и заявкой на славу стало определение точных расстояний с помощью цефеид до туманности NGC 6822 (где он нашел 11 переменных звезд) и туманности Андромеды (в этот раз он выявил еще 11 переменных звезд), которое показало, что они находятся в 700 000 и 1 млн световых лет от нас соответственно. Эти громадные расстояния, значительно превосходящие размер нашей Галактики, подразумевали, что они были внешними по отношению к Млечному Пути. Хаббл оставил свой след в истории, раз и навсегда разрешив в 1925 г. злосчастный спор между Кертисом и Шепли.

Наша Галактика отнюдь не уникальна, она всего лишь одна из галактик, которых множество во Вселенной. На тот момент не только Земля воспринималась всего лишь как одна из планет, вращающихся вокруг Солнца, но и Млечный Путь стал просто одной из многочисленных галактик. Глубоко укоренившееся мнение, согласно которому мы занимаем во Вселенной особое место, рассеялось как дым. Это понимание стало началом другой, куда более радикальной, перестройки нашей карты знаний о космосе.

Репутация Хаббла после этого открытия надежно закрепилась в астрономическом сообществе. Воспользовавшись своей выучкой адвоката, он был крайне осторожным и внимательным наблюдателем, который неизменно просчитывал, как лучше представить свои результаты, — и редко спешил. Хаббл принимал все меры предосторожности, старательно добивался расположения возможных недругов и конкурентов и стремился подготовить железные аргументы для убеждения скептиков в истинности своих наблюдений. Кроме того, он никогда не пытался интерпретировать свои наблюдения в фокусе какой-либо конкретной теоретической модели — оставлял эту задачу на откуп теоретикам и другим специалистам. Продолжая определять расстояния до нескольких других галактик, Хаббл в итоге увидел зарождающуюся модель удаления галактик в зависимости от их расстояния до нас.

Не так легко было выявлять и изучать цефеиды, если они находились за пределами 5 млн световых лет, даже несмотря на беспрецедентную чувствительность 100-дюймового телескопа. Хаббл вырвался вперед, применяя классы некоторых из самых ярких звезд — классы О и В — в качестве эталонных единиц силы света (стандартных свечей). При наличии данной методологии и лучшего возможного оборудования под рукой он постепенно обратил внимание на туманности Слайфера, удаляющиеся от нас. Хотя у Хаббла был доступ к данным Слайфера, он не был знаком с теоретическими работами Фридмана и Леметра. Непохоже, что Хаббл вообще встречал где-либо идею расширяющейся Вселенной или знал, как интерпретировать свои данные в свете подобной теории. Теория двинулась в сторону радикально новой картины Вселенной как изменяющейся структуры. Это был огромный скачок с философской и интеллектуальной точки зрения, так как подразумевалось, что каким-то образом пространство само по себе растягивалось — концепция, которую было очень сложно принять.

С помощью самых точных инструментов того времени на базе лучшей в мире астрономической обсерватории Хаббл осуществил невозможное. В 1929 г. он представил свои данные и данные Слайфера и показал, что есть прямая зависимость между скоростью удаления туманности и ее расстоянием до нашей планеты. Таким образом, туманность на двукратной дистанции удаляется с двукратной скоростью. Эта зависимость сегодня известна как закон Хаббла. Постоянная, которая связывает скорость и расстояние, именуется постоянной Хаббла. Однако данные, которые Хаббл представил в рамках первоначального исследования 24 туманностей, выражали слабую тенденцию и были не очень убедительными. С уверенностью, основанной на прежних успехах, перестав играть роль сверхосторожного ученого, он смело заявил, что данные на графике в его работе указывают на существование подобной зависимости. Он совершил своего рода прыжок веры, заявив о данной зависимости, и, несмотря на все амбиции и рвение, после этого знаменательного открытия Хабблу и астрономическому сообществу понадобилось несколько лет, чтобы принять его и осознать значение. Только перейдя к исследованию галактик, расположенных на куда большем расстоянии, чем упомянутые в его первой работе, Хаббл смог подготовить убедительную аргументацию для линейной зависимости, которую продемонстрировал в работе, написанной совместно с Мильтоном Хьюмасоном в 1931 г. Понадобились теоретические модели Леметра и наблюдения Хаббла и Хьюмасона, чтобы астрономы признали революционность выводов Хаббла. При всем при этом он сохранял скептическое отношение к интерпретации расширяющейся Вселенной, несмотря на свою роль первооткрывателя решающих свидетельств в пользу данной теории.

Глобальное переустройство нашего мировоззрения в 1931 г. шло полным ходом. Хаббл предугадал будущее — появлялись все более и более значительные открытия, перевернувшие наше мнение о стабильном и неподвижном космосе. Теперь мы впервые взглянули на нашу беспокойную Вселенную.

Чтобы понять, что происходило при встрече теории с наблюдениями, нам нужно вернуться к математическому решению Леметра уравнений Эйнштейна. Теоретический прогноз Леметра, согласно которому скорости удаления туманностей пропорциональны их расстоянию, предполагает Вселенную, в которой масса ровно распределена, поскольку в этом случае происходит единообразное расширение одновременно во всех направлениях. Решение Леметра недействительно, если во Вселенной есть участки, в которых масса распределяется сгустками: его модель требует, чтобы Вселенная была однообразной и более или менее однородной. Данные, собранные Хабблом и Слайфером, простирались не далее 6 млн световых лет и показывали, что пространство заполнено галактиками и едва ли однородно. Наше нынешнее понимание распределения материи во Вселенной показывает, что гипотеза однородности действительна только в куда более значительных масштабах, чем те, которыми изначально мыслил Хаббл. В тех гигантских масштабах, которые нам доступны сегодня, сгустки в виде отдельных галактик начинают теряться — точно так же, как наша кожа, состоящая из клеток, кажется гладкой.

Согласно Леметру, в меньших масштабах, в которых производили свои измерения Хаббл и Слайфер, Вселенная не обязана быть единообразной и едва ли возможна линейная зависимость между скоростью удаления и расстоянием. Хаббл, не знакомый в 1929 г., когда он писал свою работу, с прогнозами модели Леметра, просто выдвинул смелое предположение, оказавшееся истинным. Фактически только после выхода на расстояние в 100 млн световых лет Хаббл и Хьюмасон обнаружили куда более убедительные доказательства линейной зависимости. Данные в их совместной работе от 1931 г. обосновывают выявленную зависимость, так как они охватили большие масштабы и рассмотрели условия, при которых становится верным решение Леметра. Хаббл не интерпретировал линейную зависимость как признак и следствие однородной расширяющейся Вселенной. Он понимал только то, что его выводы имеют большое значение для космологии. Реализацию далеко идущих последствий своих результатов он возложил на плечи теоретиков, преимущественно Леметра с опорой на Эддингтона. В своей работе 1931 г. Хьюмасон и Хаббл, пусть и мимоходом, упоминают теоретическую модель де Ситтера. Так совпало, что Слайфер зафиксировал почти все случаи красного смещения из упомянутых в работе Хаббла 1929 г., хотя Хаббл и не признавал его. Соперничество отражалось в таких, на первых взгляд незначительных, попытках игнорирования и отказе проявить искреннее уважение. Эта неприятная практика, ведомая конкуренцией, гонкой за возможностью опубликоваться первым и неосознанным — или порой намеренным — отказом признавать труды других под влиянием личных амбиций, к сожалению, сохранилась и сегодня. Подобные упущения — результат соревнования за право первым опубликовать новые открытия и получить признание.

Хаббл был закоренелым ученым-экспериментатором и полностью опирался на данные. Однако он весьма отчетливо осознавал необходимость теоретического каркаса и в своей работе «Царство туманностей» (The Realm of Nebulae) размышлял: «Наблюдения и теория неразрывно связаны, и бесполезно пытаться их полностью разделить. Наблюдения всегда связаны с теорией»{22}.

По мере того как ажиотаж вокруг наблюдений только рос с появлением новостей о все большем и большем количестве разбегающихся туманностей, Леметр решил, наконец, продвинуть свои научные труды. Он отправил Эддингтону вторую копию работы, написанной в 1927 г. после публикации Хабблом в 1929 г. его данных. Эддингтон, получив цельную картину, настоятельно порекомендовал Леметру опубликовать его статью на английском языке в солидном и популярном среди широкой публики журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, а также лично занимался продвижением его модели. Заступничество Эддингтона в конце концов привлекло внимание Эйнштейна. Ранее, в 1927 г., Эйнштейн жестоко раскритиковал работу Леметра. «Ваши расчеты верны, — сказал он. — Но ваши представления о физике внушают отвращение»{23}.

В этот момент Эйнштейн вспомнил работу Фридмана, которую ошибочно раскритиковал, и обратился к модели расширяющейся Вселенной. После проведенного в 1931 г. Хабблом семинара в библиотеке Маунт-Вилсон Эйнштейн сделал публичное заявление: он, по сути, признал, что ошибался относительно статичной Вселенной и не было никакой нужды в дополнительной константе, которую он добавил в свои уравнения. Журналист Джордж Грей, вскоре рассказавший о мероприятии в журнале Atlantic, описал открытие как «революционно новую картину космоса — Вселенную в процессе расширения, огромный надувающийся пузырь, который распухает, растягивается и превращается в тонкую паутину»{24}.

Появилась новая трактовка истории Вселенной, с хронологическим началом, после которого продолжалось ее расширение. 7 сентября 1932 г. отчет помощника директора Музея Филадельфии Института Франклина Джеймса Стокли для The New York Times начинается со следующей цитаты Эддингтона: «Сегодня расширяющаяся Вселенная занимает свое прочное место в науке»{25}. Леметр представил элегантную теоретическую основу, позволявшую интерпретировать расширение, обнаруженное Хабблом в процессе наблюдений. Хабблу было нелегко принять данную интерпретацию своей линейной зависимости как свидетельство расширяющейся Вселенной. Он явно демонстрирует это в аннотации к своей работе от 1936 г. «Влияние красного смещения на распределение туманностей»: «Высокая плотность предполагает, что расширяющиеся модели представляют собой вынужденную интерпретацию данных»{26}.

И все-таки благополучное разрешение сомнений Эйнштейна и Хаббла относительно судьбы Вселенной свидетельствует не только о важной роли теорий и доказательств, но и о том, что личные убеждения порой тяжело преодолеть даже ученым, имеющим перед глазами соответствующие подтверждения. Интерпретация данных вызывала у Хаббла беспокойство. Он не был уверен, связано ли на самом деле красное смещение спектров отдаленных туманностей с их скоростью, так как именно это являлось исходной точкой интерпретации Вселенной как однородной и расширяющейся. По его мнению, гипотеза, согласно которой красное смещение не связано со скоростью, в отсутствие удовлетворительных и убедительных толкований представляет собой куда более целесообразную версию. Хаббл чувствовал, что существует выбор — принять статичную Вселенную или потенциально новый физический принцип. Хаббл предпочел сделать вывод, что наблюдаемое красное смещение являлось скорее не результатом расширения Фридмана — Леметра, а следствием пока не раскрытого фундаментального принципа природы.

Однако сопротивление Эйнштейна имело глубокие корни. Недавно было найдено еще одно свидетельство, демонстрирующее степень его нежелания отказаться от представления о стабильной неразвивающейся Вселенной. Хотя публично он допустил идею расширяющейся Вселенной, ранее неизвестная рукопись, найденная в 2013 г. среди его бумаг в архивах Университета в Иерусалиме, предполагает, что Эйнштейн частным образом прилагал усилия для возврата к статичной Вселенной даже после судьбоносного семинара в Маунт-Вилсон, на который его пригласил Хаббл. В рукописи, датированной 1931 г., Эйнштейн изучал модель, в которой средняя плотность Вселенной удерживается в фиксированном виде за счет некого процесса, постоянно порождающего материю из пустоты. В этой модели статичная Вселенная кажется динамичной{27}.

Эйнштейн искал решение, которое бы позволило «компенсировать» расширение Вселенной. Модель, обрисованная в этом написанном от руки четырехстраничном наброске, очень отличается от многих других, которые он исследовал ранее. Эта работа показывает, что Эйнштейн создал так называемую «игрушечную модель» и предугадал создание модели стабильного космоса, разработанной в 1950-х гг. такими учеными как Фред Хойл, Герман Бонди и Томас Голд. Специалисты, которые нашли этот неопубликованный набросок, а именно Кормак О’Рэферти, Брендан МакКанн, Вернер Нам и Саймон Миттон, обнаружили, что расчеты Эйнштейна содержат серьезную математическую ошибку, ставшую, судя по всему, причиной, по которой Эйнштейн забросил эту работу. Получается, он ухватился за модель стабильного состояния значительно раньше — по сути, речь идет о нескольких десятилетиях, — чем другие ученые. Эта неопубликованная модель упоминается в наброске, озаглавленном «О космологической проблеме» (Zum kosmologoschen Problem), который, как считали некогда, являлся ранней версией другой работы. Эйнштейн полностью отрекся от этих вычислений; они не упоминаются ни в одной из последующих работ, связанных с вопросом космологических моделей. В этой рукописи он строит модель, опираясь на первоначальные принципы: по-прежнему есть космологическая постоянная, но нет никаких отсылок к анализу Фридмана или любым развивающимся моделям самого Эйнштейна, опубликованным ранее, в 1931 г. Интересно здесь то, что, пока Эйнштейн вместе с де Ситтером воодушевленно работал в 1931 и 1932 гг. над двумя трудами касательно моделей расширяющейся Вселенной, он все еще продолжал тайно обыгрывать модель стабильного состояния. Эйнштейн отчаянно пытался реанимировать неподвижную Вселенную. Также в рукописи нет никаких упоминаний о проблеме возникновения космоса, которая была одним из основных источников недовольства Эйнштейна решением Леметра. Таким образом, судя по всему, он продолжал упорные поиски стабильной Вселенной не из-за нежелания искать решения зарождающейся Вселенной. Возможно, это была его последняя попытка сохранить теорию статичной Вселенной, пусть даже это казалось крайне маловероятным.

К концу 1930-х гг. большая часть астрономического сообщества приняла теорию расширяющейся Вселенной, тем не менее в научных кругах оставались некоторые ученые, все еще скептически настроенные в отношении данной космологической концепции даже после того, как такие светила, как Эйнштейн и Эддингтон, публично ее поддержали. В действительности Хаббл все еще сомневался относительно расширения Вселенной вплоть до своей последней работы, которую представил на лекции Джорджа Дарвина Королевского астрономического общества в мае 1953 г., всего за четыре месяца до своей смерти. Если экстраполировать решение Леметра обратно во времени, получается, что у пространства и времени имеется начало. Необходимость в точке старта вызывала беспокойство у ряда космологов. Модель расширяющейся Вселенной Фридмана и Леметра означала, что ранее Вселенная была не только меньше, но и плотнее. Это, конечно, неизбежно вело к очевидному вопросу о ее происхождении. Леметр постулировал, что Вселенная могла произойти в результате взрыва, который в дальнейшем привел к ее расширению. Это подразумевало, что у Вселенной было начало, то есть мгновение, когда все и началось. Хотя уже существовал прочный фундамент, подкрепляющий модель Большого взрыва, имелись вопросы, все еще нуждавшиеся в решении, включая формирование химических элементов и возраст Вселенной.

Несмотря на революцию, которую произвела работа Хаббла (а заодно и его долг перед Ливитт), никто из них не был награжден Нобелевской премией. Астрономическое сообщество восхваляло Хаббла, получившего множество наград и медалей, тем не менее он потратил много времени из своих последних лет на то, чтобы добиться включения астрономии в физику как дополнительного направления. Его намерением было добиться, чтобы подобных ему астрономов рассматривали как кандидатов на Нобелевскую премию. К сожалению, при жизни Хаббла этого не случилось. В конце концов Нобелевский комитет решил расширить границы премии по физике и включить в нее астрономию. В 1925 г. Йеста Миттаг-Леффлер из Шведской академии написал Ливитт, заявив о намерении номинировать ее на Нобелевскую премию. Он не знал, что к тому времени ее уже три года не было в живых.

Вспыхнувшая Вторая мировая война ограничила развитие космологии, поскольку научные ресурсы были перенаправлены на военные нужды, однако в итоге именно она привела к фундаментальным технологическим прорывам, непредсказуемым образом изменившим эту науку. Развитие новых инструментов поменяло саму постановку вопросов. Новые шаги в ядерной физике создали условия для целого ряда расчетов химических элементов, которые были сформированы в ходе первичного космологического взрыва. В 1946 г. американский физик русского происхождения Джордж Гамов[3] рассчитал, как из первичного «бульона», состоящего из частиц, могли появиться различные химические элементы. Предположив первоначальное состояние бесконечно горячего и бесконечно плотного «космического рагу», как прогнозировал Леметр, включающего радиацию и субатомные частицы — электроны, протоны и нейтроны, — Гамов и его соратники в результате расчетов обнаружили большое количество водорода и гелия, которые были сформированы в зарождающейся Вселенной. Они использовали компьютеры, разработанные для расчета атомных бомб. Однако недовольство данной гипотезой первичного космического взрыва росло, и с другой стороны океана возникла новая революционная идея, согласно которой Вселенная могла находиться в стабильном состоянии и при этом не быть статичной. Противников модели Большого взрыва подстегнула неспособность Гамова спрогнозировать формирование иных элементов, помимо водорода и гелия. Сегодня мы знаем, что водород и гелий ответственны за 99 % материи во Вселенной, но существуют и более тяжелые элементы — такие как бериллий, бор и железо. В то время их происхождение оставалось неясным. Ранняя Вселенная и горячий космический взрыв на первый взгляд не могли спровоцировать их возникновение. Именно невозможность объяснить синтез химических веществ привела к созданию Хойлом термина «Большой взрыв» — достаточно уничижительного, так как он предполагал, что «большой взрыв представляет собой иррациональный процесс, который нельзя описать научными терминами… или попробовать изучить, обратившись к наблюдениям»{28}.

Согласно легенде, идея вечной и стационарной Вселенной озарила трех кембриджских друзей — Хойла, Бонди и Голда — в 1947 г. после просмотра фильма ужасов с закольцованным сюжетом, который заканчивался аналогично началу. Дружба ученых зародилась еще в период их совместной работы на радиолокационной станции во время Второй мировой войны. Они представляли собой авторитетное трио: Хойл имел разностороннее мышление и необычайную интуицию, Бонди был хорошим математиком, а Голд — изобретательным ученым с богатым воображением. Хойл вспоминал: «Неизменяющиеся обстоятельства чаще всего рассматриваются как непременно статичные. И фильм ужасов сделал для нас троих ровно следующее — уничтожил это ложное представление. Могут быть неизменяющиеся обстоятельства, которые имеют динамику, например медленно текущая река». Все это заставило их задуматься, может ли Вселенная сохранять один и тот же облик даже при своем постоянном расширении{29}.

Такое было возможно только в одном случае — если бы постоянно происходило создание новой материи. Тогда новые галактики могли бы образовываться и заселять районы, опустевшие после перемещения более старых галактик. В этой новой модели стационарной Вселенной присутствовало расширение, но она позволяла обойтись без идеи некоего начала и конца. Вселенная была бессмертной, если верить модели стационарной Вселенной. Многие космологи, склонные к философскому видению мира, сочли привлекательной модель стационарной Вселенной, предложенную Хойлом, Бонди и Голдом. Во-первых, благодаря постоянному сотворению материи их Вселенная не разрежалась, несмотря на расширение. Во-вторых, данная модель обходила стороной проблемный вопрос происхождения. Помимо неспособности описать происхождение элементов тяжелее гелия модель Большого взрыва давала такой возраст Вселенной, который сильно уступал известному возрасту Солнечной системы. В то время это были очевидные дыры, зиявшие в теории Большого взрыва.

Таким образом, гипотеза, которая предполагала однородность космоса во времени и пространстве, способствовала популярности модели стационарной Вселенной. В эти споры вмешивались и религиозные умы. В 1952 г. папа Пий XII поддержал космологическую теорию Большого взрыва, так как она была созвучна идее Создателя — одному из церковных постулатов. Теория стационарной Вселенной, не имеющая временных привязок, без начала и конца, рассматривалась как олицетворение атеистического взгляда на мир. Не все сторонники модели стационарной Вселенной были атеистами — Уильям Хантер Маккри, ведущий ее представитель, являлся убежденным англиканцем. Однако в общем и целом отсутствие необходимости в начальной точке снизило потребность в Творце с соответствующим намерением, что отвечало атеистическим представлениям о мировом порядке.

Астрономы в Соединенных Штатах также сочли убедительной модель стационарной Вселенной, тем не менее они не рассматривали данный вопрос как окончательно решенный. Ученые полагали, что утверждения двух конкурирующих теорий должны быть подтверждены с помощью проверочных наблюдений, и никак иначе. Ключевые выводы в поддержку теории Большого взрыва, в итоге разбившие в пух и прах модель стационарной Вселенной, в первую очередь обязаны своим появлением реликтовому излучению и определению возраста Вселенной, которая оказалась значительно более древней, чем Солнечная система, и более глубокому пониманию ядерного синтеза — формированию химических элементов, позволившему увидеть, как химические элементы тяжелее гелия синтезировались в ядре звезд, а не на начальных стадиях зарождения Вселенной. Конечно, были поползновения — в основном со стороны Хойла — возродить стационарную модель, но все они в итоге оказывались неудачными при попытке объяснить возрастающее количество наблюдений. Открытие в 1965 г. реликтового излучения, оставшегося от Большого взрыва — «эха первичного шума», производимого горячей и плотной плазмой в начале Вселенной, — стало последним похоронным аккордом для стационарной модели. Споры между сторонниками двух моделей яростно кипели еще примерно два десятилетия, но с течением времени стационарная теория попросту перестала объяснять данные, поступающие в ходе наблюдений с помощью оборудования, которое работало с разными волнами — оптическими, радиоволнами и микроволновым излучением. В своей книге «Космология и противоречия» историк Хельге Краг фиксирует схожие черты и различия между моделями и дает подробный отчет о том, чем закончилось в итоге это соперничество{30}.

Кроме того, прогресс в сфере вычислительных машин, которому способствовало изобретение во время Второй мировой войны в рамках Манхэттенского проекта сложных и быстрых компьютеров, предоставил новые технические возможности для теоретических вычислений. Стало возможным посчитать сложные химические взаимодействия и скорость реакций, что было необходимо для получения данных о распространении элементов и эволюции звезд. Все это передовое оборудование позволило составлять новые прогнозы и отправило в утиль стационарную модель. Хотя важнейшими данными, подтвердившими теорию Большого взрыва, стало открытие всепроникающего реликтового излучения, которое мы будем обсуждать в главе 5.

Крах теории стационарной Вселенной демонстрирует влияние эмпирических наблюдений и то, как сбор доказательной базы может оспорить или подтвердить теорию. Примечательно, что стационарная теория вполне могла быть сфальсифицирована, так как она давала конкретные прогнозы, показывающие несостоятельность модели Большого взрыва.

Открытие расширяющейся Вселенной и принятие модели Большого взрыва иллюстрируют авторитетную роль, которую играют влиятельные ученые в признании или отторжении новых идей. Но еще эти перипетии показывают, что именно экспериментальные доказательства и данные выносят финальный вердикт. Мощное взаимное влияние теории и наблюдений в 1920-х и 1930-х гг. — совместное и плодотворное сотрудничество, которое «вывело» Вселенную из неподвижного состояния, — также обозначило рождение новой дисциплины, а именно космологии — науки о свойствах Вселенной и входящих в ее состав элементах. Новая наука с тех пор значительно нарастила влияние и авторитет. Кроме того, одна из базовых гипотез космологии Большого взрыва, с момента первоначального открытия Хаббла нашедшая подтверждение благодаря немалой поддержке наблюдений, представляет собой космологический принцип, согласно которому Вселенная однородна, то есть одинакова в любой точке, и изотропна, то есть одинакова во всех направлениях. Если масштабировать данные Хаббла в отношении самых дальних пределов Вселенной, окажется, что вся Вселенная подчиняется космологическому принципу. Другая ключевая гипотеза, подразумеваемая в рамках интерпретации данных Хаббла, звучит так: физические законы, которые мы открыли, действительны в каждой точке Вселенной — не только в нашей Галактике, но и в любой другой в ближних или дальних пределах. Модель Большого взрыва — Вселенной с горячей и плотной плазмой в начале, которая затем стала расширяться с постоянной скоростью, — продолжала укрепляться.

3. Черная сердцевина

Черные дыры становятся реальностью

Черные дыры, представляющие собой наиболее массивные и компактные из всех известных астрономии объектов, дают обильную пищу для человеческой фантазии. В качестве примера мне хочется отметить серию японских рисунков манга Inuyasha, созданную художником Румико Такахаси: их герой по имени Мироку несет на руке полученный от предка знак проклятия, под воздействием которого все, к чему он прикасается, мгновенно и безжалостно затягивается в некий туннель пустоты. С течением времени эта черная дыра растет, угрожая затянуть и уничтожить самого Мироку{1}. Такой зловещий образ таинственного объекта, поглощающего и уничтожающего все на своем пути, уже давно стал общепринятым литературным тропом и применяется практически ко всему. В 2008 г. все американские газеты после финансового краха писали о «черной дыре» на Уолл-стрит, а газета The New York Times практически постоянно использует этот образ при описании самых разных событий и ситуаций — от действий террористов и докладов разведки о ситуации в Северной Корее до состояния финансов при Митте Ромни. Во всех случаях понятие «черная дыра» подразумевает полное отсутствие информации о каких-либо объектах или обстоятельствах.

Как было показано выше, признание некоторых научных идей гелиоцентрической модели Солнечной системы или теории расширяющейся Вселенной протекало, как говорят физики, нелинейно. Такая же судьба ожидала концепцию черных дыр, которая из экзотического математического понятия превратилась в общепринятую научную теорию и затем в популярный объект современной культуры.

Стоит отметить, что первоначально термин «черная дыра» был создан вовсе не для описания особых свойств астрономических объектов, а ведет происхождение из истории одной тюрьмы. 20 июня 1756 г. наваб (правитель Бенгалии) Сирадж уд-Даула захватил Калькутту, которую до этого удерживали войска английской Ост-Индской компании под командованием Джона Холвелла (провозгласившего себя губернатором Бенгалии). Наваб отправил Холвелла и других европейцев в одиночную камеру тюрьмы, построенную самой компанией. Эта была совсем маленькая камера (6 м на 4 м и двумя крошечными окнами), известная в народе как «Черная дыра». Наваб держал в ней без воды и в ужасной духоте 146 заключенных, из которых выжили только 23 человека, после чего камера получила печальную известность. Несмотря на то что ученые, такие как Дж. Г. Литтл, подвергали сомнению точность этих сведений, название тюрьмы — «Черная дыра» — сохранилось, и можно предположить, что оно осталось в подсознании и языке мрачной метафорой безжалостного уничтожения. Например, когда 25 мая 1887 г. ужасный пожар стер с лица земли здание театра Опера-Комик в Париже, корреспондент The New York Times кратко описал пожарище словами «громадная черная дыра»{2}.

Задолго до использования в физике термин «черная дыра» стал в литературе устоявшимся символом мрачной темницы. В 1844 г. Эдгар По опубликовал в Philadelphia Dollar Newspaper ставший затем знаменитым рассказ в жанре хоррор «Погребенные заживо», описывающий страдания погребенных заживо людей. Во введении к рассказу вновь упоминается описанная выше трагедия в тюрьме Калькутты (По называет ее «Черной ямой Калькутты»){3}. Даже в наши дни известный своим богатым воображением Томас Пинчон неоднократно упоминает «Черную яму Калькутты» в популярной музыкальной драме «Мейсон и Диксон» (Mason and Dixon) в качестве символа ужаса.

Удивительно, но некоторые из этих литературных примеров очень удачно описали природу еще не открытых в то время астрофизических объектов. В современной астрономии так стали обозначать объекты, откуда вещество не может вырваться. Пытаясь проследить истоки этого понятия и термина, историк науки Марция Бартусяк отмечает, что его предлагал и часто использовал знаменитый физик Джон Арчибальд Уиллер{4}. По-видимому, впервые он использовал его в 1964 г. на съезде Американской ассоциации содействия развитию науки, после чего термин прижился в физике (и вообще в современной культуре), хотя сам Уиллер никогда не претендовал на авторство.

Сейчас нам известно, что черные дыры располагаются в центрах большинства (если не всех) известных галактик, включая нашу собственную Галактику Млечный Путь, в центре которой обнаружена гигантская черная дыра, масса которой превышает массу нашего Солнца примерно в 4 млн раз. В далеком космосе светящийся падающий газ затягивается внутрь активных, растущих черных дыр под воздействием мощнейшего гравитационного притяжения и постепенно превращается в видимые нам квазары, которые представляют собой самые яркие «маяки» ранней Вселенной. Квазары становятся видимыми, когда возраст Вселенной достигает примерно 1 % от времени ее существования. На основе достаточно подробного изучения соседних галактик мы уже знаем, что в их центрах часто скрываются чудовищные по размеру черные дыры, которые обнаруживают себя лишь гравитационным воздействием на звезды и внутренние области окружающих их галактик. К счастью, наша Солнечная система располагается настолько далеко от черной дыры в центре Млечного Пути, что мы можем пренебречь этим воздействием.

В настоящее время астрономы уверены, что черные дыры (несмотря на их необыкновенные свойства) возникают в результате обычных физических процессов, протекающих в ходе эволюции звезд. Теория звездной эволюции предполагает, что топливом для звезд с массой, в 15–20 раз превышающей массу нашего Солнца, служит водород. После выгорания водорода эти звезды заканчивают свою жизнь как черные дыры. Черные дыры могут иметь экзотические свойства, но они — важная составляющая Вселенной, играющая значительную роль в формировании и эволюции галактик.

Давайте теперь рассмотрим черные дыры начиная с того момента, когда этот термин перестал быть объектом воображения и превратился в объект, который можно обнаружить и описать. История термина связана с «башней из слоновой кости»[4] — Кембриджским университетом в Англии XVIII в. Кембридж и Оксфорд были тесно связаны с англиканской церковью, и большинство студентов были выходцами из мелкопоместного дворянства и духовного сословия. По окончании университета все они подписывали официальный документ «символа веры» государственной англиканской церкви, состоящего из 39 статей (так называемые «39 статей англиканского вероисповедания», Thirty-Nine Articles of Anglican Faith), поэтому неудивительно, что многие из выпускников в дальнейшем связывали свою судьбу с церковью{5}. Один из блестящих выпускников Оксфорда сумел представить и описать совершенно необычные небесные тела, а именно настолько массивные звезды, что их свет просто не может покинуть породившее его светило.

Когда в 1783 г. английский сельский священник Джон Мичелл первым предложил идею существования каких-то темных звезд, он, разумеется, даже не мог себе представить, что когда-нибудь мы сможем их наблюдать и регистрировать. Сам Мичелл был полиматом (этим словом тогда обозначали талантливых ученых, занимавшихся сразу несколькими областями науки). Он родился в 1724 г. и учился в Кембридже, где впоследствии преподавал языки (древнееврейский и греческий), а также математику и геологию. Портреты Мичелла не сохранились, но современники описывали его как «низенького, смуглого и толстого человека». Он принял духовный сан и получил приход в местечке Торнхилл вблизи города Лидса. Несмотря на свои религиозные обязанности, Мичелл активно занимался разнообразными и самыми передовыми научными исследованиями, а также встречался и регулярно переписывался со многими ведущими учеными своего времени (например, с Бенджамином Франклином и Генри Кавендишем) и регулярно обсуждал с ними разнообразные проблемы. Им было что обсудить. Научная деятельность Мичелла охватывала проблемы земного магнетизма, теории распространения волн от землетрясения по поверхности Земли и т. д. Именно за работы по сейсмологии в 1760 г. Мичелл был избран членом Королевского общества, однако, несмотря на все свои достижения в области натуральной философии, он прославился гораздо меньше многих своих современников, возможно вследствие неумения пропагандировать и распространять научные идеи{6}.

Следуя постулатам Ньютона, Мичелл рассматривал свет в качестве потока крошечных частиц (корпускул) и поэтому полагал, что массивные звезды должны оказывать на эти частицы такое же гравитационное воздействие, как и на другие оказавшиеся вблизи астрономические объекты (например, кометы). Поскольку гравитационное воздействие прямо пропорционально массе звезды, Мичелл далее предположил, что могут существовать исключительно массивные звезды, способные полностью останавливать свет. В письме к Генри Кавендишу, датированном 27 ноября 1783 г., он верно догадался, что такие «темные звезды» должны обнаруживаться лишь по гравитационному воздействию, которое они могут оказывать на окружающие их тела. Эту идею (фактически, определение черных дыр в рамках ньютоновской механики своего времени) Мичелл опубликовал в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Он не был одинок в этих теоретических построениях. Всего через 13 лет похожую концепцию предложил в своей книге «Изложение системы мира» (Exposition du système du monde) французский математик Пьер-Симон Лаплас, который пришел к выводу: «…возможно, что по этой причине остаются невидимыми для нас самые большие светящиеся тела во Вселенной». Впрочем, когда позднее корпускулярная теория света Ньютона потеряла свою популярность (вследствие чего была забыта и идея о «темных звездах»), Лаплас полностью выбросил все упоминания об этой гипотезе из более поздних изданий своей книги{7}.

Прошло еще 150 лет, и представление об этих астрономических объектах воскресло в рамках ОТО Эйнштейна. Эта теория выросла из более простой идеи. Еще в 1905 г. Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), в которой постулировал, что ни один объект не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Существование предельной скорости имело для науки очень глубокие последствия. Прежде всего, была установлена невозможность передачи вещества или информации со скоростью больше максимально возможной. Из этой теории возникла и знаменитая формула эквивалентности энергии и массы, выражаемая ставшей общеизвестной формулой E = mc^2. Однако в 1915 г. Эйнштейн предложил общую теорию относительности, глубоко изменившую наши представления о массе, гравитации и пространстве, что и позволило возродиться идее о черных дырах{8}. Математика ОТО позволяет по-новому визуализировать окружающую нас реальность. Как описывалось в предыдущей главе, новая теория привела к возникновению новой модели Вселенной, ставшей первым крупным пересмотром картины мира со времен Ньютона. При этом, однако, к глубокому разочарованию самого Эйнштейна, эта теория допускала существование черных дыр.

Рискуя навлечь на себя обвинения в искажении светлого образа Эйнштейна, мы должны отметить, что он выступал против концепции расширяющейся Вселенной и ненавидел идею черных дыр. Это может быть объяснено, кстати, следующим обстоятельством: восхищение физиков работами Эйнштейна связано, хотя бы частично, с тем фактом, что ему удалось построить великую ОТО буквально из ничего (ex nihilo), то есть без объяснения каких-то наблюдаемых явлений. Это безупречно настолько, насколько может быть безупречна физическая теория. Поэтому ОТО вызывала особое уважение в качестве примера демонстрации могущества умозрительных рассуждений, позволяющих достичь чисто математического описания природы. Его теория предполагала глубокое понимание природы гравитации — таинственной силы, удерживающей в единстве не только Солнечную систему, но и Вселенную в целом. В течение всей своей научной деятельности Эйнштейн руководствовался стремлением постичь единство и простоту устройства мира. Именно эти философские убеждения иногда мешали ему воспринимать и признавать необычные результаты, даже если они вытекали из его собственных работ и теорий. Так было и в случае черных дыр.

Теория Эйнштейна была не только математически элегантной и независящей от наблюдений, но сделала несколько важных научных проверяемых предсказаний. При этом теория значительно обгоняла существующие потребности и возможности ее проверки или применения. В некотором смысле можно сказать, что в начале прошлого века ОТО представляла собой «стерильно чистую» область физики, далекую от мейнстрима научных изысканий эпохи. Она имела важное значение для астрономии, но и в астрономии не была связана с реально существующими физическими объектами, по крайней мере в самом начале прошлого века. ОТО стала использоваться для описания Вселенной (как единого целого) уже в первые десятилетия после своего создания. Поскольку предсказываемые теорией наблюдаемые эффекты были очень слабыми для астрономических объектов с небольшой массой, теория оставалась незадействованной в наблюдениях вплоть до обнаружения в космосе новых экзотических объектов (типа нейтронных звезд, пульсаров и квазаров), при описании которых и проявились ее богатые возможности. Таким образом, когда в начале 1960-х гг. астрономы обнаружили в космосе эти сверхтяжелые объекты, теория Эйнштейна уже была достаточно развита и разработана для их описания.

Сегодня наиболее убедительные доказательства существования черных дыр получены для спиральной галактики NGC4258, внутри которой располагается черная дыра, массивнее Солнца примерно в 40 млн раз. Чтобы почувствовать масштаб, представьте, что при картографировании внутренних областей этой галактики в радиодиапазоне астрономы обнаружили диск, который, по-видимому, является резервуаром газа, закручивающимся в черную дыру, настолько широким, что свету потребовался год, чтобы пересечь его (если газ не будет захвачен черной дырой). Именно эти объекты управляют движением звезд внутри галактик. Сейчас предполагается, что в центре самых ярких галактик также располагаются сверхмассивные черные дыры с массой, превышающей массу Солнца в миллиарды раз{9}.

Для понимания природы и свойств черных дыр необходимо разобраться с гравитацией, предлагаемой в теории Эйнштейна. Гравитация является одной из известных нам фундаментальных сил природы (хотя и не самой мощной из этих сил), ничто не может ее избежать: ни звезды, ни планеты, ни галактики. Ньютон первым понял природу гравитации в качестве силы притяжения, обеспечивающей не только наш вес и притяжение тел к Земле, но и движение планет по их орбитам. Сила притяжения возрастает с ростом массы и плотности тел. В результате черные дыры с их огромной массой и плотностью являются источниками мощнейших сил притяжения во Вселенной. Из общего курса физики мы знаем о так называемой скорости убегания, то есть скорости, которую должно набрать какое-нибудь тело, чтобы оторваться от притягивающего его небесного тела. Например, для отрыва от гравитационного поля Земли ракета должна разогнаться до 40 000 км/ч[5], и именно такую скорость развивают двигатели ракетных систем при запуске спутников на всех космодромах Земли, от мыса Канаверал (США) и Байконура (Казахстан) до Шрихарикоты в Индии. Для сравнения можно отметить, что скорость убегания для Солнца (масса которого превышает массу Земли в 330 000 раз) равна примерно 4 млн км/час, что все еще в 250 раз меньше скорости света. А что произойдет, когда скорость убегания от какого-то космического тела сравняется или превысит скорость света? Именно этот вопрос поставил перед собой Мичелл, размышляя о распространении света звезд, и получил ответ: возникнет черная дыра. Даже отраженный свет не раскрывает присутствие черных дыр. И они не просто звезды, скрытые экстремальным искривлением лучей света. Их сильное гравитационное притяжение буквально деформирует пространство и нарушает течение времени в своем ближнем окружении. Вот почему, чтобы понять черные дыры, нам нужно мыслить, как Эйнштейн.

Еще самая первая и основополагающая статья Эйнштейна, опубликованная в Annalen der Physik в 1905 г., содержала в себе замечательные идеи{10}.

Эйнштейн предложил глубокую и совершенно новую теорию, полностью меняющую общее понимание соответствий между массой, гравитацией и пространством. Ньютон рассматривал гравитацию в качестве сил притяжения, мгновенно действующих между любыми объектами, обладающими массой. СТО Эйнштейна постулирует конечность скорости света, что делает невозможным мгновенное взаимодействие. В отличие от идей Ньютона, в ОТО Эйнштейна обладающие массой объекты сами создают некое гравитационное поле, которое, в свою очередь, изменяет форму пространства. В этой картине гравитация соответствует не силам притяжения, а, скорее, некоторым искажениям пространства, которые вынуждают тела двигаться в ответ на присутствие массы. Центральным понятием в ОТО является единое четырехмерное пространство-время. Вся Вселенная и все ее содержимое — галактики, звезды и планеты — обитает в этом пространстве-времени. Это пространство-время можно представить себе в виде воронки, которая действует на движения объектов и поток времени. Визуально ее можно представить в виде некоторого рельефа (типа топографической карты), где впадины соответствуют присутствию массивных тел, как показано на рисунке выше.

Скачок, который совершил Эйнштейн, заменив ньютоновское представление о гравитации на предлагаемую им теоретическую модель, может служить редким примером так называемого индуктивного подхода в науке. Хотя чистая теория Эйнштейна и не основывалась на наблюдениях, она сделала конкретные проверяемые прогнозы, которые и помогли оценить ее действенность. Такой подход может показаться нетипичным для обычных отношений между теорией и наблюдениями в науке, где теории создаются для объяснения наблюдаемых фактов посредством дедуктивных выводов.

Например, ОТО предсказывает существование гравитационных линз, когда массивный объект настолько искажает пространство, что изгибаются пути прохождения световых лучей. Когда Земля и Солнце при солнечном затмении располагаются вдоль прямой определенным образом, гравитационный колодец может искажаться из-за взаимодействия масс и становиться глубже, вызывая искривление лучей света, которое можно проверить экспериментально. Идею такой проверки ОТО (по искривлению лучей света от звезд во время солнечных затмений) предложил астроном Эрвин Финлей-Фройндлих. Он сообщил Эйнштейну, что следующее удобное для таких астрономических измерений полное солнечное затмение будет наблюдаться летом 1914 г. на Крымском полуострове. Эйнштейн даже собрал фонд для организации экспедиции, но все его планы нарушило начало Первой мировой войны. Можно представить себе возмущение Эйнштейна, известного своими пацифистскими убеждениями, когда командование Русской армии в Одессе арестовало имущество экспедиции и самих ее участников. Наблюдения отложили до 1919 г., когда Артур Эддингтон возглавил одну из двух экспедиций, специально организованных британским правительством для измерения отклонений световых лучей при солнечном затмении.

Эддингтон сфотографировал и измерил положение нескольких звезд вблизи солнечного диска, свет от которых достигал Земли после прохождения участков пространства-времени, искаженных сильной гравитацией Солнца. Эти звезды должны казаться наблюдателю смещенными относительно своих обычных положений на небосклоне, зафиксированных за шесть месяцев до затмения, как показано на рисунке ниже. Измерения доказали, что Солнце действительно изгибает траектории световых лучей, причем на величину, точно соответствующую предсказаниям Эйнштейна. После доклада Эддингтона об этом событии, прочитанного им на совместном заседании Королевского общества и Королевского астрономического общества 6 ноября 1919 г., Эйнштейн мгновенно стал всемирно известным. Подтверждение теории относительности не только сделало образ Эйнштейна «иконой», но и открыло путь к дальнейшим исследованиям потенциальных возможностей приложения этой теории{11}.

Стоит отметить еще раз, что ОТО была разработана задолго до предположений о ее возможных применениях, хотя сегодня и теоретическая, и практическая ценность теории представляется несомненной. Например, одним из ее новейших приложений стало создание глобальной системы навигации GPS (Global Positioning System), применяемой сейчас в мобильных телефонах и расчетах, которые помогли посадить ровер на поверхность Марса.

Хотя теория Ньютона предлагала также и описание падения тел на Землю, однако сейчас уже ясно, что оно не является ни полным, ни исчерпывающим. Например, законы Ньютона не описывают движение частиц на очень малых, субатомных расстояниях, а также на очень больших, космических масштабах. Для понимания этих закономерностей нам необходимо глубже ознакомиться с эйнштейновской интерпретацией гравитации. Конечно, следует помнить, что он не мог предвидеть будущих требований к его теории. Система GPS навигации полностью основана на принципах эйнштейновской теории гравитации. Требуемое для GPS точное определение местоположения аппарата и управление его движением осуществляются за счет функционирования на заданных орбитах Земли 24 спутников, на борту каждого из которых установлены точнейшие доступные атомные часы. Навигационное устройство в вашем автомобиле получает радиосигнал от ближайшего спутника и сравнивает его с сигналами от четырех других близких спутников. Именно это сравнение позволяет определить позицию автомобиля с точностью около 1 м. Эта исключительно сложная задача требует учета поправок в рамках обеих теорий относительности Эйнштейна (и специальной, и общей). В соответствии с СТО время на двигающихся часах (то есть на спутниках) течет медленнее, чем на Земле. С другой стороны, необходимо учитывать, что часы на спутниках, условно говоря, «погружены» в гравитационное поле Земли и поэтому должны идти быстрее, так как это поле «искривляет» пространство и меняет течение времени. В результате действия этих конкурирующих механизмов атомные часы на орбитальных спутниках идут чуть-чуть быстрее наземных (примерно на 40 мкс в день), однако именно эта ничтожная поправка учитывается и играет важную роль при определении координат вашего автомобиля (в противном случае вместо Манхэттена в Нью-Йорке вы рискуете оказаться где-то в штате Нью-Джерси — это действительно большая разница). Теория Эйнштейна вовсе не отменяет ньютоновскую концепцию тяготения. Каждая из теорий имеет собственную область применения — предлагает адекватное описание реальности в некоторых условиях. Эйнштейн как-то заметил, что «наилучшую судьбу имеет та физическая теория, для которой можно указать способ ее включения в рамки другой, более обширной теории в качестве предельного случая»{12}. Ньютон указал на универсальность гравитации, а Эйнштейн сумел объяснить эту универсальность в терминах искривления пространства-времени. Например, в пределах Солнечной системы отклонения от теории Ньютона, предсказываемые ОТО, исключительно малы и составляют лишь около одной миллионной доли от измеряемых величин.

При создании карты Солнечной системы важную роль вновь сыграли неравномерности в движении планет. Эйнштейн постулировал, что еще одним проверяемым наблюдательным следствием будет прецессия орбиты планеты Меркурий. Эта планета является ближайшей к Солнцу и поэтому испытывает более сильное гравитационное воздействие, чем планеты, более удаленные. Искажение пространства-времени в окрестностях Солнца вызывает незначительные, но доступные для измерения аномалии траектории Меркурия, которые тоже соответствуют предсказаниям Эйнштейна. Самые последние и точные эксперименты с использованием космических зондов подтвердили расчеты колебаний орбиты Меркурия на основе ОТО с очень высокой точностью.

Тем не менее сам Эйнштейн не верил, что для предложенных им полевых уравнений, описывающих гравитацию, может быть найдено хоть какое-то простое решение. Однако уже в 1915 г. немецкий физик Карл Шварцшильд получил точное решение для специального случая пространства-времени, создаваемого крошечным, но очень массивным объектом. Предложенное Шварцшильдом решение описывает искажение или модификацию формы пространства, гравитационный колодец в окрестности точечной массы — черной дыры. Другим физикам также удалось получить еще несколько точных решений системы полевых уравнений Эйнштейна. Например, как уже рассказывалось в предыдущей главе, Александр Фридман и Жорж Леметр получили решение, соответствующее пространству-времени в расширяющейся Вселенной, а ближе к нашим дням специалист по релятивистской физике Рой Керр нашел решение для поля, создаваемого вращающейся черной дырой{13}. Решение Шварцшильда для черной дыры не приближенное, а математически точное, что было для физиков довольно необычно и интуитивно непонятно. Для них было странным в этом решении, что черная дыра содержит в себе сингулярность, точку, где законы физики ломаются и больше не работают. Кроме того, решение Шварцшильда имело другую весьма необычную особенность, так как подразумевало и включало в себя наличие еще одного параметра — границу между видимой и невидимой частями черной дыры. Она получила название горизонта событий, или радиуса Шварцшильда. Горизонт событий можно назвать точкой невозвращения. Любые физические объекты (включая лучи света), перешедшие эту границу, навсегда теряются для внешнего наблюдателя и перестают обнаруживать себя какими-либо проявлениями вообще. Более того, радиус горизонта событий оказался пропорциональным утроенной массе черной дыры, то есть он возрастает с увеличением ее массы. Поэтому физики воспринимали полученное Шварцшильдом решение (включая содержащееся в нем представление о горизонте событий и скрытую сингулярность) в качестве математического курьеза, поскольку оно явно не описывало реальные объекты. Одной из главных причин неприятия физиками понятия черных дыр стала именно проблема, тесно связанная с природой сингулярности. Сингулярности всегда представляли собой некий вызов, поскольку их существование подвергает испытанию пределы применимости наших теорий, а также указывают границы мира, где перестает работать интуиция. Физикам приходится терпеть наличие этих неприятных понятий, поскольку они понимают, что им неизбежно придется столкнуться с ними при рассмотрении искривления пространства-времени в окрестности черной дыры. При этом возникают сложности и ограничения, которые физики-теоретики давно мечтают преодолеть за счет создания новой объединяющей теории, которая позволила бы осуществить слияние физики мельчайших масштабов (квантовой механики) и теории гравитации. Несколько поколений физиков, включая Эйнштейна и Эддингтона, мечтали о такой финальной теории, так называемой теории всего, однако она оставалась неуловимой. Важным прорывом в данном направлении стало понимание того факта, что сингулярность лежит не на горизонте событий, а заключена внутри самой черной дыры, что позволяет понять, как реально формируются черные дыры, на примере конечной стадии коллапса обычной звезды.

Процесс превращения «умирающей» звезды в черную дыру требует более подробного описания. Представьте себе типичную среднюю звезду класса нашего Солнца (относящуюся к так называемым звездам главной последовательности). Температура ядра такой звезды очень высока (15 млн °С) и существенно превосходит температуру ее поверхности. При этом субатомные частицы (электроны и атомные ядра) внутри звезды непрерывно сталкиваются и отскакивают друг от друга в результате ядерных реакций. Такие столкновения создают внутри ядра очень высокое давление, которое, в свою очередь, компенсирует мощные силы гравитации и предотвращает естественный коллапс звезды.

Понятно, что такое равновесие, основанное на тонком балансе сил, не может сохраняться бесконечно долго. Наличие источника энергии в центре Солнца, термоядерного реактора, который превращает водород в гелий, сохраняет баланс сил с самого начала. Но по мере выгорания водорода в ядре звезды силы гравитации выигрывают гонку и сжимают ядро. В этот период может начаться синтез более тяжелых химических элементов, однако постепенно, по мере потери своего ядерного горючего, звезда начинает охлаждаться. Например, из расчетов известно, что наше Солнце примерно через 5 млрд лет, когда баланс сил сместится в сторону гравитации, начнет остывать и превратится в белого карлика. Более экзотичной оказывается судьба звезд, масса которых заметно превышает массу Солнца. Такие объекты могут сжиматься и дальше, превращаясь в конечном счете в нейтронные звезды либо в черные дыры.

Дополнительный интерес к черным дырам возник благодаря работам известного теоретика Субраманьяна Чандрасекара (Чандра), трудившегося над своей теорией в Кембридже (Англия). Он прибыл туда из Индии в 1930 г. во время первого выезда из Мадраса в Кембридж в Англию и поступил в Тринити-колледж. Чандра сумел показать, что при некоторых специальных условиях в конце своей эволюции (то есть к моменту, когда все ядерное топливо выгорит) звезда может превратиться в исключительно плотный объект. Расчеты Чандры убедительно свидетельствовали о том, что некоторые из звезд могут заканчивать свое существование именно таким необычным образом, формируя бесконечно малые и бесконечно плотные объекты (сингулярности), которые мы сейчас называем черными дырами. Чандра сумел объединить две фундаментальные физические теории (ОТО и квантовую механику) и вычислить ту критическую массу звезды, при которой она взрывается и схлопывается, превращаясь в черную дыру. Предложенная Чандрой модель гибели звезды вызвала сильное сопротивление научного сообщества, причем не только из-за удивительного механизма формирования черных дыр. Дальнейшие расчеты расширили модель и показали, что звезды, масса которых превышает массу Солнца в 1,4–3 раза, превращаются в нейтронные звезды, в то время как более тяжелые звезды (чья масса в 10–25 раз больше массы Солнца) после гибели формируют черные дыры.

По иронии судьбы одним из самых яростных и интеллектуальных противников Чандры стал его коллега Эддингтон, который ранее активно способствовал продвижению ОТО Эйнштейна. На первый взгляд, именно он — тот, кто был так открыт радикальным идеям ОТО и ее экспериментальному доказательству, должен был проявить интерес к выводам Чандры, однако в данном случае между ними возник очень серьезный конфликт интересов. Дело в том, что Эддингтон уже давно разрабатывал собственную теорию (и тоже синтеза ОТО и квантовой механики), описывающую процесс коллапса звезд под воздействием собственных сил тяготения. Эддингтон считал свою теорию не только новой и смелой, но и полагал, что она наилучшим образом объединяет законы Вселенной как на самых малых масштабах — в субатомном мире, так и на самых больших масштабах космоса. Его концепция не включала черные дыры. Эддингтон не думал, что подобные очень маленькие и очень плотные тела могут искажать ткань окружающего пространства-времени настолько сильно, что свет не будет их покидать, однако он предполагал, что такие странные объекты должны исчезать, по его словам, «в никуда». Представление о сингулярности казалось физикам настолько диким, что даже сам Эйнштейн ошибочно считал, что черные дыры не могут формироваться, и полагал, что должен существовать некий физический механизм, стабилизирующий состояние звезды в процессе коллапса еще до прохождения точки невозврата. Эйнштейн и Эддингтон были уверены, что природа не может допустить столь «извращенную» форму гибели звезд{14}. Они считали модель черной дыры несовершенством, которое необходимо удалить из теории, а не неизбежным и проверяемым следствием.

На заседании Королевского астрономического общества в 1935 г. произошел знаменитый конфликт, когда Эддингтон в очень резкой и грубой форме обрушился на Чандру, хотя был осведомлен о характере расчетов последнего, поскольку они вместе работали в Тринити-колледже Кембриджа и много беседовали. Эддингтон даже не потрудился обосновать свои возражения. Он использовал интеллектуальное превосходство как директор обсерватории в Кембридже для публичной ссоры, в которую позднее оказались втянуты все выдающиеся астрономы Англии. В этот судьбоносный день, 11 января 1935 г., Чандра собирался докладывать на ежемесячном собрании Общества о своих результатах расчета судьбы звезд, которые, по его мнению, после некоторых необычных изменений должны были превратиться в черные дыры. После доклада Чандра ожидал, что Эддингтон поддержит и разовьет его выводы, поскольку они обсуждали эту теорию до заседания. Кроме того, Эддингтон был одним из двух профессоров в комиссии (вторым был Фаулер) на защите докторской диссертации Чандры и у них были хорошие отношения. К удивлению Чандры, Эддингтон (с присущими ему убедительностью и авторитарностью) буквально обрушился с критикой его выступления, заявив, что доклад содержит весьма сомнительную и скользкую математику и не имеет никакого отношения к реальности. Хотя все доводы Эддингтона были необоснованными, Чандра не мог ответить на критику по формальным правилам проведения данного собрания. Хотя его поддерживали многие присутствовавшие на описываемом заседании Королевского общества выдающиеся физики Англии (среди них руководитель его докторантуры Ральф Говард Фаулер, Вольфганг Паули, Поль Дирак и Билл Маккри), но никто из них не рискнул или не захотел противоречить весьма влиятельному и авторитетному Эддингтону на таком публичном мероприятии. Для Чандры это стало моментом предательства (особенно со стороны Фаулера и большинства физического сообщества Англии), он был шокирован и чувствовал себя униженным и беззащитным. Позднее, в 1942 г., трое из самых выдающихся физиков этого времени (Дирак, Рудольф Пайерлс и Морис Прайс) написали важную статью в поддержку позиции и идей Чандры{15}.

Артур Миллер изложил эту драматическую историю (включая эпизод на собрании, ссору и борьбу Чандры против научного английского истеблишмента) в своей книге «Империя звезд» (Empire of the Stars). Он привел ее в качестве примера того, как столкновение мнений может повлиять на судьбу науки. В подробной биографии Чандрасекара (охватывающей всю его жизнь с раннего детства и научную карьеру), написанной Камешваром Вали, этому эпизоду и его влиянию на личность Чандры также уделено большое внимание. Для нас этот случай может служить важным примером роли сложных личных отношений (а не интеллектуальной борьбы точек зрения) в истории науки. Возражения Эддингтона вытекали из его неприязненного отношения к сингулярностям вообще, а также из опасения, что теория Чандры создаст проблемы для его собственной модели, которую Эддингтон считал своим «завещанием» и главным научным достижением жизни. Несмотря на сложные и длительные последствия этого столкновения для Чандры, его личные отношения с Эддингтоном оставались в дальнейшем внешне вполне добросердечными (разумеется, со всеми оговорками).

Миллер в своей книге откровенно характеризует поведение Эддингтона как подлое и двуличное. Из писем Чандры он узнал, что и тому приходилось прибегать к ухищрениям, чтобы печатать статьи, противоречащие теории Эддингтона. Чандра просил одного из главных соперников Эддингтона, известного физика сэра Джеймса Джинса, о положительной рецензии на свои работы{16}. Эддингтон оставался непреклонным и не изменял своего отношения. Можно сказать, что оба ученых были ослеплены личными привязанностями к соответствующим идеям.

Как часто бывало в истории науки, новые данные и доказательства все расставили по местам. Эту ситуацию хорошо описывает известная фраза знаменитого физика Макса Планка, который сетовал на то, что «…научные истины никогда не побеждают убеждением противников в своих доводах и правильности. Скорее, истина торжествует просто из-за того, что оппоненты умирают и вырастает новое поколение, для которого новое знание уже является привычным»{17}.

В конечном счете важность и ценность идей Чандры была установлена в результате странных сочетаний последующих событий и открытий. После Второй мировой войны началась гонка вооружений, в которой стали применять и вычислительные машины. При расчетах, проводимых для создания водородной бомбы, ученые заметили, что изучаемые процессы очень похожи на те, которые должны происходить внутри взрывающихся звезд, что стало окончательным доказательством правильности расчетов Чандры. Он получил широкое признание, а в 1983 г. — Нобелевскую премию после того, как астрономы обнаружили сначала нейтронные звезды, а затем — в 1967 г. — и пульсары, ставшие для астрофизиков звездными маяками. Через два года после их обнаружения выяснилось, что пульсары представляют собой быстро вращающиеся нейтронные звезды, соизмеримые по массе с нашим Солнцем, но вещество в них «упаковано» до плотности материи в атомных ядрах. Такая плотность близка к тому критическому значению, при котором (в описанном выше равновесии сил тяготения и внутреннего давления) начнут преобладать силы гравитации, приводящие звезду к гравитационному коллапсу и превращающие в черную дыру. Это открытие обострило внимание астрономического сообщества к поиску в космосе особо плотных объектов, возникающих при гравитационном коллапсе вообще. Очень интересными в этом смысле оказались нейтронные звезды, которые можно образно назвать двоюродными сестрами черных дыр.

Как уже отмечалось, черные дыры не испускают свет и поэтому не могут наблюдаться непосредственно. Однако, как отмечал еще Мичелл, они могут обнаруживать себя по воздействию на окружающие их объекты. Поэтому, когда орбита движения черной дыры приближается к какой-либо другой звезде, она начинает вытягивать газ из последней своим чудовищным гравитационным воздействием. При этом газ, захваченный черной дырой, очень быстро нагревается и начинает светиться в диапазоне рентгеновского излучения. Астрономы часто наблюдают такие комбинации из черной дыры и звезды-компаньона, и поведение этих систем позволило перевести черные дыры в реальный мир наблюдаемых объектов.

Когда астрономы обнаружили квазары, им стало ясно, что это гигантские, сверхмассивные черные дыры, которые светятся, поглощая газ из своего окружения. Квазары оказались самыми яркими объектами во Вселенной. Мы уже обнаружили большое число таких сверхмассивных черных дыр, и сейчас считается, что каждая галактика, по-видимому, однажды проходит в своем развитии фазу существования в виде такого сияющего объекта[6], что означает период, когда черная дыра активно поглощает газ, черпая его из доступных источников.

Еще один непрямой (косвенный) метод исследования поведения черных дыр в центрах нашей и соседних галактик основан на количественной оценке их гравитационного воздействия на орбиты близко расположенных к центрам звезд, что позволяет оценивать массу этих черных дыр. Астрономы уже составили карты орбит некоторых звезд, находящихся близко к черной дыре в центре Млечного Пути, и эти орбиты действительно свидетельствуют о присутствии «чудовища» в центре нашей собственной Галактики. К сожалению, из-за огромных расстояний даже до ближайших галактик мы не можем проследить за поведением звезд в их внутренних областях.

Каждый год приносит новые открытия в этой области исследований. В начале 2014 г. мы наблюдали прохождение газового облака вблизи черной дыры в центре нашей Галактики и ожидали увидеть, как черная дыра рассеет и «проглотит» облако, что должно было, по расчетам, привести к драматической, яркой и очень заметной вспышке, сопровождающей процесс «пожирания», однако вопреки ожиданиям облако просто ускользнуло от дыры. Ученые ожидали, что эта уникальная ситуация даст им редкий шанс прямого наблюдения очень сильного гравитационного воздействия черной дыры, однако неожиданно оно оказалось слабее, чем предполагали теоретики, так что сейчас полученные данные используются для уточнения характеристик самого облака. Хотя эта попытка прямого наблюдения оказалась безуспешной, астрономы продолжают изыскивать и другие варианты сбора информации и непосредственного наблюдения за черными дырами. Например, изучаются возможности реализации перспективного и очень интересного проекта изучения черной дыры в центре нашей Галактики с использованием нового инструмента радиоастрономии, получившего название «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT). Проект основан на следующей научной идее: черные дыры настолько сильно искажают окружающее их пространство-время, что меняют течение времени и процессы распространения света в прилегающей к ним зоне. Из-за этой сильнейшей деформации ткани пространства-времени свет, проходящий мимо дыры, рассеивается случайным образом, создавая уникальные так называемые «тени» на границе горизонта событий. Инструмент проекта представляет собой сочетание нескольких радиотелескопов, расположенных в разных странах (в Мексике, Чили и Германии), которые должны зарегистрировать в радиочастотном диапазоне упомянутые «тени», соответствующие черной дыре в центре нашей Галактики. Такие далеко разнесенные, но объединенные в единую сеть телескопы, по замыслу проектировщиков, будут работать вместе подобно единому радиотелескопу с площадью принимающей антенны, близкой к площади поверхности Земли[7]. Это остроумное инженерное решение обещает получить самые четкие изображения «теней» черных дыр с включением так называемых элементов асимметрии и удлиненности, а также выяснить, в частности, вращаются дыры или нет, что имеет большое значение, поскольку скорость вращения (спин) черных дыр является (наряду с массой) одной из их важнейших характеристик. Проект EHT является новейшим и самым продвинутым методом косвенного наблюдения и картографирования черных дыр, однако стоит отметить, что такие непрямые методы наблюдения имеют очень длительную историю.

К настоящему времени наиболее достоверные и убедительные данные относительно черных дыр получают и описывают с использованием рентгеновского излучения. История его применений начинается в 1895 г., когда весьма известный и авторитетный физик-экспериментатор Вильгельм Рентген, возглавлявший Институт физики в Университете Вюрцбурга (Бавария), обнаружил существование рентгеновских лучей. Рентген занимался исследованием катодных лучей (пучков электронов) и, в частности, пытался выяснить, являются они волнами или частицами. Сейчас из квантовой механики нам известно, что электроны могут обладать свойствами и частиц, и волн, но Рентген жил в доквантовом мире. Как-то поздно вечером в пятницу, работая в своей лаборатории, Рентген изучал свечение флуоресцентного экрана под воздействием катодных лучей и обнаружил, что на экране, располагавшемся недалеко от источника лучей, появляется светящееся пятно даже в полностью затемненной комнате и при полной изоляции трубки с экраном. Он тщательно проверил изоляцию установки от внешних источников света. Поместив свинцовый лист на пути пучка электронов, он вдруг увидел четкое изображение костей своей руки рядом с тенью листа. В этот вечер, 8 ноября 1895 г., Рентген начал экспериментировать с обнаруженным им источником излучения. Он назвал новый тип излучения Х-лучами (сейчас мы называем их рентгеновскими), и они возникают при бомбардировке катодными лучами (электронами) стеклянной поверхности электронных трубок. Рентген сразу обнаружил, что излучение является очень мощным и легко проникает через кожу и ткани человеческого организма, создавая изображение костей скелета. Возбужденный этим открытием, он сделал первую в истории рентгенограмму и получил снимок левой руки своей супруги Анны Берты Рентген (урожденной Людвиг), где хорошо видна структура костей кисти руки и тень от обручального кольца.

Проведя тщательное изучение открытого им явления, Рентген опубликовал в начале 1896 г. работу, сразу ставшую мировой сенсацией. Один из ведущих физиков этой эпохи, Вильям Томсон (лорд Кельвин), даже посчитал статью Рентгена шуткой или розыгрышем и поменял свое мнение лишь после ее многократной проверки в разных лабораториях. В 1901 г. за открытие Х-лучей Рентген стал первым лауреатом по физике только что утвержденной Нобелевской премии. Со временем именно это открытие стало ключом к разгадке тайн черных дыр во Вселенной.

Рентгеновские лучи представляют собой высокоэнергетическое электромагнитное излучение с очень малыми длинами волн, лежащими в диапазоне от 0,1 до 1 нм{18} (для сравнения можно указать, что область видимого света простирается от 390 до 700 нм). Область радиоволн характеризуется самыми большими длинами волн (от 1 мм до 100 км). Человек никак не воспринимает рентгеновское излучение (сетчатка нашего глаза просто не имеет соответствующих рецепторов), и поэтому мы можем видеть его, только пользуясь специальными детекторами.

Открытие нейтронных звезд и пульсаров показало, что предсказанная теорией звездной эволюции смерть звезд была верной и что черные дыры — неизбежный результат эволюции звезд при определенных условиях. В конечном итоге это стимулировало охоту за черными дырами. Оказалось, что природа дала нам критический ключ к разгадке ранней стадии: огненный, смертельный вздох звезды в 1054 г., когда в средневековом Китае наблюдался взрыв сверхновой и это было записано усердными китайцами. Событие описал придворный астроном Янг Вэй-Тэ, который даже докладывал императору о рождении новой и яркой звезды-гостьи в созвездии Тельца. Послесвечение этого взрыва до сих пор можно наблюдать в Крабовидной туманности, где взорвавшаяся звезда существует в виде пульсара, окруженного светящимися и разлетающимися остатками ее оболочки.

Звезды с массой меньше Солнца сразу после выгорания внутреннего ядерного топлива превращаются в белых карликов — звездный труп. Звезды, весящие больше Солнца, слишком массивны, чтобы стать белыми карликами после выгорания всего их ядерного топлива[8]. Это и выглядит для внешнего наблюдателя эффектным взрывом сверхновой. При этом звездные «осколки» взрывов (то есть оболочки звезд, бывших изначально массивнее нашего Солнца) содержат все химические элементы, из которых состоим мы сами. Например, весь кальций в наших организмах был когда-то синтезирован внутри звезд упомянутого типа, а затем развеян в пространстве космоса после чудовищных взрывов сверхновых. Описанная выше теоретическая цепочка процессов рождения, развития и гибели звезд предполагает, что более массивные звезды после взрыва превращаются либо в нейтронные звезды, либо в черные дыры. Переход от этих теоретических построений к практическим астрономическим наблюдениям осуществили в 1968 г. студентка-выпускница Кембриджа Джоселин Белл и ее научный руководитель Энтони Хьюиш, которым удалось первыми обнаружить пульсары. Во время наблюдений за звездами при помощи нового радиотелескопа, предоставленного Маллардовской радиоастрономической обсерваторией (Mullard Radio Astronomy Observatory), в окрестностях Кембриджа им посчастливилось зарегистрировать источник, излучающий импульсы с частотой 1,3 с, а позднее и много других высокоточных источников, которые можно назвать условно таймерами. Они напоминают космические часы, «тикающие» с высокой точностью. Франко Пачини и Томас Голд (один из известных сторонников теории стационарного состояния Вселенной) предположили, что обнаруженные объекты представляют собой вращающиеся черные дыры, однако в этом случае они должны были иметь исключительно высокую плотность. К настоящему времени уже известно, что пульсары действительно быстро вращаются и «тикают», причем не только в радиочастотном диапазоне, но и в рентгеновском. Вскоре после обнаружения Беллом пульсаров астрономы выяснили, что звезда в центре Крабовидной туманности тоже пульсирует (с частотой около 30 раз в секунду), а затем был зарегистрирован еще один, новый тип таких объектов, которые можно назвать «трупами» звезд.

Потребовалось еще некоторое время, прежде чем астрономы обнаружили наиболее экзотические виды звездных «осколков». Особую остроту поиски черных дыр приобрели только после того, как астрономы в конце 1960-х гг. окончательно объединили свои усилия с физиками-теоретиками, занятыми разработкой идей в области ОТО. И вновь сочетание наблюдений и теории помогло катализировать ход исследований. Расчеты двух известных теоретиков (Якова Зельдовича и Эдвина Салпетера) показали, что черные дыры при своем движении должны поглощать газовые и пылевые облака, заполняющие межзвездное пространство. Основываясь на этом предположении, они предсказали существование некоторой новой и необычной формы «света» с длиной волны ниже границы видимого диапазона, который и должны излучать нагретые газы и пыль, засасываемые внутрь черной дыры сильнейшим гравитационным полем. Процесс захвата газа и пыли из окружающего пространства черной дыры был назван аккрецией[9]. Вскоре астрономы поняли, что оптимальное сочетание для наблюдения процесса аккреции представляет собой двойную звездную систему из массивной черной дыры, которая медленно «отрывает» вещество от своего партнера в виде нейтронной звезды. Вытягиваемый черной дырой газ при этом разогревается до исключительно высоких температур, порядка 100 млн °С. Теоретически уже было известно, что при таких температурах газ должен излучать в рентгеновском диапазоне, а быстрое и случайное «мерцание» регистрируемых сигналов служит явным свидетельством наличия активно поглощающего этот газ очень плотного объекта типа нейтронной звезды или черной дыры.

Рентгеновское излучение от вихревых потоков газа, ускоряемых гравитационным воздействием черной дыры почти до скорости света, является специфическим признаком наличия черных дыр. Поэтому для регистрации таких высокоэнергетических явлений возникла необходимость разработки новых детекторов и телескопов с рентгеновскими «глазами», открывающими экстремально энергичные явления, невидимые человеку. Создание таких приборов само по себе представляет непростую техническую задачу, поскольку мощность космического рентгеновского излучения мала, хотя само по себе оно и является достаточно мощным, чтобы проникать сквозь кожу и ткани человека. Этой мощности недостаточно для того, чтобы космическое излучение рентгеновского диапазона пробило атмосферу Земли и достигло ее поверхности, вследствие чего мы просто не можем устанавливать такие детекторы на наземные телескопы. Когда-то Хаббл, например, использовал фотопластинки для регистрации видимого света от далеких звезд, но этот прием по указанной причине нельзя было использовать для рентгеновских лучей. Детекторы было необходимо «поднять» выше, то есть вынести за пределы атмосферы, и для этой цели подходили ракеты, которые к этому моменту уже были сконструированы и созданы в результате гонки вооружений, связанной со Второй мировой войной.

После войны некоторое количество немецких ракет типа «Фау-2» попало в распоряжении отдела по развитию науки и техники (American Science and Engineering Group). Поместив рентгеновские детекторы в носовую часть ракеты и осуществив запуск, ученые смогли впервые взглянуть на картину неба в рентгеновском диапазоне. Первым объектом исследования была выбрана двойная звездная система Скорпион X-1 c нейтронной звездой, обращающейся вокруг звезды обычного типа[10]. Интенсивность рентгеновского излучения этого источника превышает соответствующую интенсивность излучения нашего Солнца в 100 млн раз. Новое окно во Вселенную было полностью открыто. В 1970 г. НАСА осуществило запуск первого спутника, специально сконструированного для проведения измерений рентгеновского излучения. Запуск бы проведен недалеко от кенийского города Момбаса, и в благодарность за помощь со стороны правительства Кении спутник получил название «Ухуру» (в переводе с суахили означает «Свобода»). Спутник позволил получить важную информацию о высокоэнергетическом излучении Вселенной и обнаружить более 300 источников излучения, включающих множество рентгеновских двойных, состоящих из потенциальной черной дыры и нейтронной звезды-партнера, так же как и рентгеновских пульсаров, которые располагались достаточно близко к нам, а некоторые — на достаточно больших расстояниях.

Исследования черных дыр с использованием рентгеновского излучения позволили ученым окончательно убедиться в правильности предлагаемой теории жизненного цикла звезд. За свои пионерские работы, приведшие к обнаружению космических источников рентгеновского излучения, Риккардо Джаккони (США) получил Нобелевскую премию по физике в 2002 г.{19} Большое число космических миссий с аппаратурой разнообразного типа — оптическими камерами (космический телескоп «Хаббл»); инфракрасной техникой (инфракрасная орбитальная обсерватория IRAS; космический телескоп «Спитцер»; телескоп «Гершель»); детекторами рентгеновского излучения (германская космическая рентгеновская обсерватория ROSAT; телескоп Эйнштейна; спутник ASCA; рентгеновская многозеркальная миссия XMM-Newton) — позволяют нам глубже понять процессы роста и развития черных дыр, а также расширить познания о Вселенной, совершенствуя и повышая чувствительность используемых приборов.

* * *

Открытие и изучение нейтронных звезд, пульсаров и квазаров привело к полному признанию научной общественностью идеи реального существования черных дыр. Еще совсем недавно она казалась излишне радикальной, однако в наши дни множество представителей астрономического сообщества активно участвуют в изучении этих объектов и той роли, которую они играют в формировании галактик. Некоторые из моих исследований направлены на понимание образования черных дыр и их роста во Вселенной. В частности, меня лично очень интересует проблема возникновения самых первых черных дыр, а также механизмы, благодаря которым они позднее превращаются в «бегемотов», которых мы вдруг обнаруживаем «прячущимися» в центрах ближайших галактик. Идея, которую Чандрасекар когда-то предложил научному сообществу, сейчас стала общеизвестной научной парадигмой: самые первые черные дыры представляли собой подобие «трупов» самых первых звезд, которые сформировались во Вселенной. Эти черные дыры, образовавшиеся из остатков звезд (размеры некоторых из них в 10–50 раз превосходили наше Солнце), не должны были становиться столь огромными. Вопреки расчетам сейчас, через миллиарды лет после Большого взрыва, мы обнаруживаем множество квазаров, активно питающихся черных дыр, которые по массе превышают наше Солнце в миллиарды раз.

Каким образом эти крошечные образования, «зародыши» черных дыр за очень короткое время смогли превратиться в чудовищные, сверхмассивные объекты? Компьютерное моделирование показывало, что для наращивания массы им требовалось (при условиях, существовавших в ранней Вселенной) непрерывно поглощать пыль и газ в течение первых 2 млрд лет своей жизни.

Можем ли мы создать каким-либо образом очень массивные первоначальные возмущения, из которых выросли черные дыры? Многие исследователи задумывались над этими вопросами, пытаясь угадать возможный ход процессов раннего периода эволюции Вселенной. В этих поисках принимала участие и я. Вместе с коллегой Джузеппе Лодато мы разработали модель роста черной дыры и смогли показать, что сверхмассивные черные дыры на самом деле могли образоваться в процессе «получил-побежал» (get-go). Драматический процесс быстрой аккреции газа может приводить к образованию гораздо более крупных черных дыр в центрах ранних галактик, чем предполагалось в модели гибели обычной звезды. Астрономы назвали такие объекты черными дырами прямого коллапса. Обнаружилось, что условия ранней Вселенной действительно допускают формирование таких объектов, и я продолжала заниматься этой проблемой совместно с Мартой Волонтери в Парижском астрофизическом институте. Мы изучали процессы развития таких, условно говоря, «беззвездно» рожденных черных дыр. Нам удалось предсказать некоторые уникальные особенности сигнатуры ранних черных дыр, позволяющие проследить процессы их формирования на основании данных, получаемых с наземных телескопов и ожидающихся с предстоящей миссии НАСА космического телескопа имени Джеймса Уэбба, который планируется к запуску в 2018 г.[11] Моя группа занимается также историей роста представителей еще одного, лишь недавно обнаруженного класса самых больших (недавно открытых так называемых ультра- или сверхмассивных черных дыр), чья масса превышает массу Солнца в десятки миллиардов раз, в близкой Вселенной. Обдумывая вопрос, могут ли черные дыры расти беспрепятственно и бесконечно, мы (совместно с Эзекилем Трейстером) теоретически предсказали существование верхнего предела массы, то есть значения, после которого черная дыра начинает ограничивать собственный дальнейший рост. Нам удалось предсказать существование в космосе таких «бегемотов» еще до их обнаружения астрономами. В нашей работе показано, что физические процессы, соответствующие процессам аккреции, могут ограничивать возрастание черных дыр и поэтому существует максимальный предел их роста во Вселенной.

Определение механизмов возникновения черных дыр является ключевым для понимания их роли в росте и светимости родительских галактик. Дело в том, что поглощаемый черными дырами газ одновременно служит исходным материалом для формирования звезд. Охлаждение газа является критическим условием процесса формирования звезд, поэтому рентгеновское излучение, возникающее при описанном поглощении в двойной системе, может иногда способствовать и нарушениям поступления газа в черную дыру, в результате чего (при некоторых условиях) нагрев газа может даже задерживать рост и формирование звезд. Интересно, что в последнее время наблюдения действительно подтвердили подавления роста звезд в галактиках. Детали взаимодействия черных дыр со своим окружением еще нуждаются в дополнительном исследовании, однако уже сейчас черные дыры можно рассматривать в качестве «силовых станций» Вселенной, которые способны существенно изменять состояние галактик, прекращая формирование новых звезд. Таким образом, эти невидимые агенты, само существование которых представлялось невероятным вызовом для астрономии всего 80 лет назад, вдруг оказались важнейшими участниками процессов формирования галактик. Черные дыры находятся буквально в центре всего, что нас окружает, и они создают новую «карту» нашего понимания процесса собирания галактик. Галактики в процессе роста сталкиваются друг с другом, и при этом неизбежно происходит столкновение их центральных областей, в результате чего черные дыры в конечном итоге сливаются. Астрономы следят за этими процессами, продолжая изучать отдельные особенности и характеристики процесса слияния черных дыр. При этих «предсмертных судорогах» сливающихся черных дыр должен возникать еще один тип нигде и никогда ранее не зарегистрированного излучения, а именно должны излучаться так называемые гравитационные волны[12]. Такие волны — еще одно следствие ОТО Эйнштейна. Гравитационные волны являются, по существу, треморами в пространстве-времени, смещениями, которые генерируются, например, при объединении двух черных дыр. Возможность регистрации гравитационных волн зависит от длительности процессов слияния черных дыр, а также от условий соответствующего окружения области слияния (например, от того, окружена ли эта область газовым облаком или нет).

Многие астрофизики заняты расчетом дополнительных признаков, которые соответствуют процессам слияния черных дыр. Такие сигналы дополняют данные, получаемые при измерениях в других диапазонах спектра (рентгеновском, радиочастотном, видимом). Многое зависит от условий в районе столкновения. Сейчас в этой области работают многие исследователи, причем одновременно в двух направлениях. С одной стороны, ученые проводят теоретические расчеты протекающих процессов, а с другой — начинают реализовывать целевые программы по связанным с ними астрономическим наблюдениям для регистрации получаемых сигналов. Меня эта проблема интересовала лично, поскольку в таких исследованиях прекрасно и удивительно сочетаются теория и наблюдения. В одном из первых таких расчетов, проведенном еще в 2002 г., мне и Филипу Армитажу (из Колорадского университета в Боулдере) удалось показать, что слияние пары черных дыр, погруженных в облако газа, происходит быстро и может быть обнаружено с помощью гравитационных волн, которые они производят. Они могут быть зарегистрированы либо непосредственно, либо по изменениям в других областях спектра излучения. Тем самым открывается новый фронт исследований в физике черных дыр вообще. Ученые уже начали получать новые данные экспериментов в рамках проекта LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), а позднее данные его модернизированного варианта Advanced LIGO. Исследования в рамках этих проектов нацелены на регистрацию гравитационных волн в любой момент их возникновения при слиянии черных дыр. Гравитационное окно, которое, как ожидается, скоро откроется, предоставит еще один способ исследовать черные дыры в дополнение к уже существующим методам зондирования черных дыр в оптическом, рентгеновском и радиочастотном диапазонах.

История того, как черные дыры, возникшие где-то на границе карты научного познания, постепенно перебрались в центр этой карты, очень символична и поучительна, поскольку наглядно демонстрирует, каким образом новые инструменты позволяют реализовываться новым теоретическим представлениям. Однако черные дыры остаются лишь крошечной частью окружающего нас невидимого мира. Две другие его таинственные и невидимые сущности, управляющие Вселенной и определяющие ее судьбу, — темная материя и темная энергия — также остаются неуловимыми.

4. Невидимая решетка

Разбираемся с темной материей

Представьте, как Шерлок Холмс или Эркюль Пуаро используют свои немалые индуктивные и дедуктивные способности для расследования убийства. Есть улики, мотив и место преступления — но не хватает жертвы. Астрономы, которые пытаются обнаружить темную материю — нечто невидимое, пронизывающее космос, — оказываются лицом к лицу с такой же загадкой. Подобным образом происходит охота на черные дыры — мы можем только искать следы влияния невидимой материи на окружающее пространство. Можно выявить влияние гравитационного поля черной дыры на близлежащие объекты и, учитывая общую относительность, исследовать, как невидимая материя преломляет свет. Но это по-прежнему остается астрономическим аналогом состава правонарушения с точки зрения обвинителя — сложно доказать убийство при отсутствии тела.

Однако темная материя представляет собой куда более неуловимую добычу, чем черные дыры: в отличие от обычной материи она не излучает, не поглощает и не отражает электромагнитные волны. Она инертна. Единственное, что мы знаем точно, — частицы темной материи, которые, вероятно, сформировались во Вселенной очень рано, несмотря на свою специфичность, имеют массу, составляющую почти всю общую массу материи во Вселенной, и под действием гравитации эти частицы собираются в отдельные массивы. Все известные элементы периодической таблицы, включая те, из которых построено наше тело, составляют мизерные 4 %[13] всего состава Вселенной, включая материю и энергию, — крайне незначительное число по отношению к количеству темной материи. Темная материя является основой для формирования и изменения звезд и галактик. И все же мы знаем о ней очень мало{1}.

Предыстория исследования темной материи начинается в весьма неожиданных декорациях — обшарпанной мастерской мастера-стеклодува в Мюнхене XIX в. Здесь старики выдували расплавленное стекло в пузыри и затем придавали им форму с помощью воздуходувной трубки и горелки. Йозеф фон Фраунгофер, родившийся 6 марта 1787 г. в Баварии, был одиннадцатым и последним ребенком мастера стекольных дел Франца Ксавьера Фраунгофера и Марии Анны Фролих. И по материнской, и по отцовской линии на протяжении нескольких поколений передавалась традиция стекольного ремесла. Осиротев в возрасте 11 лет, Фраунгофер пошел учеником к придворному мастеру-стеклорезу в Мюнхене. Мальчик находился внутри здания мастерской, когда в 1801 г. оно рухнуло, но его спасли. Под влиянием трагедии курфюрст Максимилиан IV Иосиф, который позднее стал королем Баварии, лично предоставил денежные средства, чтобы обеспечить будущее юноши. Фраунгофер использовал эту возможность для изобретения инструмента, который кардинально изменил всю астрономию и позволил впервые обнаружить темную материю 132 года спустя{2}. Фриц Цвикки, первооткрыватель темной материи в 1933 г., обязан своим успехом обрушению стекольной лавки XIX в.

Основой для исследования Фраунгофера стал тот факт, что свет, излучаемый любым объектом, чем-то похож на отпечаток пальца — он оставляет за собой особого рода свидетельства, зашифрованные в виде частоты, которая указывает на уникальные свойства химических составляющих каждого объекта. Устав от производства декоративных стеклянных изделий для королевского двора, неутомимый юный Фраунгофер получил должность в Институте оптики имени Йозефа Уцшнайдера в Мюнхене. Там он прошел официальное обучение в области физики, математики и оптики. Будучи талантливым учеником, он продолжил работу и написал в 1807 г. авторитетное исследование, которое показывает превосходство изображения параболических зеркал, используемых в телескопах-рефлекторах. Спустя шесть лет после спасения из-под руин Фраунгофер осуществил значительный прорыв в производстве оптических линз для астрономических телескопов.

Когда лучи света касаются стеклянной поверхности линзы, они искривляются (преломляются). Степень преломления зависит от свойств материала (в данном случае от состава стекла) и длины волны света. Например, в видимом спектре красный свет едва ли меняет свою траекторию, проходя через линзу, а фиолетовый цвет с более короткой длиной волны изменяет свой путь. Точно так же как оптик изготавливает для нас очки определенной силы, мы, астрономы, должны калибровать линзы телескопа для определения яркости объектов, которые можем наблюдать. Поскольку увеличение отдаленных тусклых объектов происходит с помощью собирающей способности поверхности линз телескопа, процесс калибровки включает разработку линз, которые могут собирать вместе все цвета. Понимая волновую природу света, Фраунгофер изобрел спектроскоп, который разделяет световые частоты. Это дало возможность прочитать уникальные отпечатки химических элементов, присутствующих в спектре отдаленного объекта, и определить его составляющие. Современники Фраунгофера скоро признали его талант, и впоследствии он стал директором Института оптики.

Хотя многие из методов шлифовки и полировки зеркал умерли вместе с Фраунгофером, его способ калибровки линз и изобретение спектроскопии способствовали переменам в нашем понимании состава и свойств астрономических объектов — как близких, так и отдаленных. Изобретенная им спектроскопия, анализ спектра космических источников света, ставшая новым мощным инструментом количественного анализа, изменила астрономию. В 1812 г., используя в своей лаборатории известные источники света, такие как натриевые лампы, Фраунгофер определил коэффициенты преломления для линз и откалибровал их с помощью солнечного света. Измерив спектр солнечного света, он обнаружил 600 темных линий, известных сегодня как линии Фраунгофера. Понимая, что дело в свойствах солнечного света, он определил коэффициенты преломления для каждого цвета в солнечном спектре, откалибровав линзы по темным линиям. Эти линии отображают атомный состав солнца. Фраунгофер не стал далее углубляться в происхождение этих линий, он измерил их длину волны и, таким образом, собрал первый спектрограф{3}. Также он заметил, что спектр ярчайших звезд отличался от спектра, излучаемого Солнцем.

Открытие темных линий в спектре Солнца привело к появлению множества способов прикладного применения спектроскопии в астрономии. Без спектроскопа мы получали бы изображения, из которых нельзя извлечь информацию о приближении или удалении космических объектов, и стала бы невозможной работа Весто Слайфера, Генриетты Ливитт, Эдвина Хаббла и других. Астрономия застряла бы на этапе симпатичных картинок. Проще говоря, Фраунгофер запустил методы и технологии, которые усовершенствовали спектрограф — ключевой инструмент точных измерений ускоряющихся туманностей, и это 120 лет спустя привело к предположению о существовании темной материи.

Часть истории открытия темной материи несколько отличается от той, что я уже описывала. Если сравнивать ее с историей открытия черных дыр, здесь мы не видим никакой математической теории, которая бы предполагала наличие темной материи. Есть только ряд ставящих в тупик наблюдений, которые на первый взгляд не соответствовали ньютоновской теории притяжения там, где она должна была бы действовать. Астрономы рассчитывали массы галактик из их движения и в ходе подобной работы обнаруживали значительные отклонения. Наблюдения давали основания предположить, что реальная масса в 10 раз превосходила видимую. Несмотря на солидные эмпирические свидетельства, идея темной материи, хотя и полностью опирающаяся на данные наблюдений, не сразу получила всемирное признание. Неудивительно, что астрономы сопротивлялись представлению о чем-то невидимом с учетом судьбы появлявшихся ранее гипотез о существовании невидимых сил и всепроникающих жидкостей — таких как эфир, миазмы и флогистон. Все они в конце концов получили свое опровержение. Появление еще одного невидимого фактора для объяснения наблюдений едва ли выглядело убедительно.

Фриц Цвикки — блестящий, изобретательный и раздражительный — стал первым, кто сослался на темную материю в своей работе в 1933 г. Он зарегистрировал движения галактик в близлежащем их скоплении в созвездии Волосы Вероники (скопление Кома) в надежде, что сможет вычислить их массу. Сегодня мы знаем, что скопления — одни из наиболее массивных структур во Вселенной. Все скопления, включая Волосы Вероники, состоят из более тысячи галактик, которые вращаются с гигантской скоростью и удерживаются вместе силой гравитации. Цвикки подробно изучил движение восьми ярчайших галактик в созвездии Волосы Вероники с помощью спектрографа на 100-дюймовом телескопе в той же обсерватории Маунт-Вилсон, где Хаббл открыл расширяющуюся Вселенную. Цвикки обнаружил, что все галактики в скоплении вращаются куда быстрее, чем должны по прогнозам, если брать во внимание только притяжение видимых звезд. Его данные показали, что скорость этих галактик равна примерно 3 млн км/ч, и это подразумевает, что масса в скоплении в 400 раз более плотная, чем можно ожидать. Он опубликовал эти результаты в 1933 г. в своей работе, которая утверждает, что в звездном скоплении в созвездии Волосы Вероники, как и во всей Вселенной при ее расширении, должен присутствовать невидимый и неявный компонент — dunkle materie, или темная материя, чья масса, видимо, отвечает за такие высокие скорости.

В этой работе Цвикки выдвигает следующее предположение: «Если это [повышенная плотность] подтвердится, нам придется сделать ошеломительный вывод о наличии [в звездном скоплении в созвездии Волосы Вероники] темной материи с куда большей плотностью, чем у светящейся материи». В заключение он пишет о том, что «большая дисперсия скоростей в скоплении в созвездии Волосы Вероники (и в других скоплениях галактик) представляет собой нерешенную проблему»{4}.

Выводы Цвикки явно основываются на измерении основного количественного показателя — соотношения массы и света, которое зависит от постоянной Хаббла. Мы помним, что постоянная Хаббла соотносит скорость с расстояниями по закону Хаббла (как мы видели в главе 2) и позволяет оценить возраст Вселенной. Соотношение массы и света представляет собой число, описывающее весь свет, произведенный совокупностью звезд относительно их массы. В 1933 г. Цвикки не осмелился оспорить значение постоянной Хаббла или снизить коэффициент массы к свету для урегулирования несоответствия между массой, необходимой для обоснования движения в скоплении галактик в созвездии Волосы Вероники, и тем, что он видел. Ссылка на темную материю была единственным решением.

В 1936 г., спустя три года после того, как Цвикки опубликовал свою работу, Синклер Смит привел аналогичные аргументы относительно невидимого компонента массы в другом соседнем скоплении — в созвездии Девы. Смит предположил, что недостающая масса может скрываться в пустотах скопления между туманностями. И даже после второй подобной работы, посвященной обоснованию темной материи в скоплениях, данная концепция не привлекла особого внимания{5}.

Если учитывать высокое положение Цвикки и приписываемые ему многие фундаментальные открытия, удивительно, что эти первичные выводы остались незамеченными в астрономическом сообществе. Возможно, отчасти по причине его характера развитие вопроса темной материи остановилось на несколько десятилетий, и только в 1970 г. идея была реанимирована в рамках обоснования проблемы совершенно иных масштабов — скоростей звезд внутри галактики{6}. Спустя 40 лет после появления работы Цвикки, в которой он сообщал о своем открытии, астрономы Вера Рубин и Кент Форд по счастливой случайности заново открыли темную материю, рассчитывая массы отдельных спиральных галактик. Они работали, используя измеренную скорость движения звезд, которую вычислили, разделяя их свет с помощью спектрографа с электронно-оптическим преобразователем, и затем наблюдая за красным и синим смещением спектров. Работа Рубин и Форда не предусматривала поисков темной материи — они искали доказательства вращения спиральных галактик. Но в данных ученые обнаружили нечто нелогичное. Движение звезд в спиральных галактиках показывало, что звезды находились под влиянием куда более мощного гравитационного притяжения, — и, как следствие, двигались куда быстрее, чем можно было предположить на основании исключительно видимой массы звезд и газа в галактиках. С точки зрения Рубин и Форда, речь снова шла о месте преступления без самого тела. Так как они занимались галактиками, то не установили связь между недостающей массой, которая им требовалась для обоснования скоростей звезд, и упомянутой Цвикки dunkle materie в скоплениях. Как мы уже видели, принять новые идеи не так просто; историк науки Дерек де Солла Прайс отмечает: «Возможно, даже лучше, что многие важные открытия должны совершаться дважды или трижды независимо друг от друга и слегка по-разному». Именно так и произошло с открытием темной материи{7}. Осознание того, что одна и та же неуловимая темная материя может решить сразу две загадки на двух совершенно различных физических уровнях, должно было основываться на теории.

В конце 1970-х гг. теоретическая интерпретация не успевала за эмпирическими открытиями в космологии, но достижение Рубин и Форда оказалось переломным моментом в исследовании темной материи. Понадобилось всего 10 лет, чтобы сформулировать принятую ныне теоретическую модель формирования всех структур во Вселенной под влиянием темной материи. Свидетельства, основанные на многочисленных независимых наблюдениях, утвердили данную стандартную модель интерпретации образования галактик, известную как концепция холодной темной материи{8}. В этой модели темная материя является первичной движущей силой образования всех структур. Сегодня существование темной материи и важная роль, которую она играет в космосе, получили широкое признание. Тем не менее остается несколько небольших пробелов между теоретическими предпосылками и наблюдениями. С учетом сложности данной модели и степени ее разработанности и шлифовки стремление оспорить ее или предложить альтернативный вариант сопровождается невероятными трудностями. Тем не менее предпринимаются смелые попытки сформулировать конкурентоспособные версии — альтернативные представления, которые решали бы потребность в темной материи. Вскоре мы к ним обратимся.

Одно из отличий истории открытий темной материи от истории открытий черных дыр или расширяющейся Вселенной состоит в том, что мы столкнемся здесь с меньшим числом авторитетных ученых, чьи непоколебимые взгляды препятствовали бы признанию данной идеи. Наука и процесс генерации знаний значительно изменились в период с 1933 по 1978 г. — теперь это стало больше походить на совместную деятельность, что привело к расширению поля научных дискуссий. Наука и технологии стали играть более важную роль в обыденной жизни. Мировые события, включая Вторую мировую войну и запуск СССР первого космического аппарата «Спутник-1», стимулировали американскую науку и машиностроение. Военно-промышленный комплекс, созданный для нужд фронта, потребовал крупных государственных инвестиций в науку и технологии, что впоследствии сдвинуло большую часть передовых исследований в США. Конечно, важнейшим фактором, который повлиял на все это, стало переселение талантливых ученых и инженеров из Европы в первой половине XX в., освобождение великих умов, что в некотором смысле можно рассматривать как репарации интеллектуальной войны, которая началась давно и продолжала наращивать темпы. Это также придало новое ускорение научным исследованиям. Важную роль сыграло интеллектуальное руководство предприимчивого астронома Джорджа Эллери Хейла. С начала 1900-х гг. он обеспечил поддержку американских филантропов для установки первоклассного оборудования, телескопов и создания научно-исследовательской базы на Западном побережье{9}. Астрономия была готова воспользоваться таким грандиозным сотрудничеством.

История темной материи неразрывно связана с некоторыми из наиболее прогрессивных умов XX в. в сфере астрономии. Эйнштейн и Хаббл также являются персонажами этой повести, хотя ее главные герои — Цвикки, Рубин и Форд. Снова стоит заметить, что к 1970-м гг. соперничество и конкуренция в космологии приняли совершенно иную форму. По сравнению с прошлыми десятилетиями, когда господа ученые спорили и сражались друг с другом в обитых плюшем залах Королевского общества или Тринити-колледжа в Кембридже, отныне участие в науке приобрело более широкий характер, в частности когда центр притяжения новых открытий постепенно переместился из континентальной Европы и Великобритании в США. На специально организованных собраниях проходили открытые дебаты, космология лишалась прежних границ и становилась глобальной. Началась демократизация астрономии. С интеллектуальной стороны астрономия из сферы, концентрирующейся на выявлении отдельных объектов и явлений, выросла в науку, которая все плотнее занималась вопросами более систематических и точных измерений. В этот момент возрастали запрос и потребность в высокоточных инструментах для проведения и дублирования наблюдений с меньшими погрешностями. Случай темной материи иллюстрирует новую важную роль, которую играло оборудование и наблюдения в стимулировании развития теории для толкования данных. Нежелание принять идею темной материи освещает многие новые измерения в научной практике, которая значительно эволюционировала с начала 1900-х гг.

В сказке «Маленький принц» Лис говорит Принцу: «Самого главного глазами не увидишь»[14]. Но человеческий интерес и влечение к невидимому появляются задолго до напечатанной в 1942 г. повести Антуана де Сент-Экзюпери. На своей ранней стадии современная наука часто приписывала необъяснимым явлениям невидимые причины. Естествоиспытатели считали невидимые факторы причиной болезней, средой для распространения световых волн и топливом для горения веществ. До разработки концепции о микроорганизмах многие полагали, что болезни вызывает попадание внутрь организма миазмов при вдыхании — в буквальном смысле вредного запаха. Одна из теорий в XVII в. указывала, что вещества способны гореть только при наличии в них огнеподобного элемента — флогистона (бытовало мнение, что предметы, которые могли гореть на воздухе, имеют высокое содержание флогистона) и что горение прекращается, когда воздух уже не способен поглощать данное вещество. Роберт Бойль, которого считают первым современным химиком, был одним из первых, кто заподозрил, что воздух представляет собой не единое вещество, а смесь многих компонентов. В своей работе 1674 г. «Подозрения относительно некоторых скрытых свойств в воздухе» (Suspicions about the Hidden Realities of the Air) он говорит, имея в виду воздух: «Едва ли в мире найдется более неоднородное тело». Его изучение и исследование роли воздуха в процессе горения и окисления в итоге привели к опровержению представления о флогистоне{10}.

Идея невидимых эманаций находила сторонников даже в XIX в. В 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли провели эксперимент, который низложил подобные теории, но до тех пор многие верили, что существует вездесущая среда — эфир, благодаря которому становится возможным распространение световых волн и гравитации. В контексте корпускулярной теории света Ньютона эфир считался средой, которая способствует перемещению световых частиц от источника излучения. Это убеждение основывалось на аналогии со звуком: было известно, что звуковые волны распространяются за счет сдавливания среды (воздуха), в ходе которого сжимались и разжимались частицы воздуха, передающие вибрации, и последние, наконец, достигали наших барабанных перепонок. Наличие среды, таким образом, рассматривалось как необходимое условие распространения и световых волн — отсюда гипотеза об эфире. Если пространство наполнено эфиром, можно заметить и измерить движение Земли сквозь эфир при вращении вокруг Солнца. Майкельсон и Морли провели эксперимент для измерения такого движения. Они использовали инструмент под названием интерферометр, который в некотором роде сталкивает друг с другом два световых луча, один из которых должен проходить через предполагаемый поток эфира, другой — в перпендикулярном ему направлении. Если бы поток существовал, наблюдалось бы заметное несоответствие между отрезками времени, которые потребовались свету для прохождения двух указанных маршрутов, но Майкельсон и Морли его не обнаружили. Эфира не существовало{11}. Это один из самых знаменитых физических экспериментов «с отрицательным результатом», за который была получена Нобелевская премия. Сегодня нам известно, что свет путешествует, как электромагнитное поле: ему не требуется среда для распространения, и быстрее всего он проходит, по сути, в полном вакууме. Тот же принцип интерференционных волн лежит в основе эксперимента LIGO (описанном в предыдущей главе), хотя упомянутые волны представляют собой гравитационные волны — колебания, возникающие в пространстве и времени при слиянии двух черных дыр. В этом случае длина двух траекторий отличалась бы, так как гравитационные волны изменили бы мерную длину в ходе эксперимента.

Благодаря разработке Эйнштейном ОТО стало ясно, что сила притяжения также не требует участия посторонних веществ — она проявляется в малом масштабе в виде аномалий вокруг обладающих массой объектов в ткани четырехмерного пространственно-временного континуума. В условиях новой и развивающейся интерпретации космоса в 1920-х и 1930-х гг. главным прорывом, как мы видели ранее, стало открытие Хабблом расширяющейся Вселенной, которое стало результатом измерения расстояний до внегалактических туманностей с помощью переменных цефеид — звезд, чьи свойства позволяли найти точные расстояния. Пока Хаббл и остальные измеряли расстояния и скорости галактик, находившихся за пределами нашей собственной Галактики, другие все еще надеялись использовать законы притяжения Ньютона — предполагалось, что они действуют во всем пространстве Вселенной, — для дальнейших шагов и определения массы этих галактик.

Для формирования репутации в научных кругах обычно требуется время, но Хаббл быстро взлетел на вершину. К началу 1940-х гг. он был в зените своей славы в сфере астрономических наблюдений, и его исследования имели непоколебимый авторитет. Между ним и Цвикки шла скрытая борьба, так как оба работали в Калифорнийском технологическом институте и соперничали за одно и то же наблюдательное оборудование. Хаббл всегда получал львиную долю ресурсов и времени работы с телескопом, что, понятное дело, не приносило радости Цвикки. Конечно, еще не были разработаны инструменты и технологии, которые бы позволили производить более точные измерения и поставили под сомнение значение постоянной Хаббла. Итак, ввиду радикальности и абстрактности предположения Цвикки о dunkle materie оно не стало поводом для пересмотра работы Хаббла. На самом деле Цвикки и сам считал свое обоснование темной материи неубедительным и сохранял некоторый скепсис — как и Хаббл в случае с расширяющейся Вселенной. Даже в 1957 г. Цвикки все еще признавал: «Не совсем ясно, как должны быть в итоге истолкованы эти невероятные результаты [наблюдений в созвездии Волосы Вероники]». Было непросто принять всерьез идею еще об одной темной, неуловимой и невидимой сущности — даже для того, кто ее и предложил{12}. Как мы уже видели, сами авторы радикальных научных идей зачастую скрепя сердце примиряются с собственными теориями или их выводами. Далеко идущие последствия таких идей обычно являются причиной подобной борьбы.

Хотя работа, опубликованная в 1933 г., осталась без внимания астрономического сообщества, Цвикки не сдавался: он продолжил работать над своей идеей. Ученый понял, что, если в скоплениях содержится большое количество невидимой материи, она должна искривлять пространственно-временной континуум. Если бы световые лучи преодолевали в пространственно-временном континууме аномалию, вызванную гигантским притяжением скопления, они должны были бы отклониться от прямой траектории. Другими словами, скопление играло бы роль оптической линзы, отклоняя и собирая световые лучи. Цвикки называл такие массивные скопления гравитационными линзами. В работе, изданной в 1937 г., он вновь привел аргументацию существования темной материи, измеряя отклонение света около скоплений и отмечая, что это явление — неизбежное следствие большого количества темной материи в скоплениях, но оборудование того времени было не способно его выявить{13}.

Учитывая отсутствие соответствующих инструментов, гипотеза Цвикки не привлекала значительного внимания до конца 1960-х гг. В ту пору произошел новый всплеск интереса к его работе, а также имели место новые шаги астрономов Сьюра Рефсдаля, Рамеша Нараяна и Роджера Блэндфорда в предсказании отклонения света. Они показали, что при некоторых обстоятельствах эффекты линзирования могут принимать максимальное значение и, следовательно, их становится проще выявить. Они обнаружили, что, когда галактики на заднем фоне идеально выстраиваются в линию позади массивных скоплений, излучаемый ими свет в отдельных случаях значительно растягивается в виде длинных дуг — настолько, что иногда они разбиваются на две части. При таком расщеплении светового луча получаются два увеличенных изображения одной и той же галактики, расположенной на заднем фоне. В зависимости от расположения возможно и большее число копий виртуального изображения фоновой галактики. Например, на сделанном с помощью «Хаббла» снимке очень массивного скопления CL0024+16, которое играет роль линзы, одна и та же фоновая галактика видна в пяти местах! Нам известно, что это изображения одного объекта, а не просто астрономические двойники, так как мы измеряем их спектр, их уникальный химический отпечаток. Спектр всех пяти изображений абсолютно идентичен.

Другая примечательная черта подобных множественных изображений заключается в следующем: некоторые из них могут значительно растягиваться, так что обычная фоновая галактика овальной формы получит искаженную проекцию в виде многочисленных копий, часть из которых будут деформированы в достаточно вытянутые эллипсы или дуги. Получившиеся при сильном линзировании колоссальные дуги в соответствии с теоретическими прогнозами сегодня систематически встречаются на изображениях скоплений с высоким угловым разрешением. В случаях, когда расположение фоновой галактики и скопления не столь идеально, лучи света получают совсем небольшую кривизну, которая приводит к мягкому растягиванию — «слабому линзированию». Когда в 1987 г. астрономы Женевьева Сукай и Бернард Форт с помощью расположенного на Гавайях телескопа CFHT (Canada — France — Hawaii Telescope) заметили сильно вытянутую дугу в скоплении Abell 370, они знали, что, если ее спектр не соответствует спектру других копий той же галактики, они не смогут убедить кого-либо в том, что речь идет о реальном гравитационном линзировании. Изучив спектр и выяснив, что он идентичен спектру менее искривленных копий, ученые смогли доказать, что обнаружили гравитационное линзирование{14}. Усовершенствованная оптика телескопов в конце концов доказала правоту Цвикки.

С тех пор мощный космический телескоп «Хаббл» позволил обнаружить множество других случаев гравитационного линзирования галактик. Отслеживая траекторию световых лучей, мы сегодня можем воссоздать в подробностях распределение невидимой материи в скоплениях, которое является причиной отклонения световых потоков. Однако линзирующие скопления встречаются не так часто; большая часть ночного неба предстает перед нами в неискаженном виде и передает истинную форму галактик. Неискаженные формы становятся основой, позволяющей определить мощность линзирования под воздействием отдельных участков, усеянных скоплениями галактик. Мне приходилось заниматься нанесением на карту участков темной материи в скоплениях, которые производят подобные линзовые эффекты. При наличии данных о нескольких линзирующих скоплениях, которые были собраны с помощью «Хаббла», моя работа и работа многих других ученых в данной области позволила обнаружить, что темная материя воздействует на скопления как в большом, так и в малом масштабе. По сути именно скопление темной материи отвечает за упомянутые линзовые эффекты, так как масса видимых звезд в галактиках в рамках скоплений незначительна для создания наблюдаемых искажений такой силы. Создавая карты темной материи внутри скоплений, мы обнаруживаем, что она состоит из двух видов: гладкой и размытой или комковатой, что может быть связано с галактиками в скоплении, которые удерживаются вместе за счет гравитации.

Линзирование представляет собой повсеместное явление — в том смысле, что любая масса вызывает отклонение в траектории светового луча из-за выемок и желобов, которые масса отпечатывает на ткани пространства-времени. Чем массивнее линза, тем мощнее ее искривляющее воздействие и тем оно заметнее. Гравитационное линзирование предлагает уникальный и независимый инструмент для измерения важных свойств нашей Вселенной, и, как мы увидим в следующей главе, оно может даже оказаться полезным для исследования природы еще одного невидимого и таинственного ее компонента — темной энергии.

Было еще несколько неудачных попыток возврата к идее о темной материи, прежде чем ее стали воспринимать всерьез. В действительности регулярно выдвигались гипотезы о темной материи, которые затем игнорировались и отбраковывались, пока не появлялись новые наблюдения, нуждающиеся в данной теории в качестве обоснования. Удивительно, но большая часть таких попыток были независимыми и совершались без знания о предыдущей работе. Такое постоянное перерождение концепции темной материи, за которым следовали отрицание и забвение, типично для жизненного цикла крайне радикальных научных идей.

Следующая важная веха в нашей истории обязана своим появлением наблюдениям на меньших масштабах, на уровне отдельных галактик, которые к 1930-м гг. были изучены куда лучше, чем скопления, и, согласно наблюдениям, были более многочисленными во Вселенной. В 1940 г. авторитетный голландский астроном Ян Оорт после детального изучения спиральной галактики заявил, что «распределение массы в этой системе, судя по всему, не имеет почти никакого отношения к распределению ее света»{15}. И снова это было смелым утверждением, так как не имелось причин верить в существование каких-либо других объектов, помимо видимых звезд, в качестве составляющих элементов галактик. Соотношение массы и света Хаббла все еще не подвергалось сомнению.

Следующее возрождение идеи имело место в 1959 г. благодаря наблюдениям в ближнем к нам районе космоса, когда астрономы Франц Даниэль Кан и Лодевейк Волтьер вывели массу нашей Галактики и ее ближайшего соседа — галактики Андромеды. Они обнаружили, что, в отличие от любой другой галактики Вселенной, Андромеда движется в сторону Млечного Пути[15], и это, по их мнению, означало, что в дело вступает притяжение некой незримой массы. Так как можно было осуществить расчеты для всех видимых звезд, они заявили, что большая часть массы должна присутствовать в незримом виде. И снова они не вывели никакой взаимосвязи с ранее представленным утверждением Цвикки о точно таком же компоненте в скоплении галактик в созвездии Волосы Вероники. На самом деле Кан и Волтьер, судя по всему, были совершенно не в курсе предыдущих трудов Цвикки и Смита на тему невидимой массы в соседних скоплениях галактик, так как они не цитировали их статьи в своей работе{16}. Тем временем Цвикки упорно двигался вперед, мало-помалу занимаясь исследованием менее отдаленных скоплений галактик для того, чтобы проверить, действительно ли эти структуры находятся в равновесии, так как потребность в темной материи всецело зависела от данного утверждения. Несмотря на тщательную разработку этого направления, он, на первый взгляд, забросил свою идею о недостающей массе и поиски dunkle materie. Тем не менее астрономам понадобилось много времени, чтобы понять, что один и тот же темный невидимый компонент может объяснить механизмы, выявленные у объектов, которые относятся к разным физическим уровням, — скоплений и галактик. Через 30 с небольшим лет после самой первой гипотезы, которую выдвинул Цвикки в 1933 г., они начали открывать огромное количество темных компактных астрофизических объектов, а именно нейтронные звезды[16] и черные дыры, которые не излучают свет в отличие от звезд. Могут ли и галактики, и скопления содержать обилие таких объектов? Может быть, эти объекты и есть темная материя? С течением времени исследователи рассматривали данное предположение, но в итоге опровергли вариант, при котором упомянутые объекты могли бы являться темной материей.

После непродолжительных исследований, проведенных Каном и Волтьером, тема темной материи надолго выпала из поля зрения ученых. Если мы хотим понять, почему она на протяжении столь длительного времени оставалась без внимания и была сброшена со счетов, стоит взглянуть пристальнее на ключевого героя — Цвикки. В 1922 г. он окончил докторантуру в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, занимаясь ионными кристаллами, а вовсе не астрономией. Затем в течение трех лет продолжал исследования в родном университете, после чего уехал в США. В этот переломный момент американская наука имела в высшей степени международный характер, страна привлекала амбициозных европейских ученых. Появлялись благотворительные программы, которые способствовали набору молодых талантливых ученых из-за рубежа. Программа аспирантуры Международного учебно-методического совета при фонде Рокфеллера была одной из первых. Она функционировала в период с 1924 по 1930 г. и охватила 135 европейских физиков. Затем последовала эмиграция около 800 ученых — большинство из них были евреями — в поисках убежища от нацистов. Цвикки попал в первую волну эмигрантов и стал участником программы аспирантуры Рокфеллера. В 1925 г. в возрасте 27 лет он поступил в Калифорнийский технологический институт (Калтех) для работы с Робертом Милликаном, занятым в сфере экспериментальной физики. Цвикки прибыл в благоприятное время. Полным ходом шли новаторские исследования Хаббла, началось планирование 5-метрового телескопа нового поколения на горе Паломар.

Вскоре эксклюзивный доступ к самому крупному в мире телескопу (телескоп Паломарской обсерватории превосходил телескоп в Маунт-Вилсон) побудил Цвикки и некоторых других ученых сместить фокус внимания на астрономию и астрофизику. Смена деятельности для Цвикки оказалась решением умным и плодотворным с точки зрения науки. Как иностранец он предлагал свежий взгляд и стал инициатором многих творческих проектов. Но при этом был крайне вспыльчивым, конфликтным и самоуверенным человеком с резким и пренебрежительным отношением к окружающим, что раздражало его коллег. Цвикки получил образование в совершенно другой, более иерархической академической культуре по сравнению с той, в которой ныне пребывал. Многие с трудом могли переносить его чувство собственной значимости, хотя он имел и почитателей. Тем не менее в 1974 г. коллеги воздали ему хвалу: «Цвикки обладал тем неотъемлемым сопутствующим фактором величия — способностью вызывать в других сильнейший позитивный или негативный отклик… Те, кто видит дальше или глубже, не внушают восхищения всем без исключения»{17}.

Высокомерие и бестактные манеры Цвикки, по-видимому, негативно влияли на внимание к его работе. Он был переполнен идеями; многие были ошибочны, но некоторые оказались верными. Среди них были и те, которые остались незамеченными. В «Одиноких сердцах космоса» Деннис Овербай описывает недостаток доверия по отношению к Цвикки со стороны научного сообщества: «[У него] было так много идей, что отделить хорошие от бессмысленных было почти невозможной задачей для других астрономов»{18}.

Как мы уже видели, личности ученых зачастую сильно влияют на отношение остальной части сообщества к их работе независимо от ее значения. Культура преклонения перед авторитетами и коллективное признание гения часто становятся причиной, по которой коллеги позволяют блестящим ученым игнорировать социально приемлемый кодекс поведения. Таким образом, тот, кто считается гением, часто получает поблажку, и почти все смотрят сквозь пальцы на его агрессивное и бесцеремонное поведение. Цвикки был одним из тех ученых, которым не предоставили подобный иммунитет. Следовательно, с учетом вспыльчивого темперамента, его гипотеза относительно темной материи канула в забвение на долгий срок.

Впрочем, игнорировать ее вечно ученые не могли. В 1970 г. Рубин и Форд начали совместную работу в области динамики галактик в рамках скромной астрономической программы Института Карнеги в Вашингтоне, штат Колумбия. Рубин — хрупкая, тихая и целеустремленная женщина — один из наиболее известных астрономов нашего времени. Она не была из числа тех, кто стремится к спорам и дискуссиям, поэтому Рубин и Форд отложили отчет о своих научных изысканиях, которые предполагали потребность в большом количестве невидимой массы в спиральных галактиках, являющихся предметом их изучения. Они осторожно опубликовали свои работы, в которых сообщили о странных данных, и предложили множество разных толкований, явно обходя стороной интерпретацию с участием темной материи. Рубин и Форд завершили работу 1973 г., написанную совместно с Джудит Рубин (дочерью Веры Рубин), предложением, явно отвлекающим внимание от ключевого аспекта их исследования: «Очевидно, мы еще не закончили с этим вопросом»{19}. Рубин и Форд не учитывали связь между своими находками в отдаленных спиральных галактиках и результатами исследования спиральных галактик на нашем собственном «заднем дворе» — в Млечном Пути и галактике Андромеды, о которых писали Кан и Волтьер в 1959 г. Складывается впечатление, что ученые, по-видимому, были не в курсе более ранних трудов на тему темной материи. Выводы Цвикки относительно скоплений галактик им были неизвестны.

Будучи женщиной, Рубин вошла в астрономические исследования необычным образом. В 1950 г. она поступила в магистратуру Корнеллского университета, чтобы быть рядом с супругом, который обучался там в докторантуре. Проект магистерской диссертации Рубин включал поиск любых систематичных движений в рамках галактик; в частности, она искала вращения. Мотивацией для ее работы было исключительно любопытство, так как отсутствовала какая-либо теоретическая база для понимания, вращаются галактики или нет. В некотором роде ее пребывание, далекое от центра профессиональной сферы, предоставило свободу поднимать новаторские вопросы, которые, возможно, не поощрялись бы в Принстоне, Гарварде или Калифорнийском институте (в то время традиционные форпосты астрономии). В 1950 г. она представила свои результаты на собрании Американского астрономического общества в Хаверфорде, штат Пенсильвания. В 1996 г. в интервью Американскому институту физики Рубин подробно рассказала, что всего несколькими неделями ранее родила своего первого ребенка, и, пребывая в нервном состоянии, вошла в помещение, не зная никого из собравшихся в нем корифеев. Ее доклад назывался достаточно громко — «Вращение Вселенной», но этот вариант был выбран по причине наивности, а не из высокомерия. Ответная реакция была крайне враждебной, и общий тон комментариев подразумевал, что никто просто не способен осуществить то, на что она посягнула. Но среди всего этого скептицизма Рубин четко помнит одного вежливого мужчину с сильным немецким акцентом, мягко приободрившего ее, сказав, «что это интересная задумка: данные, возможно, не так хороши, но для первого шага это неплохая идея». Человеком, оказавшим ей эту ненавязчивую поддержку, которая помогла ей «почувствовать себя не до конца раздавленной», был не кто иной, как Мартин Шварцшильд, эксперт в области динамики Вселенной и один из первооткрывателей вычислительной астрофизики, работавший над Манхэттенским проектом{20}. Он также был сыном Карла Шварцшильда, с которым мы бегло встречались в главе 3: автор математического решения уравнения Эйнштейна, относящегося к черной дыре.

И хотя Рубин переименовала свою работу в более скромное «Вращение метагалактики», ее отклонили и Astrophysical Journal, и Astronomical Journal. Она припоминает, что возражения против ее работы отчасти заключались в убежденности астрономов в том, что представление о крупномасштабных движениях внутри галактик выглядело довольно смехотворно. Было сложно увязать подобные внутренние механизмы с общим расширением Вселенной. Несмотря на неудачу, она переехала в Джорджтаунский университет и продолжила свой дипломный проект под руководством одного из отцов-основателей модели Большого взрыва Георгия Гамова. Рубин забросила работу, посвященную крупномасштабным движениям и вращению, отчасти из-за того, что все это основывалось в первую очередь на наблюдениях. К тому моменту у нее было двое маленьких детей, и она не считала возможным браться за сложный проект, который бы требовал частых поездок в отдаленные обсерватории. Кроме того, после дискуссии, которую вызвала ее магистерская диссертация, Рубин знала, что ей не нравится быть в центре бури. Поэтому она решила пойти в совершенно другом направлении, попытавшись понять, есть ли какие-то закономерности в распределении галактик на небе.

К моменту, когда Рубин получила докторскую степень и работала в Институте Карнеги, она снова изучала движение звезд в галактиках, объединив силы с коллегой Кентом Фордом, который построил уникальный инструмент — самый чувствительный спектрограф того времени. Этот инструмент они использовали для изучения звездного света многих компонентов спиральных галактик. Рубин и Форд изучали свет плотных сердцевин и более разреженных окраин таких галактик. Звезды, которые формируют диск спиральной галактики, вращаются по орбите вокруг центра. Если диск хотя бы немного наклонен относительно нашего местоположения, его звезды с одной стороны движутся в нашем направлении, а с другой — в противоположном. Как было описано ранее, когда источник света перемещается в нашу сторону, мы видим понижение длины волны его света, что приводит к смещению в синий диапазон видимого спектра. Точно так же длина волны света от звезд, которые перемещаются в противоположном от нас направлении, изменяется в сторону красного диапазона спектра.

Это смещение длины световых (или звуковых) волн, известное как эффект Доплера, возникает из-за перемещения источника относительно наблюдателя. Рубин и Форд измерили сдвиги по Доплеру в рамках дисков нескольких спиральных галактик и с помощью этих данных рассчитали орбитальные скорости звезд в различных точках внутри таких галактик. Они начертили график скоростей звезд относительно расстояния до центра галактики. Это напоминает составленный Хабблом график движения галактик относительно расстояния от них до Земли, разве что Рубин и Форд сконцентрировались на движении звезд, которые удерживались внутри отдельных галактик за счет притяжения.

Итог их работы оказался весьма необычным и неожиданным. Чтобы понять, что в нем было такого странного, давайте сначала посмотрим на более близкий к нам участок космоса — на движение планет вокруг Солнца. В нашей Солнечной системе, где господствует притяжение Солнца, внутренние планеты перемещаются на своих орбитах быстрее, чем внешние. Чем дальше от Солнца с его самой высокой концентрацией массы в Солнечной системе, тем медленнее движется планета, которой требуется заметно больше времени на полный оборот. Это происходит из-за того, что воздействующая со стороны Солнца сила притяжения становится слабее при увеличении расстояния, поэтому внешние планеты испытывают на себе сильно уменьшенное притяжение. Например, сила притяжения в точке, которая располагается в два раза дальше от Солнца, слабее в четыре раза. И не только размер орбиты, но и замедленное движение увеличивает время, которое требуется планете для завершения одного круга. Меркурий, например, оборачивается вокруг Солнца за 88 земных суток, Сатурну потребуется 29 лет, чтобы совершить один полный оборот, а у Плутона на это уйдет примерно 250 лет. Рассматривая подобные взаимоотношения в спиральных галактиках, Рубин и Форд обнаружили нечто совершенно противоположное — скорости звезд, судя по всему, были тем выше, чем дальше от центра они располагались. Также похоже, что они в какой-то момент достигают пикового значения скорости, которая уже не меняется. Это стало крайне странным открытием, которое противоречило ожиданиям, если опираться на законы Ньютона, утверждавшие, что именно видимые звезды обеспечивают гравитацию. Существовало только одно возможное объяснение: на окраинах галактик присутствует значительное количество некой незримой массы, которая не излучает свет и, таким образом, не имеет отношения к гравитации, вычисленной на основании наблюдаемого звездного света. Фактически некоторый таинственный компонент, видимо, поддерживал движение звезд с одинаковой скоростью во внешних областях галактик. И снова значение отношения массы к свету было ключевым для данной интерпретации. Как мы ранее отметили, это число зависит от значения постоянной Хаббла, которая благодаря большему количеству данных и более точным измерениям была пересмотрена с момента первой гипотезы Цвикки относительно темной материи. Тем не менее обновленная информация все еще не отменяла потребность в темной материи. В конце концов данная идея заняла свое место.

В 1975 г. Мортон Робертс и Роберт Вайтхерст продолжили работу Рубин и Форда, измерив скорость газа во внешних частях галактик — районах, где звезды встречаются куда реже. Исследовав соотношение между расстоянием и скоростью газа за пределами участка с видимыми звездами, они обнаружили, что скорости остаются постоянными и по-прежнему присутствует воздействие потенциальной невидимой массы на окраине галактик{21}. Эти результаты, которые имели смысл только при наличии огромного количества невидимой массы, на конференциях и встречах были подвергнуты сомнению и восприняты со скептицизмом.

Среди астрономов разразились яростные дебаты и шли многочисленные дискуссии на тему распределения невидимой темной материи в данных галактиках. Несмотря на единогласие между Рубин, Фордом, Робертсом и Вайтхерстом по вопросу существования незримой материи, они все еще не никак не связывали свою работу с ранними трудами Цвикки и Смита на тему темной материи в Млечном Пути и галактике Андромеды. В итоге теория способствовала появлению взаимосвязей между наблюдениями.

В 1973 г. Джереми Острайкер и Джеймс Пиблс, молодые теоретики из Принстона, которые занимались близким теоретическим вопросом стабильности галактик и их звездных дисков, предположили, что темная материя могла бы играть важную роль в удержании галактик во Вселенной. Интересно заметить, что в своей работе они не ссылались ни на одну из работ, связанных с наблюдениями, и она действительно появилась как независимые теоретические расчеты, которые заканчиваются выводом о том, что «массы нашей Галактики и других спиральных галактик могут быть значительно больше их наблюдаемых дисков»{22}.

В следующем году Острайкер, Пиблс и Амос Яхиль опубликовали работу на тему распределения массы в галактиках от центра к внешней части, которая убедила большую часть сообщества в реальности недостающей массы и, помимо этого, в том, что она играет важнейшую роль в удержании галактик. Их исследования показывают, что протяженное распределение невидимой материи, получившей теперь название гало темной материи, надежно удерживает звезды в галактиках. Острайкер, Пиблс и Яхиль сделали вывод о том, что на окраинах нашего Млечного Пути и других спиральных галактик присутствует значительная масса. Первоначально не все приняли идею о вездесущей темной материи, и некоторые критики утверждали, что другие факторы тоже могут удерживать галактики в стабильном состоянии. Допустим, «выпуклость» — избыток звезд во внутренней области. Притяжение такой выпуклости, как заявляли они, будет достаточным для скрепления галактик, и фактически наличие гало темной материи подавляло бы образование спиральных структур в галактиках{23}. Сегодня наблюдения предоставляют надежное обоснование выводов Острайкера, Пиблса и Яхиля, согласно которым невидимая масса не только простирается до внешних районов галактик, но и играет значительную роль во всей Вселенной.

Также астрономам понадобилось время, чтобы осознать, что недостающая масса, необходимая для объяснения механизмов движения в галактиках, — это та же самая недостающая материя, которая должна обосновывать движение галактик в скоплениях и производимое ими отклонение света. В 1961 г. советский астроном из Ереванской обсерватории Виктор Амбарцумян первым предположил существование связи между этими структурами, а именно что невидимая материя, наличие которой в скоплениях предполагал Цвикки, и ее аналог в спиральных галактиках, скорее всего, представляют собой одно и то же. Идею, связавшую удивительные наблюдения, признавать не спешили. Фактически первая конференция, целиком посвященная темной материи, состоялась в СССР в Таллине (Эстония) только в январе 1975 г. Тем не менее эта конференция была отмечена множеством оживленных дебатов не о наличии или отсутствии надежных наблюдений, а скорее на тему потенциальных кандидатов на роль темной материи, и среди них нашлось несколько правдоподобных вариантов: ионизированный газ, тусклые звезды и коллапсировавшие объекты, такие как нейтронные звезды и черные дыры. Наконец, обсуждение сосредоточилось на кандидатах, которые могли бы представлять собой темную материю в галактиках и скоплениях. Помимо очевидных — не излучавших свет, как, например, черные дыры, — участники конференции рассмотрели куда более экзотические предположения: возможно, невидимая материя состояла из частиц, которые фундаментально отличаются от частиц, входящих в состав обычной материи. Как только к концу 1970-х гг. ученые согласились, что вопросы темной материи в галактиках и скоплениях сводятся к одному и тому же — она вполне реальна, — стало ясно, что темная материя может играть значительную роль в галактиках любого типа во всей Вселенной. Теоретические расчеты процесса, в ходе которого масса во Вселенной скапливается и группируется, формируя структуры, подобные галактикам, предполагают, что частицам темной материи свойственно холодное состояние, иными словами, они характеризуются медленным и достаточно пассивным движением. Таким образом, мы постепенно признали существование невидимого малоподвижного, но вездесущего элемента — холодной темной материи{24}.

Опубликованная в 1984 г. в журнале Nature работа под редакцией Джорджа Блументаля, Сандры Фабер, Джоэла Примака и Мартина Риса задает рамки, в которых формируются галактики и скопления во Вселенной, где царствует холодная темная материя. Примерно в то же время благодаря рентгеновским исследованиям стало понятно, что в эллиптических галактиках также присутствует дефицит массы. Растущее число эмпирических доказательств отлично дополнило ранние числовые модели, в которых темная материя присутствовала в виде механизма, стимулирующего формирование всех конструктивных компонентов Вселенной — спиральных, эллиптических структур и скоплений. Но, понимая, на что способна темная материя, ученые не имели ни малейшего представления о том, чем же она все-таки является. Они рассматривали различные версии — от компактных объектов, как, например, черные дыры, коричневые карлики (звезды, которые не загорелись, имеющие массу, но не излучающие свет[17]) и белые карлики, до газа. В кастинге на эту роль участвовали даже нейтрино — призрачные частицы, которые едва ли взаимодействуют с большей частью материи. Впрочем, в 1983 г. компьютерные модели, разработанные для проверки теории о нейтрино в роли темной материи, не смогли воспроизвести наблюдаемые свойства галактик. Так, один за другим кандидаты на роль темной материи подвергались проверке и в конце концов отбрасывались в сторону. Несколько успешных вариантов пережили этот этап и все еще конкурируют друг с другом, но частица темной материи по-прежнему остается неуловимой. В обзорной статье для Science, написанной в 1983 г., Рубин, вспоминая о своей работе, посвященной кривым вращения спиральных галактик, отметила: «Астрономы могут относиться к своим задачам с толикой веселья, признавая, что они занимаются только 5–10 % Вселенной, которые излучают свет»{25}. Или темная материя и правда состоит из экзовещества, не похожего на обычную материю, или астрономы должны пересмотреть ньютоновские законы движения. Непоколебимая вера в то, что законы Ньютона распространяются на отдельные галактики, создала условия для гипотезы темной материи и, следовательно, позволила ей играть более заметную роль во Вселенной. Но если бы астрономы оспорили законы Ньютона? Что, если бы в случае темной материи они просто заявили, что классические законы гравитации не обязаны распространяться на огромные космические расстояния? В конце концов, уже был прецедент — Эйнштейн опроверг выводы Ньютона, когда речь зашла о природе гравитации.

Не так легко отбросить целые теории. Новые наблюдения, которые не умещаются в рамки существующей парадигмы, чаще всего ведут к изменению мировоззрения, но не меняют его радикальным образом. Так действует «нормальная наука», как указал в своей книге «Структура научных революций» (The Structure of Scientific Revolutions) историк и философ науки Томас Кун{26}.

Взглянем на пример английского астронома сэра Уильяма Гершеля с телескопом его собственного изготовления. Открыв планету Уран 13 марта 1781 г., он отодвинул известные границы Солнечной системы за пределы классических планет благодаря своему наблюдению. К 1846 г. Уран почти завершил полное обращение по орбите с того момента, когда Гершель произвел первое наблюдение. Астрономы, отслеживая его орбиту, обнаружили противоречия, которые не могла объяснить ньютоновская теория гравитации. Появились мысли: либо Ньютон ошибся, либо его законы движения нуждаются в правке. Взяв за исходную точку наблюдаемые аномалии, французский астроном Урбен Леверье предположил, что на движение Урана влияет невидимая планета, скрывающаяся за ним, и рассчитал, где должна находиться такая планета. Его прогнозы подтвердились, когда 23 сентября 1846 г. Иоганн Готфрид Галле и Генрих Луи д’Арре обнаружили Нептун. Британский астроном Джон Коуч Адамс также был на правильном пути и сделал независимое предсказание. Тем не менее его опередил Леверье, который первым сообщил об обнаружении Нептуна. Законы Ньютона остались неизменными{27}.

Впрочем, и Меркурий, казалось, отступал от законов Ньютона. На основании предыдущего своего успеха Леверье предположил, что, может быть, имеется еще одна тайная планета, из-за которой у Меркурия такая странная орбита. Длительные и безуспешные поиски даже привели к ложным заявлениям об обнаружении такой невидимой планеты, получившей название Вулкан. Но подобной планеты не существует. Наконец, это был тот случай, когда пришлось кардинально пересмотреть ньютоновские законы. В 1916 г. в работе под заголовком «Основы общей теории относительности» (The Foundation of the General Theory of Relativity) Эйнштейн воспользовался своей новой теорией для точного прогноза прецессии орбиты Меркурия{28}. Как мы увидели в предыдущих двух главах, его теория относительности, опубликованная в 1915 и 1916 гг., вытеснила ньютоновскую теорию гравитации.

Как и в случае с Ньютоном и Эйнштейном, иногда, когда наблюдения не укладываются в существующую теорию, они становятся предвестниками совершенно новых теорий, но чаще всего просто подчеркивают оставшиеся без внимания или неполные компоненты устоявшейся модели. Подавляющее большинство современных астрономов признают существование темной материи, и, хотя мы до сих пор и не выявили частицу, ответственную за существование подобной субстанции, есть исчерпывающие свидетельства со стороны астрономических наблюдений за движением галактик и отклонением света в скоплениях. Те, кто признает темную материю, исходят из подтверждающих ее наличие многих независимых серий косвенных доказательств. Кроме того, моделирование процесса рождения галактик и скоплений показывает переплетения темной материи, пронизывающие нашу Вселенную, и там, где эти нити пересекаются, формируются галактики.

С другой стороны, небольшую группу физиков сопротивление идее о темной материи заставило подвергнуть сомнениям базовые законы гравитации. Арриго Финци предположил такую возможность в 1963 г. в своей работе, опубликованной в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Он пересмотрел наблюдения Цвикки, посвященные движению галактик в скоплениях, и попытался объяснить их, исходя из нового закона гравитации, предполагающего более сильное притяжение на больших расстояниях вместо слабого по силе воздействия, которое предполагают ньютоновские законы. В своих работах Финци отбросил невидимое: «Если принять идеи, предложенные в данной работе, нет никакой особенной причины подозревать наличие крайне большого количества невидимой материи». В завершение он привел вывод о том, что в ближайшем будущем собранные данные смогут урегулировать вопрос материи{29}.

Идея, предложенная Финци, требует от нас понимания, как работает ньютоновская гравитация. Согласно теории Ньютона, сила гравитационного притяжения уменьшается с расстоянием. Чем дальше находятся массы друг от друга, тем слабее сила их взаимного притяжения. В этой форме закон отлично действует в нашей обычной жизни на Земле, а с небольшими поправками на основании ОТО Эйнштейна продолжает работать и в рамках Солнечной системы. Но что, если мы углубимся в космос?

Физики Яаков Бекенштейн и Мордехай Милгром под впечатлением от работы Финци задумались: а что, если бы в космических масштабах гравитация могла выглядеть по-другому, в условиях, где спровоцированные гравитацией ускорения крайне малы? Они предложили теорию, которая изменяет законы гравитации при подобных параметрах, и назвали ее модифицированной ньютоновской динамикой (MOND){30}.

Несмотря на новые надежные доказательства существования огромной массы темной материи, все зависит от интерпретации данных, так как пока не обнаружены частицы темной материи. Согласно MOND, когда ускорение вследствие гравитации падает ниже определенного значения, сила притяжения перестает уменьшаться и начинает расти. В случае звезд, вращающихся в галактике, ускорение и расстояние от центра галактики взаимосвязаны и гравитация действует по-другому и куда сильнее, чем предполагают законы Ньютона. Согласно наблюдениям, на окраинах галактики звезды вращаются вокруг галактического центра с той же скоростью, что и более близкие к нему звезды. В соответствии с данными наблюдений теория MOND успешно объясняет движение звезд в галактиках и весьма эффективна в случае тусклых галактик, но она никак не работает для скоплений, где впервые появилась потребность в темной материи для объяснения результатов наблюдений.

Единственный пункт, в котором MOND с треском провалилась, — это разъяснение наблюдаемых и подтвержденных эффектов отклонения световых лучей около скоплений. Даже если ньютоновские законы и были изменены, необходимо придерживаться ОТО Эйнштейна, ведь мы можем наблюдать эффект гравитационной линзы. Нам нужна масса — хотя бы исходя из общей относительности, — которая бы искривляла пространство и воздействовала на траектории световых лучей. Чтобы объяснить отклонение света, которое наблюдается у скоплений, нам нужно большое количество невидимой массы. В теории MOND, как выяснилось, также придется задействовать невидимый дополнительный компонент массы, чтобы обосновать линзирование, и некоторые исследователи вновь привлекли на роль темной материи в скоплениях крошечные частицы — нейтрино. Такое препятствие — неспособность соответствовать наблюдаемым данным линзирования без привлечения нейтрино — снижает убедительность и привлекательность MOND. Изменив гравитацию, эта теория освобождается от необходимости в темной материи в рамках галактик, но не может обойтись без нее в скоплениях. В настоящее время господствует теория холодной темной материи. Данные «Хаббла» показали, что во Вселенной достаточно распространено линзирование вблизи галактик и скоплений и все существующие наблюдения полностью соответствуют теоретическим прогнозам относительно скопления и распространения темной материи{31}.

MOND не в силах повторить все впечатляющие успехи, которыми отметилась теория холодной темной материи. Ключевой ее недостаток состоит в том, что она не является действительно всеобъемлющей теорией подобно теориям Ньютона и Эйнштейна; при этом она не выдвигает каких-либо базовых физических оснований для предполагаемого изменения гравитации, ее цель лишь в том, чтобы соответствовать эмпирическим данным. Также малоправдоподобным остается шанс на более глубокую базовую поддержку теории, которая дала бы нам изменение гравитации, предполагаемое MOND. Если бы такая теория существовала, она должна была бы объяснить все существующие наблюдения, все функции темной материи — формирование структуры Вселенной, расширение Вселенной и отклонение света — и создать новые доступные для проверки предположения для замещения гипотезы о темной материи.

Когда речь заходит о любой новой теории, которой предстоит заменить старую, эта теория должна объяснять все существующие данные и выдвигать дополнительные прогнозы, которые мы можем подтвердить с помощью наблюдений. Чтобы две конкурирующие теории могли всерьез соперничать друг с другом, они должны обосновывать существующие данные и генерировать доказуемые прогнозы. Поэтому, хотя MOND пока еще не является по-настоящему жизнеспособной альтернативной теорией, в ней можно увидеть окошко для альтернативной теории гравитации. MOND предоставляет действующее и активное поле для исследований, хотя над ее проверкой работает лишь горстка астрономов и есть небольшое число теоретиков, которые пытаются усовершенствовать формулы. Несмотря на вышесказанное, можно ждать очень горячих споров на тему MOND против холодной темной материи. Теория холодной темной материи имеет огромный потенциал, но есть и пробелы — случаи, когда она не до конца соответствует наблюдениям. Некоторые шероховатости между этой теорией и эмпирикой можно заметить в примере, когда барионы (обычные атомы) сталкиваются вблизи частиц темной материи, как, например, в самых удаленных районах галактик. В центре галактик, где звезды теснятся друг к другу и барионы превышают количество частиц темной материи, модель холодной темной материи не в состоянии корректно обосновать наблюдаемые свойства[18]. Разделение функций темной материи и обычных атомов в таких перенаселенных космических уголках стало вызовом и для наблюдателей, и для численного моделирования.

Выходит, вся Вселенная кишит темной материей, космической паутиной с четкой нитевидной структурой, которая пронизывает межгалактическое пространство. Сегодня у нас есть точные карты темной материи, полученные на основании наблюдений гравитационного линзирования. Самые последние карты, характеризующиеся высокой надежностью, созданные моей исследовательской группой на базе данных о линзировании в скоплении, предоставленных проектом Frontier Fields, выявили наличие объекта, который представляет собой кольцо из темной материи вокруг крохотных галактик-карликов внутри скоплений, расположенных на расстоянии в 5 млрд световых лет от нас. Отклонение света позволило нам измерить количество темной материи, связанной с самыми маленькими кластерными галактиками во Вселенной. И, судя по всему, темная материя существует во Вселенной в разных масштабах. Все же стоит спросить, действительно ли природа гравитации не меняется на космических расстояниях и почему это происходит. Продуктивнее всего было бы, конечно, найти гипотетическую частицу темной материи — недостающее тело на месте преступления. Если говорить о рассматриваемых вариантах, мы изучили целый диапазон — от обычной материи в виде планет, тусклых звезд и черных дыр до экзотических частиц. Специалисты по космологии упоминают всю совокупность вариантов обычной материи как массивные компактные объекты гало (MACHOs). Сейчас теория говорит нам, что если бы темная материя не отличалась от обычных атомов и частиц, то тогда всей имеющейся материи было бы все же недостаточно. Мы можем рассчитать, сколько обычных атомов было создано при Большом взрыве, и наблюдения за оставшимся излучением подтверждают это число. Если взглянуть на сумму массы во Вселенной, становится понятно, что нам нужна своего рода экзочастица, созданная на ранних этапах развития Вселенной, которая отличается от обычной материи и отвечает за всю предполагаемую темную материю. Конечно, такие частицы по определению было бы трудно отследить, так как они достаточно пассивны и едва ли взаимодействуют с обычной материей. Такие слабовзаимодействующие массивные частицы (получившие от космологов наименование WIMPs) с легкостью пройдут прямо сквозь ваше тело. В настоящее время проводятся многочисленные эксперименты с целью непосредственного обнаружения частиц темной материи — WIMP, — которые блуждают неподалеку от Земли, однако пока эта загадочная вездесущая частица ускользает от ученых.

Разъяснение роли темной материи во Вселенной обозначает начало новой главы в космологии. В последние 60 лет научная практика постепенно развивалась, что требовало командной работы и арсенала новых приборов. Сегодня мощные компьютеры с высокими графическими характеристиками позволяют нам проследить развитие Вселенной и визуализировать данный процесс, что обеспечивает возможность прямого сравнения с астрономическими наблюдениями. Одно из ключевых ограничений для нас как для космологов заключается в том, что мы, в отличие от других ученых, не можем осуществлять контролируемые эксперименты. Что обнаружили, то и получили. Космология, изначально основанная на абстрактных теориях, сегодня получила статус уважаемой науки, так как цифровые модели стали своеобразным аналогом экспериментов. К 1980-м гг. в космологии сформировалось три метода исследования, три независимых подхода, имеющие важнейшее значение для генерирования новых знаний и проверки новых идей, — теория, наблюдение и компьютерное моделирование. Благодаря стремительному развитию технологии и вычислительной техники сегодня мы можем создать подробные космологические модели, вышедшие за границы своей первоначальной функции — подтверждение наблюдений, — и направлять науку к тем вопросам, которые находятся у переднего края исследований. Эта перемена произошла благодаря генерирующей способности моделирования, которое из довольно ограниченного способа проверки идей выросло в мощный метод формирования нового знания. Сегодня модели позволяют взглянуть на астрофизические процессы, не только крайне сложные, но и взаимодействующие друг с другом на таком уровне, который не могут спрогнозировать обычные бумажные расчеты.

История признания темной материи звучала совсем не так, как это было с двумя другими революционными идеями— с ними мы столкнулись в предыдущих главах: речь идет о расширяющейся Вселенной и черных дырах. Во-первых, первоначальные гипотезы о темной материи основывались исключительно на эмпирических данных, и обосновывающий их теоретический контекст был разработан уже задним числом. Во-вторых, нет никаких сомнений в том, что изобретение инструментов, а также компьютерного оборудования и специализированных программ имело решающее значение в открытии ключевой роли, которую во Вселенной играет темная материя. В-третьих, отличительной чертой процесса в данном случае является его траектория — темную материю не раз открывали, опровергали, открывали заново, прежде чем идея окончательно обрела признание. Для того чтобы понятие темной материи приняли всерьез, понадобилась трудоемкая работа Рубин и Форда, в ходе которой они фиксировали скорости звезд во многих галактиках на огромных расстояниях, и одновременное формирование теории темной материи. Именно пересечение теории — разработка цельного базового каркаса для модели формирования космической структуры на основе холодной темной материи — и наблюдений привело к окончательному принятию идеи темной материи. Помимо создания новых экспертных систем в виде моделей проблема темной материи подчеркнула и вывела на новый уровень роль моделирования в космологической сфере. Значение моделирования, выполняющего функции важного промежуточного звена между наблюдениями и теорией, выросло, когда ученые признали значительную роль темной материи во Вселенной. Открытие частицы темной материи, конечно, все еще остается под большим вопросом. Мы доведем до конца расследование, когда найдем тело. А пока мы придерживаемся нашей веры в невидимую, но осязаемую частицу и продолжаем поиски этого загадочного объекта.

5. Меняем масштабы

Ускоряющаяся Вселенная

В 1901 г. герой романа Герберта Уэллса «Первые люди на Луне», незадачливый лондонский бизнесмен Арнольд Бедфорд, решает уехать в деревню, надеясь написать пьесу и так поправить свои дела. Как вы, возможно, догадались из названия, вместо этого он отправляется на Луну. Изобретение его другом-физиком Кейвором материала, названного кейворитом, — особой пасты, которая позволяет отклонять гравитацию от всего, что ею покрыто, — делает путешествие возможным. По сюжету, воспользовавшись покрытым кейворитом металлическим шаром, Бедфорд и Кейвор попадают на Луну, откуда после приключений удается благополучно вернуться только Бедфорду, а Кейвор останется томиться узником у жителей Луны, селенитов{1}.

В сюжете этого романа мастерски использован вечный интерес человечества к одному из центральных законов физики. Но в XX в. противодействие гравитации вышло за пределы чистой фантазии. В 1948 г. выпускник Массачусетского технологического института, инженер и предприниматель Роджер Бэбсон опубликовал эссе под угрожающим названием «Гравитация — наш враг номер один!». Страстное желание как-то победить силы гравитации Бэбсон объяснял особыми обстоятельствами своей биографии — ему пришлось дважды пережить смерть близких людей в результате одинаковых трагических событий (в юности утонула его сестра, а когда он уже был в зрелом возрасте — любимый внук), так что он испытывал к гравитации личную неприязнь. Бэбсон писал: «…постепенно я убедился, что именно сила тяжести не только ежегодно убивает миллионы людей, но и является причиной множества несчастных случаев и происшествий. Переломы бедра и других костей, а также многие болезни различных внутренних систем организма, от сердечно-сосудистой до пищеварительной, происходят вследствие нашей неспособности противостоять силам гравитации в критические моменты жизни». Бэбсон сделал успешную деловую карьеру, создав новый метод статистического анализа биржевых курсов, и заработал на этом капитал, достаточный для основания в 1948 г. двух организаций: существующей до сих пор школы бизнеса и предпринимательства Бэбсон-колледж (Babson College) и научно-исследовательского Фонда изучения гравитации (Gravity Research Foundation). Понятно, что от Фонда, ставящего своей целью изучение и борьбу с одной из фундаментальных сил природы, трудно ожидать практических результатов, поэтому неудивительно, что в 1960-х гг., после смерти Бэбсона, учреждение прекратило свою деятельность. Однако позднее Фонд восстановили, и он стал известен ежегодными премиями, присуждаемыми безо всяких условий выдающимся ученым, опубликовавшим заметные работы по теории гравитации и смежным вопросам. Этой чести уже удостоились многие известные специалисты, включая Стивена Хокинга{2}.

Хотя некоторые идеи Бэбсона казались чудачеством даже с точки зрения научной фантастики, стоит отметить, что существует загадочная сила противодействия гравитации. Сегодня наиболее близкой к придуманному Уэллсом кейвориту субстанцией можно считать ставшую в последние годы весьма популярной так называемую темную энергию. Считается, что эта таинственная сила, открытая в 1998 г., пронизывает все пространство космоса, заставляя нашу Вселенную расширяться с ускорением. Как и в случае с упоминавшейся выше темной материей, мы можем наблюдать и даже измерять последствия существования темной энергии, но не можем определить ее фундаментальную природу. Более того, сейчас физики рассматривают темную энергию в качестве доминанты, то есть главного фактора развития Вселенной. Свидетельства об этом накапливались постепенно, начиная с 1980-х гг., но лишь прямое измерение ускорения Вселенной и открытие отклонений от точного соответствия закону Хаббла это подтвердили.

В 1920-х гг. очень непросто было принять открытия и идеи Хаббла, которые говорили о том, что Вселенная не статична. Кроме того, они подразумевали возможность расширения Вселенной даже с некоторым ускорением, что дополнительно осложняло общую картину ее развития. В отличие от многих других идей, обсуждаемых в этой книге, природа и сущность темной энергии пока не получили никакого объяснения, и мы не имеем ее теоретического описания. Более того, как справедливо отмечает историк науки Ричард Панек, «…само использование прилагательного или эпитета темный по отношению к таким понятиям, как материя и энергия, способно привести нас к безнадежной семантической путанице или ловушке. Дело в том, что в отношении материи и энергии прилагательное „темный“ вовсе не означает темноту черной дыры или дальнего космоса. Применительно к материи и энергии слово темный означает лишь то, что мы не понимаем смысл используемых понятий и, возможно, никогда не поймем»{3}. Наше нынешнее понимание — это просто временная «заглушка», с которой предстоит разобраться, если мы вообще когда-нибудь сумеем разгадать природу темной энергии.

Попытки понять тайну, связанную с силами гравитации, начались очень давно, задолго до фантастического путешествия героев Уэллса. Еще в 1692 г. молодой английский теолог Ричард Бентли расспрашивал самого Исаака Ньютона о наиболее фундаментальной загадке, скрытой в теории тяготения. Вопрос относился к устойчивости Вселенной, описываемой теорией Ньютона, и был сформулирован следующим образом: если Вселенная заполнена материей, которая притягивает другую «материю» посредством силы гравитации, то почему такая Вселенная остается в равновесном состоянии, а не коллапсирует? Вопрос возник в связи с тем, что Бентли готовил первый цикл лекций Роберта Бойля — особая честь, которой он был обязан политическому маневрированию Ньютона. Бойль прославился своими исследованиями свойств газов, но был также весьма набожным человеком и поэтому предложил из собственных средств денежную награду за цикл лекций в защиту христианства. Именно в процессе работы над ними Бентли тщательно изучил книгу и задал вопрос Ньютону, как раз когда трудился над своими лекциями. В своем ответе Ньютон признавал, что его теория требует, чтобы «…все такие материальные частицы, расположенные в бесконечном пространстве, должны быть настолько точно сбалансированы друг с другом, чтобы они могли находиться в идеальном равновесии. Я абсолютно убежден, что это трудно сделать, причем не c одной иглой, а с их бесконечным числом (так как их так же много, как частиц в бесконечном пространстве) точно расположенных в своих точках»{4}.

Позднее, в 1700 г., Бентли стал магистром Тринити-колледжа в Кембридже (alma mater Исаака Ньютона, где он учился и работал) и занимал этот пост около 30 лет. Он был честолюбивым и надменным человеком, вследствие чего стиль его руководства считается до сих пор противоречивым и спорным. Тем не менее, несмотря на несколько попыток, его так и не удалось сместить. Однако именно Ньютона Бентли постоянно поддерживал и даже курировал второе издание его великой книги «Начала» в издательстве Cambridge University Press, которым руководил как владелец. Их дружба началась до правления Бентли в Тринити, в то время, когда он просил содействия Ньютона в использовании теории гравитации для доказательства и демонстрации того, что Солнечная система была создана Божественным провидением. Бентли искал свидетельства проявления воли Бога и считал таковыми физические взаимодействия между материальными телами. Упомянутый выше вопрос, заданный им Ньютону, имеет очень глубокий физический смысл. Он затрагивает самую сущность рассматриваемой проблемы гравитации, а именно принцип мгновенного действия на расстоянии, который подразумевается теорией гравитации, о чем Ньютон дискутировал в кратком заявлении в первом издании «Начал» в 1687 г. После бесед и переписки с Бентли Ньютон заменил это краткое утверждение на более подробный и детализированный раздел во втором издании (1713 г.), названный им «Общей схолией». В новом издании Ньютон прямо использовал представление о Божественном действии, объясняя его так: «…чтобы системы неподвижных звезд не падали друг на друга под воздействием сил тяготения, Бог разместил их на достаточно больших удалениях друг от друга». Ньютону пришлось обратиться к представлению о Божественной воле, поскольку верил, что простая случайность не могла бы создать необходимую для равновесия звездную конфигурацию и сохранять ее в течение достаточно долгого времени. Отвечая Бентли, Ньютон утверждал: «Гравитация должна вызываться агентом, действующим постоянно и по определенным законам, а является этот агент материальным или нематериальным — я предоставляю размышлению своих читателей»{5}. Это утверждение было, конечно, вполне убедительной основой, позволяющей Бентли в упомянутых выше лекциях для Бойля доказывать существование установленного Богом порядка, однако при этом сам поставленный вопрос остался без ответа, поскольку физическая природа гравитации осталась неясной.

В те времена для объяснения устойчивости Вселенной и ее спасения от коллапса самому Ньютону пришлось прибегнуть к представлению о Божественном воздействии. Представьте себе, насколько сложнее придумать объяснение для обнаруженной и предлагаемой Хабблом ситуации с расширяющейся Вселенной. Если бы Вселенная расширялась с постоянной скоростью, то обнаруженная Хабблом линейная зависимость между расстоянием и скоростью должна была сохраняться вечно. Во Вселенной, заполненной материей, в одних областях ее будет больше и там начнется накопление вещества но, соответственно, в других областях будет наблюдаться его дефицит, в результате чего в более плотных областях произойдет коллапс, а в более разреженных начнется расширение этих областей. В конечном счете на очень далеких от нас расстояниях мы должны будем наблюдать все более заметные отклонения галактик от прямой линии на диаграмме Хаббла. Для обоснования постоянного расширения Вселенной необходимо было провести измерения на более далеких расстояниях. Лишь осуществив картографирование и зондирование далеко за рамками области на оси скоростей диаграммы Хаббла, астрономы могут вновь пользоваться красным смещением получаемых из спектральных линий гораздо более удаленных галактик. Вопрос заключался в том, каким образом можно точно измерять расстояния там, где уже нельзя прослеживать и идентифицировать отдельные цефеиды, как это делал Хаббл. Для рассмотрения удаленных галактик необходимо было применять более надежные, если не лучшие, свечи, чем близко расположенные к нам цефеиды.

Ключевое открытие, позволяющее расширить границы применимости закона Хаббла до самых удаленных областей Вселенной, сделал его современник и конкурент (в качестве первооткрывателя темной материи) Фриц Цвикки, обнаруживший новый класс ярких космических «маяков», располагающихся далеко за пределами, которые изучали Хаббл и Мильтон Хьюмасон. В 1943 г. Цвикки и Вальтер Бааде рассчитали, что при некоторых специфических условиях внутри ядра звезды может происходить цепочка ядерных реакций, приводящая к коллапсу. За 10 лет до этого Джеймс Чедвик обнаружил электрически нейтральную субатомную частицу — нейтрон. Это позволило предположить, что при коллапсе звезды от нее может остаться лишь сверхплотное ядро из нейтронов. Это происходит вследствие бурного выброса внешних слоев звезды под воздействием ударных волн, возникающих при взрыве. Остающиеся при этом в ядре нейтроны оказываются «упакованы» настолько плотно, что, например, одна чайная ложка вещества нейтронной звезды должна весить около 10 трлн кг! Из теории Чандры, Цвикки и Бааде следует, что непосредственно перед коллапсом умирающая звезда становится особенно яркой. Их назвали сверхновыми. Предсказав массивным звездам такую печальную участь, Цвикки занялся наблюдениями, пытаясь зарегистрировать в космосе особые, необычайно яркие взрывы, соответствующие их гибели, и даже заказал для обсерватории Маунт-Паломар специально спроектированный для поиска таких объектов телескоп с апертурой 45,7 см. В конце концов астроном обнаружил конечные продукты гибели звезд, но поиски оказались слишком долгими и трудными. История этого открытия Цвикки была отражена в нескольких публикациях газеты The New York Times, включая статью в разделе Science News Review, озаглавленную «В небесах появилась еще одна взорвавшаяся звезда». Позднее выяснилось, что какой-то английский астроном-любитель нечаянно обнаружил первый (то есть первый точно идентифицированный) взрыв сверхновой, который произошел 12 столетий тому назад в созвездии Геркулеса. 29 декабря 1934 г. в журнале Science News Letters было опубликовано сообщение, в котором астроном Харлоу Шепли заявил, что открытие сверхновых звезд следует считать самым выдающимся достижением современной астрономии. Отметив сходство возникающих при таких взрывах объектов, Бааде в статье 1938 г. предположил, что эти объекты можно считать стандартными свечами для астрономических наблюдений, но одновременно отмечал, что сбор необходимых данных может потребовать многолетних усилий{6}.

В этой игре принял участие и Эйнштейн. Вы, возможно, уже заметили, что Эйнштейн оказывался участником (если не центральным действующим лицом) почти всех событий в космологии за последнее столетие. В этой связи полезно проследить историю того, как долго Эйнштейн занимался переделкой уравнений своей общей теории поля, то вводя в них так называемую космологическую постоянную лямбда (Λ), то изменяя ее. Эйнштейн ставил своей целью сохранение описания стабильной (устойчивой) Вселенной и поэтому сам убрал лямбду из уравнений, когда обнаруженное Хабблом расширение сделало ее ненужной и в конечном итоге заставило Эйнштейна сдаться, то есть признать «подвижность» Вселенной.

Позднее, уже в наши дни, выяснилось, что космологический член, с помощью которого Эйнштейн пытался подправить уравнения, оказался ошибкой, неожиданно полезной для современной астрофизики, хотя и совершенно не в той роли, которую первоначально предполагал для нее сам Эйнштейн. В его полевых уравнениях этот член вводился для обозначения сил гравитационного отталкивания, которые должны были тщательно сбалансировать силы притяжения и тем самым сохранить статичность Вселенной. Однако предложенное в уравнениях Эйнштейна космологическое равновесие оказалось шатким и неустойчивым. Любое, даже самое незначительное изменение условий ее существования должно было бы приводить Вселенную к гибели. Состояние Вселенной стало напоминать положение стоящего на цыпочках. При одном легком толчке он просто мог бы упасть.

Но для Вселенной любое малое воздействие может привести к катастрофе. Ничтожное изменение значения лямбды в одну сторону привело бы ее к расширению с ускорением, а с другой стороны, небольшое сжатие приведет к тому, что все существующее (как и предполагал раньше Бентли), придет к полному коллапсу. Кажется, Эйнштейна не беспокоила эта деликатная проблема отсутствия стабильности, но Артур Эддингтон сразу понял связанные с ней сложности.

Эддингтон обратил внимание на результаты, полученные Весто Слайфером, и еще в 1923 г. начал размышлять о глубоком физическом смысле, связанном с величиной лямбды. Когда Хаббл только задумывался о возможности расширения Вселенной, Эддингтон уже считал, что роль космологической постоянной в этом более существенна. Обсуждая данную тему в своем докладе на собрании Международного астрономического союза в сентябре 1932 г. в Кембридже, он не только поддержал предложенные Жоржем Леметром решения уравнений Эйнштейна для расширяющейся Вселенной, но и доказывал возможность существования не равной нулю космологической постоянной. Позднее Эддингтон, описывая свою роль в истории этой эпохи, сравнивал себя с сыщиком: «…я напоминал детектива в погоне за преступником по имени космологическая постоянная. Я уже знаю о существовании преступника, но мне еще ничего не известно о его внешности (например, о том, какой у него рост и т. п.)… Первым делом я разыскиваю его следы на месте преступления. Поиск привел к следам или к тому, что выглядит как следы: разбеганию спиральных туманностей»{7}.

В отличие от Эйнштейна Эддингтон рассматривал лямбду-член в уравнениях не в качестве проблемы, а скорее в качестве решения проблемы, и предполагал, что именно эта константа характеризует силу, вызывающую ускорение за пределами границ измерений Хаббла. Он полагал, что такой эффект легко обнаружится, когда в диаграмму Хаббла будут добавлены данные по более далеким галактикам. Поскольку ускорение представляет собой изменение скорости во времени, Эддингтон понимал, что для выяснения сути задачи необходимо вернуться в прошлое Вселенной и погрузиться во все более удаленные от нас периоды ее истории. В его времена было сложно обсуждать вопрос об экспериментальных наблюдениях такого рода, поскольку тогда не могли измерять расстояния до объектов, лежащих далеко за пределами цефеид, выступавших в качестве единственных «космических линеек».

Эддингтон был блестящим ученым, но (как мы могли уже видеть на примере истории с отказом признавать существование черных дыр) имел склонность относиться к своим научным идеям и убеждениям с большой пристрастностью. Поэтому, когда все мировое астрономическое сообщество (включая Эйнштейна) окончательно смирилось с мыслью о том, что теория расширяющейся Вселенной не нуждается ни в какой константе лямбда, Эддингтон долго отказывался признать этот факт. В статье 1932 г., написанной совместно с де Ситтером, Эйнштейн сам вычеркнул из уравнений лямбду-член. При этом, впрочем, он оставил себе шанс на пересмотр этого решения в будущем, вписав в текст фразу о том, что «…возрастающая точность астрономических наблюдений может позволить нам в будущем определить знак и величину этого члена»{8}. Но при этом (несмотря на достигнутый консенсус и отказ от учета лямбды) для описания «новой», обнаруженной Хабблом расширяющейся Вселенной необходимо было ответить на целый ряд важных вопросов, относящихся к проблеме гравитации. Однако вопросы оставались даже при консенсусе о мире без лямбды-члена. Открытие Хаббла продемонстрировало, что расширение Вселенной преодолевает влияние гравитации. Но всегда ли гравитация имела современный вид? Сохранятся ли эти особенности в будущем? Как они выглядели в далеком прошлом?

Для ответа на эти вопросы нам необходимо подробнее всмотреться в уравнения эйнштейновской теории поля. Прозрение Эйнштейна, лежащее в основе ОТО, состоит в том, что форма пространства, содержимое Вселенной и судьба космоса взаимосвязаны. Уравнения Эйнштейна точно описывают связи между членами этой триады, которые определяют все остальные параметры Вселенной, включая ее возраст. В 1990-х гг. астрономы приступили к общему исследованию содержимого Вселенной, и тогда обнаружилось, что это содержимое не согласуется с ее формой и возрастом, что поставило их в тупик. ОТО уже имела твердые обоснования, и многие ее предсказания подтверждались наблюдениями, так что несовместимость элементов упомянутой выше триады свидетельствовала о чем-то очень важном, возможно о пропущенном факторе или обстоятельстве, имеющем принципиальное значение. Геометрия и эволюция Вселенной загадочным образом противоречили ее содержанию. Начиная с открытий Веры Рубин и Кента Форда астрономические наблюдения ясно показывали, что основным материалом или веществом, из которого состоит Вселенная, является экзотическая темная материя. Однако этого было недостаточно, чтобы объяснить особенности общей формы наблюдаемой Вселенной, из чего следовало, что она намного моложе, чем предполагалось ранее. Оказывалось, что старые звезды в нашей Галактике старше Вселенной — и это, очевидно, было проблемой.

Говоря о форме Вселенной, я подразумеваю не локальные небольшие «выбоины» на плотной ткани пространства-времени, а общую форму на очень больших масштабах, где геометрия может проявить себя более или менее однородно. Несмотря на растущий объем данных, в том числе в связи с запуском спутника «Исследователь космического фона» (Cosmic Background Explorer, COBE) для изучения реликтового излучения, разрыв между разными измерениями формы, возраста, состава и эволюционными свойствами Вселенной сохранялся. Это растущее противоречие заставляло исследователей постоянно повышать точность наблюдений.

Нам уже известно, что определение лямбды не может устранить указанную выше проблему несовместимости данных, поскольку не предполагает стабильное и устойчивое развитие Вселенной (напомним, что ее состояние напоминает позицию стоящего на цыпочках, готового упасть при малейшем толчке). Однако если мы отвлечемся от проблемы космологической постоянной и займемся только решениями Леметра для расширяющейся Вселенной, то поймем, что вид решения будет определяться борьбой между расширением и силой гравитации, зависящей от средней плотности Вселенной. Таким образом, наблюдаемая плотность всех компонентов Вселенной может сравниваться с критическим значением — переломным моментом, который разделяет возможные пути судьбы Вселенной.

Отношение плотности всего вещества и энергии во Вселенной к критическому значению плотности представляет собой просто число (обозначаемое заглавной греческой буквой Ω). Полное значение омеги для Вселенной является суммой отношений обычной материи, темной материи, энергии реликтового излучения, сохранившегося еще от Большого взрыва, и космологической постоянной[19] к рассмотренной выше критической плотности. Вклад в эту сумму от реликтового излучения сейчас является пренебрежимо малым. Омега складывается из отношений для материи и вклада от лямбды-члена. Три возможных решения уравнений Эйнштейна, которые единственным и однозначным образом определяют геометрию, состав и судьбу Вселенной, соответствуют трем различным значениям омеги, которые рассмотрены ниже.

Прежде всего обсудим простую ситуацию, когда омега существенно меньше 1, то есть материи во Вселенной достаточно для того, чтобы ее можно было даже не замечать, так что проблема устойчивости вообще не возникает. В этом случае Вселенная будет расширяться вечно и с постоянной скоростью, не ускоряясь и не замедляясь. Этот сценарий начинается с Большого взрыва, и закон Хаббла в этом случае справедлив всегда и везде по всей Вселенной.

В следующей ситуации содержимое Вселенной характеризуется существенной долей массы, например когда омега заметно меньше 1, но все же больше значения для расширяющейся с постоянной скоростью Вселенной, вследствие чего Вселенная должна расширяться непрерывно, как и в предыдущем случае. Такая Вселенная будет постепенно становиться все менее плотной (разреженной), и скорость ее расширения, соответственно, будет замедляться.

Теоретически возможны оба описанных сценария, поэтому представляется очевидным, что необходимо осуществить прямое измерение значения омеги и по результату определить, какое из решений соответствует нашей Вселенной. Для прямого измерения омеги необходимо найти и сложить массы всех галактик по всем наблюдаемым участкам звездного неба (сектор за сектором), разделить полученную сумму масс на занимаемые этими галактиками объемы, а затем вставить полученный результат в отношение для критической плотности. Когда астрономы в 1980–1990-х гг. провели описанный выше учет по всем существующим каталогам галактик, то они обнаружили, что плотность материи во Вселенной составляет примерно 0,3.

Однако стоит вспомнить, что существует еще один подход к независимому измерению значения общей величины омеги. Дело в том, что реликтовое излучение, оставшееся со времени Большого взрыва, дошло до нас в виде ряби, в которой отразилось воздействие всего содержимого Вселенной с момента Большого взрыва. Оно дошло до нас, пробив всю Вселенную, несет отпечаток всего содержимого Вселенной и, таким образом, позволяет оценить сумму этих компонентов. Измерения флуктуаций зарегистрированного спутником COBE реликтового излучения были проведены в 1990 г. и привели к равному 1 значению омеги. Это сразу заставило астрономов задуматься о том, куда девался остаток 0,7. Упомянутое выше значение 0,3 было получено с учетом всей материи во Вселенной (видимой и темной) в предположении, что Вселенная постоянно расширяется с незначительным замедлением{9}. Астрономы уже начали искать признаки такого замедления.

Особенно важно подчеркнуть, что разница между двумя полученными значениями омеги свидетельствует о весьма серьезном изъяне в наших теоретических построениях. Живем ли мы во Вселенной, находящейся перед критической или непосредственно в критической неуравновешенной точке? Нам можно вспомнить мнение Эддингтона, который полагал, что существует лишь один надежный способ определить, какое из этих значений является истинным, — необходимо проверить применимость исходной диаграммы Хаббла на предельно удаленных от нас расстояниях и даже дальше. Из ОТО следует, что скорость расширения Вселенной связана с ее содержимым и поэтому наблюдаемое изменение скорости расширения во времени должно привести нас к правильному значению омеги. Однако для расширения диаграммы Хаббла астрономам следовало обзавестись новыми и очень яркими «маяками», так как цефеиды Ливитт (наши первые «маяки», или «космологические линейки») для новых задач были попросту тусклыми. Пришло время найти новые космические стандартные свечи, которые были бы видны до самого края Вселенной. И ответ был найден — сверхновые звезды (взрывы звезд), превосходящие по яркости цефеиды в сотни тысяч раз, что позволяет регистрировать их на гигантских удалениях. Свет распространяется с конечной скоростью, и поэтому, наблюдая очень удаленные участки Вселенной, мы фактически смотрим назад по времени. Если мы действительно живем во Вселенной с малой омегой, то, используя для зондирования сверхновые звезды, мы способны уловить замедление процесса расширения Вселенной в прошлом.

Если единственная проблема, которую нужно решить, состоит в том, чему равна омега — 0,3 или 1, то это просто проблема учета — найти пропавшее вещество. И здесь — поворот событий. Если космологическая постоянная лямбда, уже исключенная к этому времени из уравнений Эйнштейна самим Эйнштейном, имеет не нулевое значение, то она также будет вносить свой вклад в значение этого параметра. Как вы, вероятно, можете догадаться, включение в указанную «смесь» величины лямбда позволяет нам одним махом избавиться от двух факторов несогласованности теории, о которых шла речь выше.

Поэтому космологическая постоянная, хотя немного и неприятна, дала удобный способ согласования оценок омеги по данным COBE и измерений плотности галактик. Если бы значение этой постоянной равнялось 0,7, то все теоретические расчеты могли быть отлично согласованы, однако это означало бы, что нашу Вселенную ждет несколько иное и необычное будущее. Дело в том, что ему соответствует не только описанное выше неустойчивое состояние «на цыпочках», но и плоская геометрия на больших масштабах. При этом все искривления пространства-времени сглаживаются. Выше мы говорили лишь о содержимом Вселенной, однако стоит отметить, что еще до начала упомянутой «инвентаризации» массы и ее компонент предпринимались попытки независимым образом определить геометрию Вселенной. Астрономы использовали также стандартные свечи, чтобы выяснить, в каком пространстве мы живем — в плоском или искривленном. В 1961 г. протеже Хаббла Аллан Сэндидж опубликовал статью, в которой предлагалась программа астрономических наблюдений, нацеленная именно на измерения геометрии Вселенной для регистрации скорости ее расширения в настоящее время и ожидаемого замедления этого процесса. Проект был составлен целиком в контексте модели Вселенной без космологической постоянной и плотностью материи с омегой ниже критического значения, равного 1. В качестве обоснования своих предположений Сэндидж указывал, что Вселенная с не равной нулю космологической постоянной должна будет скорее ускоряться, а не замедляться{10}. Это ясное и дерзкое противопоставление двух вариантов реальности, ускорение против замедления и возможность существования модели в том или ином состоянии, описанная в статье Сэндиджа еще в 1961 г., было забыто на 35 лет, и даже сам автор не догадывался, что она содержит идеи, достойные Нобелевских премий.

Ключом к решению проблемы стало изучение сверхновых звезд. Сейчас они превратились в один из важнейших инструментов астрономических исследований вообще. Но ученым потребовалось детальней разобраться с их физикой, чтобы оценить возможность использования сверхновых в качестве стандартных свечей. Все собранные данные стали складываться в общую картину к 1985 г., когда астроном-наблюдатель из Калтеха Уоллес Сарджент совместно со своим бывшим аспирантом Алексом Филиппенко (который к этому моменту был постдоком в Беркли) сумели заметить очень интересные закономерности в спектрах многих сверхновых. Они предположили, что такие звезды относятся к единому классу и имеют схожие характеристики. Изменение видимых величин сверхновых типа Ia сразу после взрыва, а именно кривая блеска, очень однородно. А когда сверхновые находятся на пике яркости, в их спектре наблюдается отпечаток химического элемента — кремния, образующегося при взрыве. Именно эти свойства и позволили использовать сверхновые класса Iа в качестве стандартных свечей, поскольку они являются особо яркими объектами со стандартными характеристиками, что делает их удобным инструментом, чтобы вглядываться дальше во Вселенную и назад во времени.

Подобно другим астрономическим объектам, наблюдаемая яркость любой сверхновой обратно пропорциональна квадрату расстояния до нее. В нашей локальной Вселенной красное смещение в спектре сверхновой пропорционально расстоянию до нее (это следует из закона Хаббла). Поэтому, построив график зависимости яркости сверхновой от степени красного смещения (диаграмму Хаббла) и убедившись в том, что эту сверхновую действительно можно использовать в качестве стандартной свечи, мы получаем возможность продлить данные вне графика диаграммы Хаббла. Конечно, это можно делать лишь при условии, что скорость расширения Вселенной не изменяется. Однако, как говорилось выше, эта скорость может меняться за то время, пока луч света доходит от сверхновой до нас, и при этом могут изменяться сами расстояния. Причем если скорость расширения Вселенной уменьшается (замедление процесса, чего следует ожидать во Вселенной с небольшим значением омеги и без космологической постоянной), то удаленная от нас сверхновая будет казаться более яркой, чем во Вселенной, расширяющейся с постоянной скоростью. Соответственно, в противном случае, когда скорость расширения Вселенной увеличивается (ускорение процесса, чего следует ожидать при ненулевом значении космологической константы, как отмечал Эддингтон), яркость сверхновой будет (при том же красном смещении) слабее, чем во Вселенной с нулевым значением лямбды. Кроме того, мы должны проверить, действительно ли используемые сверхновые являются стандартными свечами (то есть обладают ли все они одинаковой светимостью). Стоит отметить, что, хотя астрономы и отметили сходство сверхновых между собой, на практике встречаются и вариации, вследствие чего использование сверхновых в качестве стандартов измерения (линеек и свечей) требует от астрономов дальнейшего изучения их физических свойств и учета влияния и роли вариаций при практической обработке получаемых результатов. Детальное изучение экспериментальных данных, относящихся к взрывам ближайших к нам сверхновых, позволяет более точно калибровать отклонения от нормы, а затем применять эту калибровку для стандартизации более далеких сверхновых того же класса, то есть фактически сдвигать границы применимости диаграммы Хаббла на все более удаленные области Вселенной.

Именно такую идею предложил в 1990-х гг., выступая перед группой своих студентов и постдоков в Гарвардском университете, Роберт Киршнер, входивший ранее в состав команды, открывшей темную энергию в 1998 г.{11} Киршнер считался очень опытным астрономом-наблюдателем, отличавшимся тщательностью и осмотрительностью в своих исследованиях. Он был также уважаемым наставником Адама Рисса и Брайана Шмидта, о которых я буду рассказывать подробнее. В конце 1980-х и начале 1990-х гг. стало понятно, что для решения вопроса о разбегающейся Вселенной и согласования ее движения с ее содержимым лучше всего охотиться за сверхновыми. Однако для правильного использования этих линеек требовалось, прежде всего, научиться обнаруживать сверхновые на больших расстояниях и тщательно их откалибровать. Этот вызов приняли одновременно две независимые команды на Восточном и Западном побережье США. Первой в гонку вступила группа «Проект „Космология со сверхновыми“» (Supernova Cosmology Project) в Калифорнийском университете Беркли, выигравшая конкурс Национального научного фонда США, связанный с организацией междисциплинарных исследовательских центров по указанной проблеме. Центр астрофизики частиц в Беркли предложил «брак» двух дисциплин физики с совершенно разными направлениями: физики частиц и астрофизики. Это был союз для изучения истинно микроскопического с истинно макроскопическим. Второй группой ученых стала «Команда для поиска сверхновых на больших Z» (High-Z Supernova Search Team) в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики, состоявшая первоначально из опытных астрономов-наблюдателей, которые оттачивали свои знания на инструментах и телескопах, разбросанных по всему миру в высокогорных и сухих местах. В конце 1980-х гг. теория Большого взрыва была подтверждена данными измерений реликтового излучения и данными других экспериментов, а затем внимание ученых сосредоточилось на новых проблемах космологии, относящихся к будущей судьбе Вселенной. Это потребовало от астрономов тщательной инвентаризации уже самой Вселенной и ее отдельных частей. Александр Фридман получил для уравнений поля в теории Эйнштейна три класса динамических решений, ни одно из которых не соответствует статичному, стабильному состоянию Вселенной. Вопрос состоял лишь в том, какое из них реально описывает ее эволюцию. Содержит ли Вселенная достаточное количество материи для того, чтобы ее расширение постепенно замедлилось и она после достижения некоторого максимального размера замерла бы и начала сокращаться? В такой Вселенной пространство должно быть бесконечным, и она сама по форме будет напоминать поверхность сферы. Или наша Вселенная содержит недостаточное количество материи (и эта материя очень разрежена), вследствие чего она будет расширяться вечно и безостановочно? Пространство в этом случае должно быть бесконечным, но сама Вселенная будет иметь седлообразную форму. Или же наша Вселенная содержит столько материи, сколько необходимо для достижения полного равновесия? Наконец, возможен ли последний, третий вариант, при котором Вселенная содержит как раз такое количество материи, которого должно хватить до достижения замедления расширения и даже возможной остановки? В этой «справедливой Вселенной» пространство должно быть бесконечным, но плоским, и все условия в ней будут очень точно сбалансированы. Условно три описанных варианта в астрофизике часто называют Большой хруст (слишком много материи), Большое замерзание (недостаток материи) и Вселенная Златовласки или Обитаемая Вселенная (полный баланс). Схематически три варианта развития Вселенной представлены на рисунке.

Мы видим, что точное определение всего лишь одной величины (скорости изменения расширения Вселенной) должно позволить астрономам узнать, какое из предложенных решений наилучшим образом описывает нашу Вселенную, и, следовательно, приблизительно определить ее форму и содержание в ней материи. Начиная с 1980-х гг. стало ясно, что галактики содержат некую темную материю и она как-то «размазана» в межгалактическом пространстве. Как отмечалось выше, вклад материи в важнейшую для рассматриваемых проблем величину омеги составляет 0,3. Может ли в этом случае космологическая постоянная равняться 0,7? Единственным выходом из ситуации представляется продолжение исследований: сбор дополнительных данных, расширение диаграммы Хаббла, проверка возможностей любого изменения скорости расширения Вселенной в прошлом.

Одной из важнейших целей группы в берклиевском Центре астрофизики частиц после получения финансирования в 1988 г. стал поиск сверхновых. Первоначально Центр занимался в основном изучением темной материи и одновременно учетом полного количества вещества во Вселенной. Используя сверхновые в качестве стандартных свечей, исследователи пытались определить, какое из предложенных выше решений уравнений Эйнштейна (Большой хруст, Большое замерзание или Обитаемая Вселенная) наилучшим образом описывает судьбу нашей Вселенной. Поиски сверхновых, начатые еще Цвикки, продолжаются до сих пор, но с самого начала было очевидно, что Центру необходимо выработать некую новую, хорошо спланированную и разумную стратегию организации процесса наблюдений. Необходимо было не только научиться обнаруживать большие партии сверхновых, рассеянных где-то в космосе, но и «ловить» их, когда они взрываются, то есть обладают максимальной яркостью. Теоретические расчеты показывали, что взрывы сверхновых в каждой галактике должны происходить примерно раз в столетие, поэтому единственная возможность увеличения числа таких наблюдений состоит в одновременном наблюдении за возможно большим числом галактик. Члены команды Университета Беркли Сол Перлмуттер и Карл Пеннипакер не были опытными астрономами и предполагали, что им удастся решить поставленную задачу за пару лет. Они планировали организовать автоматизированную систему поиска сверхновых, разработанную в начале 1970-х гг. Стирлингом Колгейтом из Национальной лаборатории Лос-Аламос. Колгейт, наследник империи зубной пасты, обладал яркой индивидуальностью и считался талантливым и даже выдающимся физиком-ядерщиком. В середине 1970-х гг. он занимался установкой 76-сантиметрового телескопа в пустыне Нью-Мексико и его программированием для слежения за различными галактиками с заданной периодичностью от 3 до 10 секунд. Автоматическая работа телескопов в те времена уже становилась привычным делом, но Колгейт стал пионером в комплексном использовании автоматизации поиска транзиентных сверхновых. До этого при регистрации сверхновых, чтобы заметить на снимке появление новой ярко светящейся точки, астрономам приходилось сравнивать снимки одних и тех же участков галактик, сделанные с разницей в несколько недель. Обычно сверхновая бывает настолько яркой, что затмевает всю свою галактику. Колгейт выбрал очень удачную стратегию поиска, но поле наблюдения его автоматизированного телескопа было очень малым, вследствие чего он не добился заметных успехов.

Проанализировав опыт работы Колгейта, Перлмуттер и его коллеги поняли, что для повышения эффективности поиска необходимо существенно расширить площадь наблюдаемых участков неба, где проводятся поиск, идентификация и детальное изучение сверхновых. После перехода в Национальную лабораторию имени Лоуренса в Беркли Перлмуттер поступил в аспирантуру, а затем остался в группе постдоком. 17 мая 1986 г. команда из Беркли, уже совместно с Перлмуттером, смогла обнаружить свою первую сверхновую. К этому моменту в состав команды входили, помимо самого Перлмуттера, только Пеннипакер, Ричард Миллер и несколько студентов. Они были настроены излишне оптимистично и даже надеялись, что смогут обнаруживать около сотни сверхновых в год. Однако все найденные ими в начале работы сверхновые располагались в нашей локальной Вселенной настолько близко, что в этих космологических масштабах не имело смысла рассуждать о проявлении интересующих исследователей отклонений от закона Хаббла. Но это были базовые сверхновые, которые помогли выделить и отточить знание о данном классе объектов как стандартных свечей. Программа развивалась медленно, сверхновые обнаруживались с трудом (две первые были детектированы только в 1986 и 1987 гг.), вследствие чего группа обратилась с просьбой о финансировании установки своей камеры на телескопе в Австралии, чтобы расширить область наблюдений и включить в нее южную полусферу, надеясь повысить этим количество регистрируемых вспышек. Работа ученых мотивировалась надеждой обнаружить новые сверхновые и предсказать на этой основе возможную судьбу Вселенной. Благодаря особой яркости сверхновые легко заметить и зарегистрировать, несмотря на неизбежное падение излучения из-за огромных расстояний. И в потрясающем проявлении космической удачи на самом деле нет ничего, кроме чистой удачи, так как увеличение их яркости и затухание происходят за вполне разумное время в несколько недель, что делает эти события очень удобными для человечества, чтобы их отслеживать. Счастливый момент появления вспышки — крайне редкое явление во Вселенной, так как обычно в космосе большинство процессов продолжаются миллионы лет и больше! Все эти факторы усложняют наблюдение за сверхновыми. Они действительно являются «редкими, быстрыми и случайными»{12}.

Совершенствуя инструменты за счет создания более мощных телескопов и более чувствительных детекторов, астрономы непрерывно проникали все дальше в глубины космоса и, соответственно, в его далекое прошлое. Проблема по-прежнему упиралась в охоту за сверхновыми. Исследователи надеялись измерить скорость расширения Вселенной с эпохи Большого взрыва и даже уловить начало замедления этого процесса, поскольку все они верили в уменьшение скорости ее расширения из-за действия сил гравитации, которые должны были сыграть роль космологического «тормоза». Поэтому полной неожиданностью и озадачивающим сюрпризом для всех стало практически одновременное обнаружение двумя независимыми группами, занимающимися анализом далеких сверхновых, что Вселенная ведет себя совершенно противоположным образом, а именно: процесс ее расширения не только не замедляется, но ускоряется.

При взрыве массивных звезд могут образовываться сверхновые еще одного типа (получившие обозначение тип или класс IIs), которые не могут использоваться в качестве стандартных свечей из-за того, что свойства взрывающихся звезд полностью определяются их яркостью. В качестве стандартных свечей могут использоваться только сверхновые упомянутого класса Iа, представляющие собой крошечные белые карлики, замкнутые в двойной системе и захватывающие газ звезды-компаньона. Стандартом для этого класса сверхновых является одинаковый пик яркости, а также шаблонный вид кривых, описывающих уменьшение блеска после максимума, который наблюдается вслед за взрывом. Форма кривой блеска и яркость пикового значения являются двумя основными характеристиками, позволяющими калибровать и использовать сверхновые этого класса в качестве стандартов при измерениях.

К этому времени появилась новая методика цифровой обработки изображений, которая совершенно преобразовала не только технику регистрации, применявшуюся Цвикки в 1940-х и 1950-х гг., но и методы Колгейта 1970-х гг. Программное обеспечение обработки визуальной информации позволило очень быстро получать, обрабатывать и сравнивать крупномасштабные изображения, а также выявлять на них вспышки сверхновых, организовывать сбор массивов данных, их просмотр и расчет соответствующих кривых блеска. Этот подход радикально изменил раздел космологии, связанный с изучением сверхновых. Выше уже говорилось о том, как в свое время использование фотопластинок и постоянная регистрация состояния ночного неба изменили космологию и способствовали работе Хаббла. Подобно этому развитие новейшей аппаратуры и цифровой обработки изображений существенно продвинуло границы астрофизики далеко за пределы, достигнутые самим Хабблом. Методика обработки астрономических изображений в масштабе реального времени продолжает бурно развиваться по мере повышения быстродействия компьютеров и разработки все более сложных алгоритмов и программного обеспечения.

В начале 1990-х гг. соперничество между двумя командами обострилось. Обе группы добились внушительных успехов в обработке данных и совершенствовании возможностей используемых телескопов. Проект «Космология со сверхновыми» формально перешел под руководство Перлмуттера в Беркли. Успехи программы были в основном связаны с развитием программного обеспечения, позволяющего автоматически находить сверхновые, вычитая часть изображений, получаемых от одного и того же участка неба с интервалом в несколько недель. К середине 1990-х гг. Перлмуттер и сотрудничающие с ним астрономы из разных стран Европы, Южной Америки и Австралии обнаружили множество сверхновых. После первых 10 лет вялых успехов группы эти достижения побудили к созданию одного из крупнейших телескопов в мире. Наконец-то сверхновые стали использоваться именно в соответствии с начальным замыслом, то есть в качестве стандартных свечей, реально применяемых при измерении расстояний во Вселенной. Члены обеих исследовательских групп проекта «Космология со сверхновыми» и «Команда больших Z» к этому времени уже работали в разных местах планеты и имели привилегированный доступ ко множеству телескопов. «Команда больших Z» формально была утверждена в 1994 г. под руководством Шмидта в обсерваториях Маунт-Стромбо и Сайдинг-Спринг (Австралия). Соответствующий национальным стереотипам Шмидт, мягко говорящий австралиец с большими блестящими глазами, был спокойным человеком, а истинно американский ключевой член команды Рисс — сильным, и вместе они составляли мощный гармоничный дуэт. К 1993 г. стало ясно, что сверхновые типа Iа имеют переменную яркость и поэтому не являются идеальными стандартными свечами. Поскольку некоторые члены «Команды больших Z» (включая Киршнера и Филиппенко) уже считались общепризнанными экспертами в изучении сверхновых, команда в целом решила сконцентрировать свое внимание на детальном исследовании физики таких взрывов. Были поняты и объяснены небольшие различия в поведении этих звезд, а также показано, что более яркие взрывы типа Iа затухают медленнее, чем слабые. Два члена «Команды больших Z», чилийский астроном Марио Хамью и Рисс (тогда еще учившийся в аспирантуре Гарварда), показали, каким образом следует использовать кривые, полученные при измерении роста и спада блеска взрывающихся звезд для калибровки сверхновых типа Iа в качестве стандартных свечей. Для этого необходимо оценить ослабление блеска пылью в галактике, где взрывается сверхновая. Хамью и Рисс разработали метод для коррекции такого затемнения и точного определения максимальной яркости сверхновых. Учет эффектов затемнения для корректировки данных имел решающее значение для использования сверхновых в качестве космических линеек.

Обе команды регулярно, несколько раз в год, просматривали большие участки неба — прежде всего после новолуния, когда фон неба отличается особой чернотой, необходимой для получения высокой контрастности, создавая базовый набор изображений. Через три недели астрономы повторно получали изображения этих же участков неба и сравнивали их со снимками первого набора. На контрастных снимках после соответствующей обработки легко заметить возможный взрыв сверхновой за прошедшее время. Поскольку сверхновые типа Iа не очень распространены, исследователи обеих команд сумели решить проблему, применив статистические методы. Обе группы увеличили число проверяемых галактик, в результате чего каждое изображение может содержать до нескольких сотен тысяч галактик. При таком режиме сканирования для дальнейшей, более тщательной обработки обычно отбирается около 10 штук на изображение. Конечно, как только кандидаты отмечены, группам необходимо следить за ростом и падением яркости объектов, чтобы построить кривые блеска. Дальнейшие работы требуют соответствующим образом распределенного по времени включения в эксплуатацию телескопов, размещенных в разных местах Земли, что позволяет получить необходимые спектральные характеристики, проверить принадлежность данной сверхновой к требуемому типу Iа, а также определить для нее величину красного смещения и, следовательно, расстояние до нее[20]. При этом обе команды оказались вовлечены в активную переписку, связанную c заявками и организацией наблюдений с использованием наземных телескопов, запросов наблюдательного времени, и подготовку командировок наблюдателей для обработки и анализа данных. Это была «конвейерная линия», которая требовала сотрудничества и совместной работы. После первого года и двух сделанных усилий по поиску новых сверхновых обе команды стали «хорошо смазанными машинами» этого «конвейера».

К 1997 г. обе команды собрали сведения о большом количестве сверхновых, достаточном для построения и расширения исходной диаграммы Хаббла 1929 г. При этом они вдруг получили неожиданные и загадочные результаты. Команды по-прежнему проявляли осторожность в своих заявлениях, но только до тех пор, пока не сообщили, что собрали доказательства, относящиеся ко Вселенной с пониженным содержанием материи. В этот момент состоялся запуск космического телескопа имени Хаббла, наблюдения которого сыграли огромную роль в описываемой истории. Исключительно высокая разрешающая способность этого телескопа, располагающегося на орбите Земли, обеспечивала недостижимую для наземных телескопов точность измерений. При наземных наблюдениях на изображениях всегда возникают различные искажения, обусловленные прохождением света через атмосферу Земли. Хотя астрономы и умеют учитывать и корректировать такие искажения, они все же вносят свой вклад в общую ошибку измерений. В этой ситуации между двумя группами разгорелась борьба за повышение точности и аккуратности использованных данных, а также проверка всех возможных причин возникновения ошибок. Поскольку обе группы анализировали также и старые наблюдения, полученные еще Хабблом, они обнаружили, что данные по двум первым сверхновым не совпадают с ранее указанным трендом. К этому времени у астрономов проекта «Космология со сверхновыми» уже были собраны данные о пригоршне самостоятельно обнаруженных сверхновых (целых шесть штук), что позволило им отправить статью в Nature для публикации в первой неделе октября 1997 г.

При этом возникла небольшая задержка с публикацией, связанная с космологической постоянной. В конечном варианте аннотация к статье заканчивалась фразой: «Новые результаты в сочетании с уже имевшимися данными по измерениям параметров ближних сверхновых позволяют предполагать, что мы живем во Вселенной с низким значением плотности»{13}.

В свою очередь, «Команда больших Z» 13 октября 1997 г. отправила по почте отчет со своими независимыми результатами, сделав их доступными общественности. При этом следует помнить, что сам факт разрешения на публикацию в журнале Nature означал, что результаты команды проекта «Космология со сверхновыми» подпадают под некое эмбарго до завершения работы по проверке данных. Проблема заключалась в том, что «Команда больших Z», в свою очередь, пришла к смелому выводу, что одной только материи недостаточно для формирования плоской Вселенной. В конце концов группам пришлось приступить к переговорам, чтобы как-то согласовать или сблизить как свои результаты и выводы, так и прогнозы на (легко сказать) судьбу Вселенной. Наиболее вероятным представлялся вариант, по которому Вселенная будет расширяться вечно. Обе команды в начале своих исследований старательно пытались обнаружить признаки замедления процесса расширения Вселенной и поэтому почувствовали себя в тупике, обнаружив вместо этого ускорение. До окончательной публикации полученных результатов проводили многочисленные внутренние обсуждения их данных. Американское астрономическое общество предложило членам групп принять участие в пресс-конференции для представления и обсуждения их результатов. Несколько месяцев до конца 1997 г. сотрудники обеих команд принимали участие в семинарах и коллоквиумах, разъезжая по разным странам, причем в выступлениях они иногда намекали на возможность существования не равной нулю космологической постоянной лямбда. Рисс и члены «Команды больших Z» чувствовали, что отстают, так как изучили меньшее число сверхновых, и поэтому решили пересмотреть свои ранние данные и еще раз тщательно их проанализировать. Рисс среди коллег имел репутацию специалиста по учету влияния космической пыли. Он добавил к списку своей команды еще 21 близкую сверхновую, которые обнаружил во время подготовки диссертационного исследования по развитию метода калибровки кривых блеска. Данные по этим звездам еще не публиковались. Используя их для привязки к той части знаменитой диаграммы Хаббла, которая соответствует малым красным смещениям, Рисс только в это время обнаружил, что решение приводит к модели Вселенной, в которой не просто нет материи, а есть отрицательная материя!{14} Он понял также, что для объяснения загадочного результата по сверхновым и их согласования с другими астрономическими данными для выявления зависимости геометрии Вселенной от ее наполнения, например, исследованиями реликтового излучения к рассмотренным ранее компонентам для величины омеги необходимо добавить еще что-то.

Ситуация была тревожной, и Рисс начал проверять каждый этап своей работы вместе с коллегой по команде Шмидтом, который проводил независимые расчеты, пользуясь собственной программой. Обычно они регулярно связывались по электронной почте, и наконец 8 января 1988 г., непосредственно перед пресс-конференцией Американского астрономического общества, Шмидт послал Риссу следующее сообщение: «Well Hello Lambda!» Соавторы пришли к одному и тому же результату и убедились в существовании ставшей печально известной космологической постоянной Эйнштейна лямбда, причем оба оценили достоверность своих расчетов очень высоко — в 99,7 %. Они сообщили об этом остальным членам «Команды больших Z», поскольку предстояло решить вопросы публикации и определения доли участия каждого. Понимая огромное значение самого факта обнаружения ненулевого значения космологической постоянной, некоторые члены команды выразили свою озабоченность и даже предупредили коллег, что «…пресс-релизы и приостановка публикаций в изданиях [Astrophysical Journal] и Nature могут произвести впечатление только на публику и ученых, проявивших лишь случайный интерес к предмету исследований. Однако основное ядро сообщества ученых-космологов не воспримет наши результаты серьезно, если мы не предъявим более надежные доводы». Шмидт, который серьезно и долго работал над анализом данных независимо от Рисса, подтвердил их сотрудничество по электронной переписке и заявил: «Ситуация с космологической постоянной некомфортна для меня, но я не думаю, что нам следует „сидеть“ на своих результатах в поисках прежних ошибок (это было бы неверным с точки зрения интересов науки)». Филиппенко, астроном из Беркли, который переметнулся в группу Рисса из конкурирующей команды проекта «Космология со сверхновыми» за несколько лет до этого, добавил: «Правильное решение. Мне была ненавистна мысль о том, чтобы другая группа опубликовала свои результаты первой»{15}.

Перлмуттер и его коллеги из команды упорно готовились к пресс-конференции. Интерес средств массовой информации разжигался сведениями о том, что обе группы близки к консенсусу по поводу столь важного вопроса, как судьба Вселенной, оказавшаяся зависимой от таинственной величины, именуемой космологической постоянной. Вначале в центре внимания была команда проекта «Космология со сверхновыми», обнаружившая большее число сверхновых. «Команда больших Z» представила данные только по трем сверхновым. Однако еще до открытия ежегодного собрания Американского астрономического общества в январе 1998 г. в Вашингтоне Перлмуттер с соратниками принялись утверждать, что они могли бы найти доказательства существования не равной нулю космологической постоянной. Группа полагала, что не заметила этого лишь по причине грубой исходной ошибки самого Эйнштейна и его убежденности в статичности Вселенной. Еще через шесть недель на конференции в Лос-Анджелесе команда Рисса после исправления основной погрешности, связанной с учетом поглощения космической пылью, также сообщила о существовании не равной нулю лямбды, что соответствовало гипотезе об ускоренном расширении Вселенной. Астрономические наблюдения, а также данные по реликтовому излучению также указывали на равное 1 значение омеги, которое состоит из вкладов обычной и темной материи и космологической постоянной. Вскоре после этого в журнале Scientific American была опубликована статья журналиста Джеймса Гланца, подробно описавшего всю историю поиска и обнаружения сверхновых{16}. К этому моменту обе группы лишь предъявляли свои доказательства существования космологической постоянной, но воздерживались от притязаний на открытие. Объявление об открытии требовало высшей степени убежденности в правоте, а также уверенности и ответственности за надежность используемой методологии при анализе и оценке ошибок в расчетах.

Наконец, 22 февраля 1998 г. Перлмуттер доложил все результаты «Космологии со сверхновыми» на 3-м Международном симпозиуме по источникам и детектированию темной материи, проводимом в городке Марина-дель-Рэй Калифорнийским университетом. Сразу после симпозиума от команды выступил Филиппенко, начавший свою речь со смелого утверждения: «Вы либо получили результат, либо нет. У „Команды больших Z“, — продолжил он, — один результат есть, и мы его сообщаем публично». Он объявил, что его команда с высокой степенью уверенности утверждает, что космологическая постоянная существует, и может предъявить в пользу этого весомые доказательства. Сверхновые, расположенные на расстояниях в миллиарды световых лет и дальше, кажутся нам более тусклыми из-за того, что Вселенная сейчас расширяется быстрее, чем в тот момент, когда эти звезды взорвались, и отодвигает их дальше от Земли. Само ускоренное расширение вызывается темной энергией, которая проявляет себя в значении космологической постоянной. Темная энергия окончательно стала реальностью. Как легко можно было предвидеть, сразу после этих выступлений между командами (а также внутри самих команд) разгорелась острая борьба из-за оценки заслуг, достижений и наград каждого из участников{17}.

Конечно, при таком великом открытии не обошлось без попыток найти другие возможные объяснения полученным результатам. Возникли подозрения, что природа сыграла с исследователями злую шутку, то есть не являются ли эти самые удаленные от нас сверхновые вообще какими-то другими объектами — совсем иными «зверушками»? Химический состав самых молодых галактик не столь богат, как у более старых, возможно, это могло стать объяснением их пониженной яркости. Однако спектры близких и далеких галактик оказались похожими, а сколь-нибудь заметная разница в составе должна была проявиться и в спектрах, так что обе команды сочли наиболее правдоподобным объяснением то, что Вселенная действительно ускоряется, оставляя сверхновые далеко позади породивших их взрывов. Поскольку обе группы, совершенно независимо друг от друга и пользуясь совершенно разными методами анализа, сумели обнаружить большую часть сверхновых, прийти к одинаковому результату и убедить в этом самих себя и друг друга, им не составило труда убедить в этом и все остальное космологическое сообщество. Теперь при дальнейших обсуждениях не происходило противостояния ярких личностей, тех, кто мог бы оспорить эти претензии, как было в прошлом. Несмотря на то что обнаружение космологической постоянной представляет собой весьма радикальное открытие, оно было воспринято научной общественностью довольно спокойно. Возможно, это объясняется тем, что открытие хорошо согласовывалось с предыдущими результатами того, что омега равна 1, полученными из данных по реликтовому излучению и из других астрономических наблюдений, и оно было принято мягко. Кроме того, признанию новой идеи немало способствовал и тот факт, что космологическая постоянная оказалась старой знакомой теоретиков, представленной в уравнениях Эйнштейна десятки лет назад.

Космологическая постоянная была легко и быстро воспринята учеными, поскольку позволила разобраться с некоторыми старыми проблемами космологии. Например, дала возможность объяснить противоречия, относящиеся к возрасту Вселенной (когда, например, при измерениях возраст некоторых горных пород и даже звезд превышал возраст самой Вселенной), что плохо укладывалось в рамки используемых ранее моделей Большого взрыва и холодной темной материи. С обнаружением темной энергии стало очевидно, что увеличение скорости расширения Вселенной требует учета времени, а это неожиданно приводит к «старению» Вселенной. Существование темной энергии позволяет также понять, почему вклад материи в величину омеги является относительно малым, хотя множество астрономических наблюдений свидетельствует о близком к 1 значении омеги. Из-за этого при «инвентаризации» космоса постоянно терялся один из важных компонентов.

Хотя темная энергия является удобным заполнителем, который помогает увязать несколько наблюдаемых свойств Вселенной, это просто замещающий термин. Как и в случае с темной материей, мы знаем, что темная энергия существует, но мы не имеем представления о ее происхождении и эволюции. Мы смогли как-то улучшить учет содержимого Вселенной, но нам по-прежнему остается непонятным устройство большей части ее содержимого. По-видимому, мы живем во Вселенной, содержащей лишь 4 % обычных атомов (известных нам по периодической таблице элементов), 23 % темной материи и 73 % темной энергии[21], однако у нас нет никакой теоретической основы для описания того, каким образом и где эта энергия зарождается. Можно ли ее назвать квинтэссенцией или фундаментальной силой, как полагают некоторые физики? Зависят ли свойства и количество темной энергии от времени или она стационарна? Все эти и другие вопросы пока остаются без ответа.

Неясно также, чем темная энергия и темная материя отличаются от мифических субстанций — эфира и эффлувии, в существование которых верили ученые древности. Мы имеем множество эмпирических доказательств, независимым образом указывающих на существование темной энергии и темной материи, а также располагаем множеством приборов и технологий, позволяющих исследовать эти субстанции и продолжить изучение их природы и свойств. Уже запланированы запуски спутников и программы работы наземных обсерваторий, специально нацеленных на более глубокое исследование характеристик и природы темной энергии.

Несколько необычным выглядит то, что руководители обеих команд получили причитающуюся им Нобелевскую премию в 2009 г. за открытие 1998 г., но и это награждение можно считать даже быстрым по сложившимся в современной физике стандартам. В соответствии с завещанием Альфреда Нобеля премию могут разделить между собой не более трех человек в год. Это условие сейчас приводит к сложностям при присуждении премий в области физики и особенно космологии, где (вследствие интеллектуальной зрелости и сложности самой науки) работы на переднем крае исследований все чаще осуществляются не отдельными людьми, а весьма многочисленными коллективами ученых. Процесс отбора трех человек, связанных с новым большим открытием, которое по существу есть результат усилий целой группы, становится все более сложным и приводит к тому, что и узнают результат несчастные исследователи во вторую неделю октября. Астрономия как направление редко отмечается Комитетом, но Нобелевская премия по физике 2009 г. досталась Риссу и Шмидту из «Команды больших Z» и Перлмуттеру из проекта «Космология со сверхновыми» за открытие темной энергии. Это привело к большим дискуссиям о многих невоспетых героях темной энергии, были опубликованы обращения к Нобелевскому комитету с пожеланиями учредить особую командную премию по физике, чтобы можно было награждать целые коллективы исследователей. Никаких изменений в правила не было внесено, и вопрос о разделении вклада и распределении премий по-прежнему стоит, в частности, и потому, что накопление знаний, приводящее к прорывным результатам, определяется несколькими ключевыми участниками, работа которых и приводит к прогрессу. Однако руководители некоторых новых престижных премий уже признали справедливость таких требований, учли возникшие изменения в культуре научных исследований и начали награждать целые коллективы ученых. По этому пути пошел, например, фонд Грубера, присудивший в 2006 г. премию по космологии всей группе разработчиков спутника COBE, а в 2007 г. — обеим группам, обнаружившим темную энергию. Кстати, следуя примеру разработчиков COBE, первооткрыватели темной энергии пригласили всех принимавших участие в программах специалистов на фестиваль, прошедший 10 декабря 2009 г. в Стокгольме, где присуждаются Нобелевские премии. Кроме этого, как для отдельных исследователей, так и для коллективов появилась «Премия за прорыв», основанная русским миллиардером Юрием Мильнером в 2012 г. Мильнер, сам по образованию физик, сделал карьеру в банковском бизнесе и утвердил призы за фундаментальные открытия в физике, математике и науках о жизни. В 2013 г. приз по физике присудили руководителям различных групп, принимавших участие в открытии бозона Хиггса на ускорителе ЦЕРН, а в 2015 г. были награждены обе группы: команда проекта «Космология со сверхновыми» и команда «Поиска сверхновых на больших Z». Разумеется, проблема справедливой оценки вклада отдельных участников коллективной работы продолжает оставаться одной из самых важных.

Главной научной проблемой современной космологии является раскрытие природы темной материи и темной энергии, что может быть, конечно, осуществлено только усилиями большого международного коллектива. По этому поводу историк науки Питер Галисон писал: «Большая наука влечет за собой изменение в самой природе жизни в науке. Ежедневную работу характеризуют командная работа и иерархия». Раньше подобной масштабностью отличались только проекты создания огромных ускорителей (типа ЦЕРН), но за последние 30 лет существенно изменилась и космология, так что в ней не осталось места для исследователей-одиночек. Их место заняли высокоорганизованные команды, борющиеся за финансирование и развитие новых методов и технологий, нацеленных на решение возникающих задач (в описанной выше ситуации этими задачами стали сбор и стандартизация данных по сверхновым). Физик Вольфганг Панофски отмечает, что такое увеличение масштабов работы диктуется характером решаемых задач: «Мы просто не знаем, как можно получить важную информацию о самых малых объектах вещества (физика высоких энергий), самых больших структурах Вселенной (астрономия и космология), а также о статистически неуловимых, ускользающих результатах… без применения масштабных усилий и сложных приборов»{18}. В любом случае, независимо от того, как и почему произошла трансформация науки, изменение масштабов научной деятельности не позволяет науке выжить в изоляции от других сфер современного общества и ее более широкий контекст становится еще важнее. И это тем более так, потому что современные научные исследования требуют вложения больших объемов разнообразных ресурсов (человеческих, технологических и финансовых).

При этом изменился даже процесс научного признания более радикальных идей в космологии— темной материи, реликтового излучения и, наконец, темной энергии, — который отличается от того, что было раньше. Сейчас приход к консенсусу в научном сообществе относительно новых понятий достигается зачастую значительно легче и мягче, что мы и видели на примере восприятия удивительного и интригующего открытия темной энергии, хотя оно фактически переворачивает все наши предыдущие представления об устройстве космоса вообще. Это можно объяснить рядом причин. Прежде всего, эта кажущаяся странной идея о наличии темной энергии позволила очень удачно свести воедино многие ранее казавшиеся разрозненными результаты наблюдений, подобно укладыванию последней части головоломки. Например, для астрономов космологическая постоянная лямбда представляет собой просто некое число, но для физиков-теоретиков этот параметр имеет глубокое концептуальное значение, поскольку они соотносят его с энергией вакуума и фундаментальными свойствами пространства. Споры идут не об измерениях, а о происхождении измеряемых величин. Еще одной из причин быстрого достижения согласия между специалистами можно считать интеллектуальную зрелость самой космологии, а также ее широкое практическое внедрение в смежные области науки. Современное состояние космологии характеризуется стремительной гонкой за открытиями и быстрым внедрением инновационных технологий.

За последние 30 лет фундаментально изменилась и сама наука. Сотрудничество международных коллективов ученых привело к изменению в отношении к открытиям. Мы больше не видим долгой и упорной борьбы старых и новых идей (или хотя бы их медленного слияния и примирения), так как чаще наблюдаем бурный поток новых данных, вызывающих одновременно множество новых теоретических вопросов и ответов на них. Обнаружение темной энергии стало вызовом нашему пониманию глубинных законов природы, а также выявило недостаточное понимание самых ранних процессов возникновения Вселенной. Развитие космологии привело к революции в области обработки больших массивов данных, и эта революция относится ко множеству дисциплин, связанных с интеллектуальной деятельностью. Далее стоит изучение нового рубежа — истинной природы темной энергии, и это привело к формулировке множества новых вопросов беспрецедентного характера, которые возвращают нас к моменту творения.

6. Следующий рубеж

Открытие реликтового излучения

Эту историю можно начать с описания того, как ранним утром 19 ноября 1989 г., после бессонной ночи, Джон Мазер и члены его команды по изучению реликтового излучения COBE в прозрачном предрассветном сумраке отправились на известную ракетно-космическую базу США Ванденберг в окрестностях города Санта-Барбара (Калифорния). Разглядывая придорожный ландшафт, Мазер размышлял о высоких целях миссии его группы. Он понимал, что успешный запуск разработанного группой спутника COBE может радикально изменить наши представления о строении Вселенной, так как его аппаратура была спроектирована для измерения шипения, которое дошло от Большого взрыва. Речь идет об излучении, оставшемся от того времени, когда Вселенная была горячей, плотной, которое движется к нам от момента возраста Вселенной 400 000 лет: в этом излучении прослеживается история расширения Вселенной. В это утро сам воздух Калифорнии казался наполненным возбуждением, напряжением и предвкушением успеха. Всего несколько часов назад инженеры группы COBE окончательно смонтировали бортовой компьютер ракеты «Дельта» и теперь ожидали момента, когда «Satellite of Love», над которым некоторые из них работали десятилетия, отправится в темное утреннее небо{1}.

Непосредственно перед стартом запущенные в небо метеорологические зонды показали наличие сильного ветра над космодромом. Ванденберг остановил запуск. Члены команды уже начали беспокоиться, опасаясь пропустить временное окно длительностью 35 минут, после которого запуск пришлось бы перенести. После этих минут, показавшихся команде эоном[22], обратный отсчет был возобновлен. Все увидели озарившую небо вспышку огня и медленный завораживающий взлет. Огромная ракета «Дельта» развернулась строго по плану. Через 10 минут после старта произошло отключение первой ступени и включение второй, после чего спутник COBE отделился от ракеты-носителя и вышел на расчетную орбиту, расположенную на высоте 170 км над поверхностью Земли.

Однако члены команды COBE отпраздновали свой успех только через несколько недель, когда смогли окончательно убедиться в том, что вся аппаратура на орбите работает, как ожидалось, в холодном вакууме космоса. Самый первый сет данных, «первый свет», произведен после тщательной проверки и калибровки. Затем данные начали поступать регулярно, и ученых даже удивляло, с какой точностью они соответствуют теоретическим ожиданиям. Прошли месяцы работы, прежде чем после тщательного изучения и анализа команда была готова передавать полученные результаты другим ученым и широкой общественности. Но, когда они это сделали, то представили совершенно новую карту Вселенной, которая соответствовала теории существования холодной темной материи. Таким образом, на составляемой ими карте Вселенной был запечатлен древний свет, дошедший до нас из самых глубин космоса.

Подготовка к миссии спутника COBE потребовала от разработчиков длительной и очень серьезной работы, подобной трудам картографов в глубокой древности. Очень давно, в начале 1519 г., Фердинанд Магеллан предложил королю Испании Карлу I смелый план, в котором пообещал открыть новый коммерческий маршрут в Азию. Помимо желания получить коммерческую прибыль Магеллан руководствовался, конечно, и жаждой приключений и стремлением открыть еще не ведомые никому земли. Преодолев множество препятствий (включая даже попытку саботажа со стороны агентов португальской короны), Магеллан собрал необходимые для путешествия финансовые средства, используя в том числе частные капиталовложения заинтересованных в успехе купцов. 20 сентября 1519 г., подняв паруса, он вывел свою флотилию из Севильи вниз по реке к Санлукар-де-Баррамеда, в открытое море. О чем думал Магеллан, отправляясь в далекий путь? Возможно, его чувства были схожи с теми, которые испытывали члены команды COBE при запуске своего спутника на авиабазе Ванденберг спустя 470 лет. В работе исследователей было много общего. От членов группы COBE также потребовалось терпение и упорство при наборе научного персонала, сборе финансовых средств, проектировании и создании экспериментальной установки, организации запуска спутника и, наконец, при интерпретации передаваемых на Землю данных. Оба путешествия были сопряжены с высоким риском и вдохновлялись человеческими чувствами амбиции и жажды поиска нового. Магеллану удалось совершить кругосветное путешествие, которое заставило всех пересмотреть понимание устройства нашего мира и открыло новую эру, связанную с общемировой торговлей и глобализацией. Магеллан помог создать новую карту Земли. Аналогично члены команды COBE помогли нам пересмотреть наше понимание устройства большого мира, за что члены команды Мазер и Джордж Смут были удостоены в 2007 г. Нобелевской премии по физике{2}.

Сдвиг в нашем восприятии и понимании устройства Вселенной начался фактически раньше, из измерений спутника COBE реликтового излучения[23]. Сама идея существования этого излучения также была предложена раньше, еще в 1940-х гг., но тогда лишь несколько человек смогли оценить ее важность и смысл. Аппаратура, используемая для экспериментальных измерений, также была создана давно, причем для совершенно иных целей. Важнейшей частью оборудования стал радиометр, разработанный для военных радаров во время Второй мировой войны в Радиационной лаборатории MIT. Созданный во время войны военно-промышленный комплекс во многом способствовал активизации множества исследований в фундаментальной науке. По мнению Хелджа Крафа, космология при этом получила особые преимущества{3}. Однако давайте вернемся к обсуждению вопроса о начале буквально всего, то есть к проблеме начала самой Вселенной.

В ноябрьском номере 1931 г. малоизвестного журнала Revue des questions Жорж Леметр опубликовал статью «Расширение пространства» (L’expansion de l’espace), в которой писал: «Мир-атом распался на фрагменты, каждый из которых затем распался на еще более мелкие части… Эволюцию мира можно сравнить с картиной завершения фейерверка… Мы можем представить рождение космоса из первозданного атома и возникновение космоса, отмеченное началом времени». Конечно, модель расширяющейся Вселенной подразумевала огненное рождение — некий большой взрыв. Леметр также опубликовал письмо в Nature в 1931 г., в котором развил и обобщил свою теорию расширяющейся Вселенной из первозданного атома в «день, до которого не было вчера», то есть из какой-то очень плотной точки в пространстве и времени{4}. Леметр полагал, что ученые смогут получить материальные свидетельства существования этого момента творения и что появление наблюдательного доступа к первозданной Вселенной неизбежно. Очень важно отметить, что именно в этот момент в астрономии возникло и стало все сильнее проявляться сотрудничество и взаимодействие между теоретиками и астрономами-наблюдателями, подстегнутое успешным совпадением во времени наблюдений Хаббла и теории Леметра, связанных с идеей расширяющейся Вселенной. Это стало началом синергии теории и наблюдений, приведшей к их сегодняшнему тесному взаимодействию. Сочетание наблюдений Хаббла с теоретическими воззрениями Леметра открыло новые возможности для космологических исследований вообще. До этого никто из ученых не осмеливался даже задуматься о возможностях моделирования всей Вселенной и ее эволюции, начиная от Большого взрыва. С тех пор множество физиков занялись дальнейшим развитием теории модели Большого взрыва и связанных с этим потенциально наблюдательных следствий. Модель Большого взрыва в те времена была еще далека от завершения, и, в частности, она в те годы конкурировала с теорией стационарной Вселенной, которую поддерживали Фред Хойл с коллегами. В результате этой борьбы идей возник и заметный интерес к получению новых наблюдательных данных, которые позволили сделать выбор между ними.

Одним из главных действующих лиц в описываемой истории стал Георгий Гамов, в конце 1940-х гг. преподававший в Университете имени Джорджа Вашингтона (округ Колумбия). Вместе с двумя молодыми коллегами — Ральфом Альфером и Робертом Германом — он занялся проблемой возникновения химических элементов во Вселенной на основе теории Большого взрыва. Гамов был убежден, что именно объяснение процесса рождения химических элементов может окончательно подтвердить справедливость модели Большого взрыва. Самого Гамова многие считали креативным гением, выдвигающим новые идеи и щедро делящимся этими идеями со студентами и сотрудниками. С другой стороны, Гамов (подобно Фрицу Цвикки) имел не простую личную репутацию и помимо своих блестящих научных достижений был известен несдержанным поведением и пристрастием к алкогольным напиткам, что затмевало многие его достоинства. У Гамова была богатая научная родословная, так как ранее он учился в Петроградском/Ленинградском (ныне Санкт-Петербургском) государственном университете у знаменитого физика Александра Фридмана[24], который когда-то первым нашел решения полевых уравнений Эйнштейна для развития Вселенной. Ранние научные работы Гамова относились к радиоактивности и эволюции звезд. Он много лет пытался покинуть СССР и в 1934 г. перебрался с женой на постоянное жительство в США. Несмотря на внушительные достижения в изучении радиоактивности и ядерного синтеза, Гамова не привлекли к выполнению самого главного национального проекта США (Манхэттенский проект по созданию атомной бомбы), хотя позднее он короткое время работал в Национальной лаборатории Лос-Аламос и участвовал в разработке водородной бомбы. Несмотря на свою противоречивую репутацию среди коллег, Гамов имел много поклонников среди представителей общественности, а в 1940-х гг. получил известность как автор бестселлеров на научно-популярные темы, включая известные книги «Раз, два, три… бесконечность. Мистер Томпкинс изучает атом» и «Мистер Томпкинс в бумажном переплете»{5}.

Примерно в 1944 г. Гамов (вместе с Альфером и Германом) занялся проблемами космической химии. Герман, незадолго до этого получивший докторскую степень в Принстоне, развивал идеи Леметра о первозданном атоме и возникновении Вселенной. Гамов искал ответы на чрезвычайно простые, но очень важные вопросы: каким образом во Вселенной стал возможным синтез всех известных нам химических элементов? Могли ли все эти элементы образоваться на самом начальном этапе ее формирования, еще до того, как во Вселенной возникли первые звезды? Гамов был убежден в справедливости модели горячего Большого взрыва и пытался найти для этой теории недостающие к тому моменту бесспорные обоснования. Поскольку уже было известно, что в зарождающейся Вселенной могут возникать водород и гелий, Гамов предположил, что все остальные химические элементы могли появиться в результате дальнейшего прироста массы за счет слияния и захвата. Восприняв эту новую методологию, Альфер и Герман попытались, исходя из современного состояния Вселенной, экстраполировать самые начальные условия возникновения, когда плотность Вселенной была очень высокой, то есть воспроизвести то ее раннее состояние, когда она содержала главным образом лишь обогащенные гелием и водородом звезды. По их расчетам, плотность Вселенной в это время была столь велика, что частицы (и их физические двойники-антиподы, то есть античастицы) могли непрерывно объединяться и разъединяться, позволяя энергии и веществу постоянно преобразовываться. При предполагаемых экстремально высоких температурах начального взрыва мог постоянно реализовываться эйнштейновский принцип эквивалентности массы и энергии (читатель сразу вспомнит знаменитую формулу Эйнштейна Е = mc^2) для связи частиц и античастиц. Исходя из того что описываемая ранняя Вселенная представляла собой «суп» из неупорядоченных частиц, Альфер и Герман поняли, что это постоянное превращение массы-энергии приведет к некоторому балансу. В результате этого процесса должны конденсироваться и возникать все известные нам субатомные частицы (протоны, электроны, нейтроны, фотоны и нейтрино), а сама Вселенная — расширяться и охлаждаться.

Такое равновесие (физики называют его тепловым) обладает некоторыми необычными свойствами. Представьте себе замкнутый ящик с непрозрачными стенками, способный поглощать энергию (все формы излучения, включая свет) и вещество извне. В соответствии с законами квантовой механики такой ящик в равновесном состоянии соответствует так называемому идеальному «черному телу», а кривая распределения его излучения должна определяться лишь температурой его стенок. Гамов был первым, кто понял и оценил роль теплового излучения и термического равновесия в процессе синтеза химических элементов. Поверив в его идею, Альфер и Герман сделали следующий важный шаг в исследовании, предположив, что горячая плотная ранняя Вселенная, достигнув теплового равновесия, должна вести себя подобно черному телу. Поскольку главной характеристикой черного тела является его температура, Альфер и Герман просто оценили температуру космоса, то есть температуру Вселенной в текущий момент времени. Более того, они предположили, что, даже несмотря на расширение Вселенной, приводящее к ее охлаждению, неудаляемая «подпись» ранней, нагретой Вселенной будет сохраняться в виде излучения черного тела. Присутствие этого излучения везде определяется особой формой излучения черного тела. Черное тело остается таким всегда, даже когда остывает. Поэтому Вселенная остается чернотельной и сегодня, хотя у нее более низкая температура, чем при ее огненном начале. Температуру текущего, чернотельного, состояния Вселенной Альфер и Герман оценили в 5 °К (что соответствует –268 °C). Утверждения, что Вселенная является чернотельной и что ранняя и современная Вселенные характеризуются уникальной температурой, были замечательными. Предсказанное Альфером и Германом очень низкое значение текущей температуры Вселенной противоречило интуитивным ожиданиям, но это значение оказалось очень близко к тому, которое удалось получить при экспериментальных измерениях несколькими десятилетиями позже. При этом стоит отметить, что человеческое сознание проще воспринимает лишь гораздо более высокие температуры, так как в повседневной жизни мы легко чувствуем температуру кипящей воды или поджаренного на гриле куска мяса. С другой стороны, предложенная авторами космическая температура в 5 °К оказалась также намного ниже всех привычных представлений о холоде, то есть существенно ниже не только температуры человеческого тела (примерно 310 °К), но и температуры льда, считающегося привычным эталоном холода. Однако проблема температуры была побочной, так как исходной задачей Альфера и Германа было объяснение механизма возникновения и построения атомов из вещества первичного огненного шара. Несмотря на все усилия, им удалось решить эту задачу только частично, описав рождение всего нескольких элементов тяжелее гелия. В 1948 г. они напечатали статью в журнале Nature, где привели полученные ими оценки современной температуры Вселенной, но не сумели четко обосновать свои достижения{6}. В их статье содержались основополагающие идеи, касающиеся ранней Вселенной, а также исправления некоторых ошибок, допущенных Гамовым в одной из предыдущих публикаций. Однако, как отмечалось чуть выше, им не удалось объяснить возникновение ни одного из существующих в природе стабильных изотопов с атомным числом более 5, хотя именно это было ключевым моментом в поставленной ими же проблеме. Несмотря на это, работа Альфера и Германа содержала много очень интересных новых результатов, включая расчет плотности вещества в расширяющейся Вселенной. Однако из-за отсутствия объяснения механизма рождения тяжелых атомов ее сочли ошибочной и неудачной. К несчастью, в результате этого предложенные ими в тексте статьи оценки и расчеты температуры космоса также были сочтены недостойными внимания или неверными.

Отношение к статье усложнялось еще и тем обстоятельством, что вычисленное авторами значение температуры космоса не совпадало даже с результатами, которые получили раньше Гамов и его сотрудники. Дело в том, что Гамов предпринял смелую попытку связать проблему возникновения элементов со своей предыдущей работой по формированию звезд и предположил, что температура Вселенной и межзвездного вещества должна лежать в диапазоне от 5 °К до 50 °К. Такая неопределенная оценка сделала предсказания Альфера и Германа еще менее значимыми. Исследователи, занятые проблемой происхождения элементов (Гамов, Альфер, Герман и их сотрудники), напечатали в 1948 г. 11 статей по этой тематике. Несмотря на внушительное число публикаций, ни в одной из статей авторам так и не удалось решить космохимическую проблему возникновения тяжелых химических элементов, а между тем за это время научное сообщество сумело забыть и упомянутые предсказания Альфера и Германа. Описанное «несчастное» стечение обстоятельств может служить наглядным примером того, какие сложности иногда возникают на пути признания радикальных научных идей до получения общего признания и какую важную роль в этом играют ненаучные факторы. Мы видим яркий пример того, что целое научное сообщество не замечало исключительно важный результат в течение более 20 лет, и как результат этого появилось несколько тщательно выполненных исследований, авторы которых пытались понять, каким образом могла произойти такая очевидная ошибка в оценке столь важных новаторских идей. Очевидно, что за давностью лет невозможно ex post facto восстановить все тонкости личных отношений между Альфером, Германом и другими их участниками, однако космолог Джеймс Пиблс попытался внимательно проследить историю всех этих связанных научных публикаций в своей подробной статье с удачным названием «Открытие горячего Большого взрыва: Что произошло в 1948 г.» (Discovery of the Hot Big Bang: What Happened in 1948). Этой истории посвящена книга Джона Мазера и Джона Бослоу «Самый первый Свет» (The Very First Light){7}, пытавшихся глубоко вникнуть в суть событий. Все авторы попыток их реконструкции приходят к единому выводу: Альфер и Герман действительно в своей статье 1948 г. в журнале Nature смогли первыми оценить температуру реликтового излучения и идентифицировать ее в качестве температуры Вселенной.

Рассуждая умозрительно, можно легко объяснить формальными причинами тот факт, что другие ученые не заметили ценную информацию. Прежде всего, важнейшая статья Альфера и Германа формально была посвящена вовсе не температуре космоса, а образованию химических элементов в ранней Вселенной. Вследствие чего оценка этой температуры выглядела в ней лишь побочной темой, а статья не содержала рекомендаций для поиска или регистрации этой температуры или же проверки предсказываемых значений. Впрочем, если бы кто-то и обратил внимание на статью 1948 г., это не имело бы никакого практического значения, так как предсказанное значение температуры было слишком мало для экспериментальных измерений. В результате первые серьезные попытки ее измерения начались гораздо позднее. В упомянутой книге Мазера и Бослоу отмечается, что в 1948 г. такое измерение технически было уже возможно, но сопряжено с большими сложностями. Такую попытку предпринял Роберт Дикке, физик из Принстонского университета, но он сам не заметил, что был очень близок к измерению температуры Вселенной. Дикке осуществлял проект по измерению температуры черного тела для Солнца и Луны. Он увидел, что при измерениях теплового излучения возникают ошибки, связанные с влиянием земной атмосферы. Дикке и трое его коллег в 1946 г. (то есть еще за два года до «взрыва» публикаций группы Гамова, Альфера и Германа) опубликовали на эту тему специальную статью, где сообщали: уровень излучения подразумевает, что температура верхней атмосферы не превышает 20 °К (примерно –253 °C). Авторы статьи также сочли соответствующий этой температуре сигнал слишком слабым для прямой регистрации радиометром{8}. Дикке, пытавшийся провести такие же измерения во Флориде, потерпел неудачу и вскоре вообще потерял интерес к проблеме. Так как сама идея существования некоей температуры космоса оставалась неясной в общей схеме понятий астрофизики, ее игнорировали долгое время. Кроме того, за температуру космоса зачастую принимали температуру верхней атмосферы или межзвездного вещества. Недостаток концептуальной ясности в предмете исследований также не способствовал успеху исследований. По иронии судьбы, как мы увидим ниже, именно Дикке изобрел прибор, позволивший провести важнейшие измерения!

Часть этой проблемы была связана с чрезмерной специализацией и отсутствием взаимодействия между разными научными областями астрономии и физики. Герман и Альфер занимались астрофизикой звезд, отдельной образовательной дисциплиной, которая воспринималась как мало связанная с космологией. Хельге Краг в своей книге «Космология и полемика» (Cosmology and Controversy) считает, что предлагаемые Гамовым, Германом и Альфером в разных работах противоречивые и разнообразные значения температуры Вселенной только запутали астрономов[25]. Кроме того, оставалось неясным, имеет ли данная температура действительно космическое происхождение или она включает в себя какие-то воздействия от излучения звезд. Эта путаница в определениях и интерпретациях возникла очень давно, и, возможно даже, именно она привела к тому, что не была установлена точная дата самой первой истинной регистрации реликтового излучения, произошедшей еще до попыток Дикке. Дело в том, что, как выяснилось позднее, еще в 1941 г. температуру Вселенной измерил (не осознавая этого факта) канадский физик Эндрю МакКеллар. Он изучал так называемый углеродно-азотный цикл в качестве потенциального источника энергии в углеродных звездах и в процессе исследований обратил внимание на излучение токсичных органических соединений класса цианогенов (содержащих азот и углерод), присутствие которых было зарегистрировано в излучении хвоста кометы Галлея еще в 1910 г. Изучая спектры излучения таких молекул в космическом пространстве для выяснения их функций и происхождения, МакКеллар вдруг обнаружил, что эти ядовитые цианогены являются исключительно холодными и их температура составляет лишь 3 °К (–270 °C). На регистрацию этой странной, абсурдно низкой и кажущейся «эзотерической» температуры космоса никто не обратил никакого внимания. Краг полагает, что Герман и Альфер допустили еще одну ошибку, не обсуждая и не рассматривая вопрос о том, каким образом должна оцениваться измеряемая ими температура. Например, в своей статье 1948 г. в журнале Nature они не смогли рассчитать и представить точную длину волны, на которой космическая температура могла быть зарегистрирована. Герман и Альфер не представили даже кривую спектра излучения черного тела. Они забыли упомянуть, что космическая температура должна быть измерена в микроволновом диапазоне, и поэтому Краг считает (и я согласна с ним), что это упущение помешало экспериментально обнаружить фоновое излучение. Отсутствие указания на микроволновую область помешало астрономам соединить точки на полученных кривых. Все расчеты Германа и Альфера были проведены в контексте изложения, принятого в совершенно непривычной для астрономов области знаний (ядерной физике). Космологи просто не смогли их правильно интерпретировать{9}.

Как уже говорилось, Герман и Альфер пытались теоретически описать процесс образования химических элементов в ранней Вселенной, и это поставило их в невыгодную позицию. Они не только не искали температуру ранней Вселенной, но на каком-то уровне сознания, похоже, и не верили, что кто-то может ее обнаружить. Найденное ими значение противоречило начальной гипотезе Гамова. Ученые поняли, что в первые несколько минут после зарождения Вселенной существовало очень узкое временно́е окно, в течение которого водород и гелий могут сливаться и образовывать более тяжелые элементы. Затем оно «закрывается» вследствие быстрого охлаждения из-за расширения Вселенной, что делает дальнейшее слияние (и образование тяжелых элементов) почти невозможным. Несмотря на публикацию ценных результатов, некоторым специалистам казалось, что авторы скорее деморализованы тем, что не могут решить поставленную перед собой фундаментальную проблему.

Можно указать также несколько других чисто практических причин, по которым важных открытий не было. Идеи Германа и Альфера не оказали должного воздействия на научную общественность и постепенно утратили значение. Ученые оставили академическую карьеру из-за капризов на этом рынке и начали работать в исследовательских лабораториях фирм General Electric и General Motors, соответственно. Герман и Альфер отдалились от научного мира и стали печататься лишь изредка, отвлекаясь от своих повседневных обязанностей по работе в компаниях. Это означало, что они больше не возглавляли исследовательские группы, занятые поиском возможностей применения открытий (эту деятельность обычно осуществляет целая армия подготовленных постдоков и студентов-докторантов, и она необходима университету для обеспечения ученому постоянной работы с гарантированным продлением контракта). Герман и Альфер оторвались от среды, где могли иметь учеников и протеже, работающих под их руководством и распространяющих их идеи, что и помогает установить своеобразную легитимность в научной деятельности. Научные идеи, подобно товарам, нуждаются в рекламе, пропаганде и распространении. Без эхо-камер, создаваемых в интеллектуальной среде студентами-выпускниками, аспирантами и постдоками, любые идеи ослабевают и отмирают. Кроме того, имело важность и то обстоятельство, что в 1940-х и 1950-х гг. многие специалисты еще сомневались в убедительности теории горячего Большого взрыва. Реликтовое излучение было сложным образом связано именно с этой моделью и фактически стало одним из ключевых доказательств ее справедливости. Так как Герману и Альферу не удалось объяснить происхождение химических элементов в контексте модели Большого взрыва, это не помогло переубедить ее хулителей.

Еще одним препятствием для полного признания справедливости модели горячей Вселенной стали проблемы оценки возраста Вселенной. Астрономы оценивали его, сопоставляя скорость расширения Вселенной с ее наблюдаемыми размерами. Измеряя скорость расширения по Хабблу, они оценивали ее возраст в 2 млрд лет, в то время как геологи уже давно обнаруживали на Земле породы на несколько миллиардов лет старше. Это создавало головоломку. Модель горячего Большого взрыва казалась неполным, если не неадекватным, описанием Вселенной. Кроме того, в теории оставался неясным и весьма каверзный вопрос о начале Вселенной, то есть о том, каким образом и почему смогли возникнуть необходимые для взрыва начальные условия.

В конце 1940-х гг. и начале 1950-х гг. с теорией горячего взрыва стала соперничать разработанная в Кембридже тремя известными учеными (Герман Бонди, Томас Голд и Фред Хойл) модель устойчивого состояния Вселенной. Она обладала некоторой философской привлекательностью. Модель содержала концепцию вечной Вселенной. Это позволяло ее сторонникам избегать обсуждения неудобных вопросов о начале Вселенной и о том, что происходило до Большого взрыва. Предсказанное Альфером и Германом чернотельное реликтовое излучение было несовместимо с положениями стационарной космологии, что также стало одной из причин того, что это излучение было забыто примерно до 1965 г.

Одним из значительных факторов потери важной идеи был общий интеллектуальный климат эпохи. Мысль об исходном взрыве, приводящем к возникновению расширяющейся Вселенной, еще просто не воспринималась в качестве серьезного научного утверждения, а к космологии вообще многие относились скептически. Это отношение объяснялось тем, что космология (в отличие от других разделов физики) не позволяла осуществлять контролируемые эксперименты, а все измерения в космических масштабах страдали от непредсказуемых ошибок. Поэтому космология не казалась научной общественности традиционной наукой. Интеллектуальное пространство космологии довольно быстро стало изменяться, причем именно случайное обнаружение реликтового излучения сильно ускорило этот процесс. И наконец, нам следует помнить, что любой идее (особенно радикальной) для созревания требуется какое-то время, чтобы сложились благоприятные условия, после чего она может быть легче воспринята научной общественностью, если данная идея верна{10}.

Как будет рассказано ниже, это выдающееся открытие, значительно расширившее наши знания о ранней Вселенной, смогло осуществиться только благодаря счастливой случайности, причем связанной с совершенно иной областью науки. У физиков есть шутливая поговорка о том, что шум, издаваемый одним человеком, представляет собой сигнал для другого. Смысл фразы в том, что какой-то нюанс в ответе на научный вопрос может оказаться исключительно важным и неожиданным ответом на совершенно другой вопрос. В нашем случае это буквально соответствует ходу событий, поскольку первое зарегистрированное измерение реликтового излучения было сделано двумя физиками, которые вообще не занимались этой проблемой.

В 1964 г. два талантливых физика, Арно Пензиас и Роберт Вильсон, занимались настройкой рупорной антенны в местечке Крофорд-Хилл (Холмдел, штат Нью-Джерси). Физик-экспериментатор Пензиас закончил докторантуру в Колумбийском университете и уже три года работал в Bell Labs — амбициозный и проницательный ученый, легко схватывающий общую картину любой проблемы, с которой ему приходилось сталкиваться. Вильсону было 27 лет, он только что получил докторскую степень в Калтехе по теории стационарного состояния и только что присоединился к Bell Labs. Этот старательный, аккуратный, вдохновляющий и внимательный человек, с репутацией классного специалиста по аппаратуре, тщательно следил за детальным ходом исследований. В работе над докторской диссертацией Вильсон занимался картографированием Млечного Пути, используя радиоизлучение на длинных волнах. Он слабо представлял себе, с чем ему придется столкнуться при составлении полной карты космоса.

Пензиас и Вильсон использовали антенну в Крофорд-Хилл в качестве телескопа, изучая на небе источники излучения не в оптическом диапазоне, а в области радиоволн. Радиочастотное излучение представляет собой часть всего спектра электромагнитных волн (куда входит и область видимого света) с длинами волн от нескольких миллиметров до примерно десяти метров. Такие волны могут проникать в земную атмосферу и распространяться в ней без отражения и затухания. Радиоволны были открыты Генрихом Герцем еще в 1887 г., а в 1930-х гг. Карлу Янски удалось первым зарегистрировать радиоизлучение, приходящее из центра нашей Галактики при помощи длинной антенны, построенной им в Холмделе (штат Нью-Джерси). Астрономическое научное сообщество до этого пользовалось лишь оптической аппаратурой — линзами и спектрографом — и поэтому не оценило сразу новое окно во Вселенную. Однако после Второй мировой войны, когда был изобретен радар (слово «радар» представляет собой акроним английского выражения radio detection and ranging — «радиообнаружение и измерение дальности»), большое число физиков и инженеров, которые разрабатывали оборудование и обучали им пользоваться, увидели возможности нового инструмента для исследований в астрономии. Это подогрело интерес к поиску большего числа космических радиоисточников.

Телескоп в Крофорд-Хилл, на котором работали Пензиас и Вильсон, имел очень чувствительный приемник радиосигналов (соединенный через усилитель) с коммуникационной системой Echo, созданной фирмой Bell Labs в 1960 г. Система принимала сигналы, отраженные от двух больших металлических шаров, поднятых в верхние слои атмосферы, и позволяла передавать эти сигналы на большие расстояния. Ко времени, когда Пензиас и Вильсон приступили к своим измерениям, систему перестали применять по прямому назначению, так как коммуникации осуществлялись посредством спутников, а антенны радиотелескопа использовались для улавливания особо слабых сигналов, приходящих от потенциальных космических источников. Телескоп в Крофорде был настроен на частоту 4,989 МГц, что было очень удобно для измерений в микроволновом диапазоне. Для того чтобы найти и выделить предельно слабые радиосигналы, ожидаемые от еще не обнаруженных астрономических объектов на таких частотах, Пензиас и Вильсон должны были прежде всего исключить все возможные источники помех, которые могли мешать их регистрации.

Несмотря на все усилия, Пензиасу и Вильсону никак не удавалось идентифицировать и изолировать фоновые шумы, постоянно возникающие и регистрируемые их чувствительной аппаратурой. В качестве источника помех сигналов они рассматривали и изучали излучение Земли, колебания молекул в верхних слоях атмосферы, влияние работы элементов установки и даже помет двух голубей, свивших гнездо на антенне. Помехи продолжали возникать независимо от сезона и направленности антенны, что ставило исследователей в тупик. Они никак не могли выяснить причину шумов и, следовательно, не могли ничего предпринять для их устранения. Однородный в пространстве и по времени шум казался равномерно распределенным по небосводу и не имел выделенной направленности. Температурный эквивалент этого слабого радиоизлучения составлял примерно 3 °К.

Вернувшись с астрофизической конференции в декабре 1964 г., Пензиас обсудил проблему этого постоянного шумового излучения с коллегой-радиоастрономом Бернардом Берком, который показал ему статью молодого теоретика Джеймса Пиблса{11}, работавшего в Принстоне под руководством Роберта Дикке. Родившийся в 1916 г., Дикке считался авторитетным и многосторонним исследователем, причем пользовался мировой известностью и как экспериментатор, и как теоретик, заслужив эту репутацию в годы войны, когда работал в Радиационной лаборатории MIT. Он был энергичным и красноречивым человеком, с одинаковым успехом умевшим проектировать и создавать электронные схемы и решать сложные математические уравнения. Кстати, ему почти удалось создать лазер. В 1958 г. Чарльз Таунс и его сводный брат Артур Шавлов подали патентную заявку на изобретение мазера (слово «мазер» возникло из акронима «microwave amplification by stimulated radiation», что означает «усиление микроволн стимулированным излучением»). В этой связи можно напомнить, что двумя годами раньше, в 1956 г., Дикке получил патент на очень похожее устройство, которое, однако, работало в другом диапазоне волн (инфракрасный лазер). Предложенное Таунсом и Шавловым устройство могло действовать в значительно более широком диапазоне волн, в отличие от прибора Дикке, который был ограничен инфракрасным диапазоном. Таким образом, несмотря на полученный патент в 1958 г., большая часть славы изобретения лазера не досталась Дикке. Причем этот случай не единственный в его биографии, когда он оказывался очень близко к великому открытию.

Дикке удалось независимо от других предсказать существование всепроникающего фонового микроволнового излучения, и он настойчиво вдохновлял своего протеже в Принстоне, Пиблса, на проведение дальнейших детальных расчетов в этом направлении. В контексте используемой им модели горячего Большого взрыва Пиблс рассчитал, как исходный огненный шар, из которого началась Вселенная, породил реликтовый фон радиоволн. Этот отпечаток Большого взрыва, как он считал, однородно заполнил все пространство Вселенной и приобрел устойчивую и обнаружимую температуру, равную примерно 10 °К и «даже ниже 3,5 °К»{12}. Он также отметил, что реликтовое излучение будет казаться постоянным шипением для чувствительного радиотелескопа. Пиблсу и Дикке было неизвестно о существовании расчетов и предсказаний Гамова, Альфера и Германа в публикациях 1940-х гг., так что они фактически повторно открыли реликтовое излучение.

В то самое время, когда Пензиас и Вильсон ломали голову над происхождением странных помех, регистрируемых их установкой, а Пиблс и Дикке размышляли о реликтовом излучении, в их соперничество вмешались два русских физика. Игорь Новиков и Андрей Дорошкевич прочли статьи группы Гамова, перепроверили полученные в них результаты и также сделали ряд конкретных наблюдательных прогнозов по детектированию фонового излучения, реликта Большого взрыва. Несмотря на то что они были теоретиками, им удалось оценить возможности регистрации предсказываемых слабых сигналов. В 1964 г. они опубликовали короткую статью в советском журнале «Доклады Академии наук»[26], в которой заявили, что предсказываемый Альфером, Германом и Гамовым микроволновой радиофон может быть детектирован и что для этой цели по своим техническим характеристикам идеально подходит чувствительный радиотелескоп именно в Крофорде (Холмдел). Разумеется, как и следовало ожидать, Пензиас и Вильсон (увы) ничего не знали о статье в «Докладах», поскольку связь между учеными США и СССР в те годы была малоактивной и неэффективной. Кроме того, как обычно, сыграла свою роль и вечная вражда между теоретиками, наблюдателями и экспериментаторами.

Пензиас в это время связался с Дикке и пригласил его в Холмдел для изучения своей аппаратуры и обсуждения проблемы таинственных и постоянных помех в регистрируемых сигналах. Дикке привез с собой всю свою группу, включая двух других протеже из Принстона (физиков-экспериментаторов Питера Ролла и Дэвида Уилкинсона), которые в этот момент как раз заканчивали наладку собственного радиоприемного устройства для регистрации предсказываемого Пиблсом реликтового излучения. Следуя его теоретическим расчетам и ожиданиям, группа Дикке занялась поиском загадочного сигнала. Реликтовое излучение не обмануло их ожиданий и оказалось Розеттским камнем истории Вселенной — ключом к расшифровке тайн происхождения космоса. Не трудно вообразить, какие смешанные чувства должен был испытывать Дикке, изучая полученные Пензиасом и Вильсоном данные, так как радостное возбуждение от выдающегося открытия, должно быть, смешивалось у него с глубоким разочарованием в том, что это открытие произошло именно тогда, когда он и его группа были сами мучительно близки к успеху в разгадке этой тайны природы. Дикке сразу понял, что зарегистрированный Пензиасом и Вильсоном сигнал действительно представляет собой реликтовое излучение и является убедительным свидетельством в пользу модели горячего Большого взрыва. Однако сами Пензиас и Вильсон скептически относились к данной модели, поскольку она резко противоречила той теории стационарной Вселенной, на идеи которой они опирались в процессе всей работы. Поэтому Пензиас и Вильсон решили опубликовать в статье полученные результаты без какого-либо обсуждения теоретических вопросов. Не связанные также моделью Большого взрыва, они были счастливы доложить полученные результаты без ссылок на модель, которая все еще оставалась чуждой их точке зрения. Кроме того, осторожный Вильсон, которому модель стационарной Вселенной, по-видимому, все еще казалась привлекательной, чувствовал, что, поскольку у них пока мало экспериментальных данных, им следует в своей публикации вообще избегать рассмотрения достоинств разных моделей и ограничиться сообщением о результатах наблюдений. Их открытие сводились к регистрации одной-единственной (но самой первой) точки, лежащей на предсказанной гладкой кривой излучения черного тела для реликтового излучения.

В этих обстоятельствах группы пришли к соглашению и опубликовали сообщение об открытии одновременно в двух напечатанных одна за другой статьях. В первой Пензиас и Вильсон сообщали об открытии и публиковали полученные данные, а во второй Дикке и члены его группы описывали фоновый сигнал в качестве реликтового излучения Большого взрыва. По иронии судьбы одним из запатентованных лично Дикке устройств оказался радиометр, то есть именно тот умный электронный прибор, который позволил регистрировать сверхслабые радиосигналы и отделять их от фонового излучения. Именно этот прибор был установлен на радиотелескопе в Крофорде, где и было детектировано реликтовое излучение. Дикке подобрался исключительно близко к открытию, причем одновременно как со стороны теоретического понимания эффекта, так и со стороны его экспериментального измерения. Этот повторный трагический промах в научной карьере стал, безусловно, большим ударом для Дикке, когда в 1978 г. Пензиас и Вильсон стали нобелевскими лауреатами за открытие реликтового излучения, возникшего в момент рождения Вселенной[27]. Конечно, если бы Дикке знал о ранней работе Альфера и Германа, он мог бы начать поиски гораздо раньше и разделил бы награду с Пензиасом и Вильсоном.

Пятница 26 марта 1965 г. оказалась судьбоносной для этих групп ученых, занятых сложными исследованиями в одной и той же области науки независимо друг от друга (но довольно близко географически, на расстоянии около 30 км). Когда в этот день они наконец встретились, никто из них не знал о существовании еще более ранних расчетов реликтового излучения, осуществленных МакКелларом, а также Альфером и Германом. Такие противоречивые ситуации всегда выглядят интригующе, и по этому поводу было высказано много умозрительных соображений («а что, если бы?..»). Открытие реликтового излучения определенно является примером события, результаты которого (при малейшем изменении начальных условий, как говорят математики) могли бы совершенно изменить судьбу многих людей, принимавших в нем участие. С интеллектуальной и научной точки зрения понятно, что более раннее открытие или обнаружение излучения позволило бы раньше обосновать модель Большого взрыва и покончить с уже изрядно надоевшей моделью стабильной Вселенной. В личном плане понятно, что созвездие нобелевских лауреатов выглядело бы совсем по-другому, а ведь Нобелевскую премию в науке можно сравнить лишь со средневековой церемонией акколада — посвящением в рыцарство.

Статья Пензиаса и Вильсона объемом в одну страницу под скромным заголовком «Измерение фоновой температуры антенны на 4080 МГц» (A Measurement of Antenna Excess Temperature at 4080 Mc/s) была опубликована 1 июля 1965 г. в Astrophysical Journal{13} и стала одним из важнейших новаторских достижений науки XX в. После публикации отношение астрономов и астрофизиков к модели горячего Большого взрыва изменилось за одну ночь, однако Дикке эмоционально оставался верным старой модели Вселенной. Все знали, что он предпочитает теорию и модель осциллирующей Вселенной (вариант эволюции Вселенной, предложенный в 1930-х гг. космологом Ричардом Толменом из Калтеха), поскольку Дикке с философской точки зрения казалась сомнительной идея возникновения Вселенной из ничего и в единый миг времени. В противоположность этому модель осциллирующей Вселенной включает в себя циклы охлаждения и нагревания, вследствие чего возникновение излучения удобно совмещается с началом цикла расширения из некоторого горячего и плотного состояния.

Возбуждение общественности в связи с описанным замечательным открытием было столь велико, что редакция Astrophysical Journal допустила утечку информации в СМИ, в результате чего 21 мая 1965 г. на первой полосе газеты The New York Times была напечатана статья под заголовком «Сигнал свидетельствует о рождении Вселенной в результате Большого взрыва» (Signals Imply a «Big Bang» Universe). Хотя самому Дикке нравилась идея расширяющейся Вселенной с разлетающимися вдаль галактиками, напоминающая картину, которую наблюдал когда-то Хаббл, он все же предпочел бы, чтобы галактики позднее вновь как-то объединялись. Научный обозреватель Уолтер Салливан писал позднее, что «Дикке и членам его группы хотелось видеть триумф идеи осциллирующей Вселенной». Ранее, в рассказе об Эйнштейне, уже отмечалось, что некоторым людям трудно избавиться от эмоционального отношения к определенным научным идеям. Возможно, привязанность Дикке к осциллирующей Вселенной коренилась в его стремлении подтвердить то, что мы сейчас называем ключевым доказательством модели Большого взрыва. С другой стороны, для скептически относящегося к космологии Вильсона публикация отчета об истории исследования на первой странице The New York Times стала лишь доказательством более серьезного отношения общественности к космологии и к их с Пензиасом открытию реликтового излучения. Вильсон был прав: космология становилась все более зрелой наукой, постепенно превращаясь из спекулятивной, бесформенной области знаний в серьезную науку с экспериментально проверяемыми теориями.

Открытие реликтового излучения является одним из тех случаев в истории астрофизики, когда можно легко заметить недовольство исследователей обстоятельствами или просто невезением. Действительно, Альфер и Герман, первыми предсказавшие существование реликтового излучения (несмотря на некоторые допущенные ошибки), после описанной истории чувствовали себя несправедливо обойденными. Они не получили никакого признания своих заслуг. Еще раз повторю, что их невольная и частичная ошибка состояла в том, что они приняли решение опубликовать работу в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, куда астрономы и физики редко посылали для публикации свои статьи. Как можно было видеть на примере биографии Леметра, неудачный выбор малоизвестного журнала для публикации прорывного результата о расширении Вселенной препятствует его распространению и принятию. В наше время публикация результатов в журнале, пользующемся популярностью в астрономическом научном сообществе, является важным условием для восприятия новой идеи широкой общественностью. Несмотря на постоянное дробление науки на специализированные разделы, особым авторитетом пользуются материалы, публикуемые лишь в некоторых признанных изданиях. В любом случае Альфера и Германа сильно озадачил тот факт, что члены группы Дикке ничего не знали об их ранней работе. Выяснилось, что в свое время журнал Physical Review отказался принять к печати статью Пиблса с новыми расчетами, ссылаясь на то, что автор недостаточно информирован, так как он не цитировал эту раннюю работу. «Джим Пиблс знал о нашей работе, если только он не был невероятно тупым», — сказал Альфер. И далее отметил: «Пиблс получил от нас два отзыва о своей статье о фоновом излучении задолго до публикации Дикке — Пиблса — Ролла — Уилкинсона 1965 г.». Позднее выяснилось, что именно Альфер и Герман были теми рецензентами, которые отвергли предложенную Пиблсом статью. Что касается Дикке, то некоторой формой его извинения перед Альфером может служить тот факт, что его собственная работа была аналогичным образом отвергнута другими редакциями, и это было обычной практикой того времени. Такое объяснение Альфер посчитал недостаточным. Он полагал, что Дикке просто является «принстон-центричным» — то есть убежден, что «если что-то открыто не в Принстоне, то этого просто не существует». В качестве некоторой компенсации Пиблс и Уилкинсон опубликовали также статью в журнале Scientific American, в которой должным образом признавали раннюю теоретическую работу Гамова, Альфера и Германа, хотя, по мнению Пензиаса и Вильсона, она не давала еще достаточно оснований для экспериментальной проверки. Это оставило пару из Холмдела по-прежнему неудовлетворенной{14}. Конфликты и споры о приоритете публикаций и взаимном доверии в деле об открытии реликтового излучения нанесли много душевных ран трем первым основным участникам этой драматической истории (Гамову, Альферу и Герману). Попытки возмещения их потерь были предприняты лишь спустя десятилетия. Так, 27 июля 2005 г. президент США Джордж Буш наградил Альфера Национальной медалью за научные достижения, одной из высших наград для гражданских лиц. Награда имела формулировку «За беспримерную работу в области нуклеосинтеза, за предсказание расширения Вселенной с сохранением фонового излучения и за вклад в развитие модели Большого взрыва». Тем самым президент воздал должное заслугам Альфера. Впрочем, медаль он вручил его сыну, Виктору{15}, сам Альфер умер спустя несколько недель в возрасте 86 лет. Георгий Гамов умер в 1986 г., глубоко опечаленный тем, что его блестящие заслуги в исследовании ранней Вселенной остались неоцененными. В описанной выше истории открытия реликтового излучения Гамов является одним из самых трагических героев.

До обнаружения реликтового излучения физическое сообщество не принимало ни теории стационарной Вселенной, ни теории горячего Большого взрыва. В теории стационарного состояния Вселенной ее расширение компенсировалось необходимостью непрерывного создания вещества, так как лишь при этом условии Вселенная могла оставаться одинаково постоянной, без начала и без конца. Обе теории обладали своими преимуществами (и, соответственно, недостатками), и только открытие реликтового излучения позволило ученым вынести окончательную оценку. Теория Большого взрыва предсказывала наличие реликтового излучения, в то время как теория стационарной Вселенной не предсказывала, но и не отвергала возможность его существования, оставляя проблему нерешенной вплоть до возможного экспериментального подтверждения. Приблизительно в течение двух лет после открытия Пензиаса и Вильсона теория стационарной Вселенной впала в немилость. Хойл и некоторые другие ученые продолжали пытаться включить реликтовое излучение в улучшенные версии этой модели. Но все попытки провалились, поскольку само существование реликтового излучения было стержнем в системе доказательств, опровергавших теорию стационарной Вселенной.

Естественным продолжением открытия стало тщательное исследование реликтового излучения с целью выделить из полученных данных спектр излучения, изучить его и сравнить с предсказываемой теорией кривой излучения черного тела. Поскольку предполагалось, что реликтовое фоновое излучение чернотельно, форма кривой, описывающей распределение его полной энергии по всему диапазону длин волн, теоретически хорошо известна. Для проверки теории чернотельности требовалось провести независимые измерения для различных длин волн. Настало время выйти за рамки простого обнаружения и измерения одной точки в данных по температуре, но получить большее число экспериментальных данных с использованием более сложных и точных приборов. Поскольку сама идея о том, что реликтовое излучение является реликтом Большого взрыва со спектром черного тела, приобрела к этому времени общее признание, ученые приступили также к детальным теоретическим расчетам. Новые измерения надежно подтвердили гипотезу Большого взрыва и позволили глубже понять начальный период развития Вселенной. Общая энергия реликтового излучения превышает энергию излучения всех галактик и составляет около 99 % всего излучения, содержащегося во Вселенной.

Несмотря на успехи в моделировании ранней Вселенной, главный вопрос, поставленный с самого начала Гамовым — каким образом возникли тяжелые химические элементы, — пока остается без ответа. Сегодня мы уже понимаем, что плотный огненный шар, возникший в момент творения, то есть Большой взрыв, породивший «суп» из вещества и излучения, стал охлаждаться сразу после начала расширения Вселенной. В эту эпоху излучение доминировало над материей, то есть количество фотонов существенно превосходило число любых других частиц. Первыми из кварков сформировались протоны и нейтроны, а затем в течение трех первых минут из этих нейтронов и протонов стали образовываться ядра гелия, дейтерия и лития. Поскольку такое слияние (нуклеосинтез) требует очень высоких температур и плотности вещества (именно это обстоятельство создает одно из главных препятствий для реализации описанного процесса в лабораторных условиях), Вселенная очень быстро охладилась. Охлаждение должно сразу остановить синтез любых более тяжелых химических элементов, вследствие чего в первичной Вселенной никак не мог образоваться ни один из существующих в природе элементов тяжелее лития, седьмого элемента периодической таблицы. Похоже, именно в этом состояло упущение в расчетах Гамова, Альфера и Германа, так как тяжелые элементы природы формировались вовсе не на ранней стадии возникновения Вселенной, когда она выглядела подобно огненному шару, а гораздо позже, причем внутри звезд, природных ядерных реакторов.

Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва положительно заряженные ядра атомов начали объединяться с электронами, образуя нейтральные атомы, что и позволило материи и излучению разделиться и существовать далее во Вселенной отдельно друг от друга. Физики называют это процессом разделения материи и излучения. Освободившись от давления, связанного с излучением, материя начала слипаться под действием сил гравитации, образуя звезды и галактики, которые мы видим сейчас. Излучение освободилось первым, что заметно на примере реликтового излучения. Это излучение заполняет всю Вселенную, и оно представляет собой снимок Вселенной спустя 380 000 лет после начала. Наблюдения спутника COBE подтвердили, что Вселенная к моменту этого разделения действительно была очень похожа на абсолютно черное тело. Точные измерения незначительных искажений реликтового излучения обеспечили поддержку теории о том, как формировались и развивались в нашей Вселенной галактики, заполненные темной материей. Поэтому измерения температуры реликтового излучения — на самом деле измерения вариаций на уровне ничтожных величин, порядка миллионных долей градуса, — содержат в себе запечатленную информацию обо всех галактиках и других структурах, которые оно прошло в своем путешествии к нам.

После публикации работы Пензиаса и Вильсона среди астрономов началась ожесточенная гонка измерений параметров реликтового излучения на других длинах волн для получения всей кривой излучения черного тела. В конце 1970-х гг. это направление стало считаться очень важной темой исследований, в результате чего многие специалисты различных организаций занялись запуском воздушных шаров с аппаратурой, предназначенной для измерения фонового излучения. Целью этих работ было получение данных о фоновом излучении, свободных от искажений, вызываемых атмосферой Земли. Например, группа исследователей из Беркли сконцентрировалась на измерении коротковолновых (2 мм и меньше) сигналов реликтового излучения, чтобы проверить, насколько точно кривая излучения совпадает со спектром абсолютно черного тела. Эксперименты с воздушными шарами понадобились для изучения спектра на некоторых сложных для измерения длинах волн. Используемая аппаратура была очень хрупкой, так как заполняемые гелием специальные шары изготовлялись из особо тонкого пластика, толщиной всего в несколько тысячных сантиметра (вследствие чего они легко рвались), а измеряющие детекторы прикреплялись снизу. Конечно, это еще не все. После всего электронные реле должны работать, а измерения необходимо передавать на землю для анализа. При этом возникло даже трансатлантическое соперничество, так как в Англии группа исследователей в Колледже королевы Марии также занималась измерениями с использованием радиометров, запускаемых при помощи воздушных шаров[28].

Важнейшим инструментом, который стал катализатором в открытии реликтового излучения, стал радиометр, изобретенный Дикке. Основной принцип его работы заключается в том, что ток шума, создающий тепло в резисторе электрической цепи, сам является прямым показателем температуры резистора. Поместив такой прибор в замкнутую полость и выведя наружу улавливающую излучение антенну, можно создать высокочувствительный термометр. Эту «антенную» температуру можно легко измерять, просто следя за температурой резистора, к которому антенна присоединена{16}. Усовершенствованные варианты радиометра с 1946 г. получили широкое распространение благодаря возросшему после Второй мировой войны интересу к радиоустройствам. Именно такие радиометры были развернуты на воздушных шарах в исследованиях микроволнового космического излучения в 1960-х и 1970-х гг. Постепенно астрофизикам становилось ясно, что им необходимо зарегистрировать полный спектр излучения черного тела и что эту задачу удобнее решать в космосе, так как там отсутствуют помехи, связанные с прохождением излучения через атмосферу Земли. Подготовка к запуску спутника, специально спроектированного для регистрации реликтового излучения, началась с инициативы и соответствующего заявления НАСА, после чего в 1974 г. Мазер в числе других обратился с предложением о запуске спутника COBE. К этому времени у исследователей НАСА уже имелся опыт запуска и эксплуатации спутника Uhuru, предназначенного для проведения экспериментов с регистрацией в космосе рентгеновского излучения. Его миссия продолжалась с декабря 1970 г. до марта 1973 г. и вдохновила исследователей открыть еще одно «окно» в космос, на этот раз в области микроволнового диапазона.

Открытое Пензиасом и Вильсоном реликтовое излучение и ряд данных, полученных другими группами в ходе исследований с использованием воздушных шаров и наземной аппаратуры, дали ученым серьезные доказательства в пользу теории Большого взрыва. За 26 лет, прошедших с момента, когда спутник COBE провел первые точные измерения, было запущено еще два специально спроектированных спутника, которые уже завершили свои миссии и позволили получить более детальную картину Вселенной — слабо различимые отпечатки на спектре реликтового излучения. Первым таким спутником стал космический зонд «Зонд по изучению анизотропии микроволнового излучения» (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP, названный в честь ученика Дикке, который скоропостижно скончался в 2002 г.), а вторым был европейский спутник Planсk, названный в честь великого немецкого физика Макса Планка.

Полученные результаты позволили существенно дополнить наши знания относительно горячего Большого взрыва, а также проверить некоторые модели элементарных частиц и парадигмы, связанные с формированием общей структуры Вселенной. В настоящее время предполагается, что она возникла из-за мелких флуктуаций распределенного вещества в самые ранние эпохи. В нашей Вселенной, где доминирует темная материя, гравитация усиливает эти крошечные начальные флуктуации и неоднородности, породившие скопления массы, из которых в конечном итоге образовались первые звезды и первые галактики. Скучивание вещества и последующее слияние, которые привели к образованию галактик, оставили отпечатки в реликтовом излучении. Вариации температуры на минимальном уровне в одну миллионную долю коррелирует с распределением вещества, через которое прошло реликтовое излучение за время его длительного распространения во времени и пространстве. Миссии, которые последовали за COBE, выявили эти невероятно слабые образы горячих и холодных пятен с высокой точностью. Помимо изображений пятен реликтовое излучение содержит и другую информацию, которая подтверждает его первичное происхождение. Сейчас астрономы умеют обнаруживать и объяснять малейшие неоднородности. Реликтовое излучение оказалось чрезвычайно однородным, вследствие чего разница в значении температуры для двух измеряемых точек заметна лишь в пятом знаке после запятой. Физик Деннис Сиама предположил, что при движении Земли через реликтовое излучение должен проявляться доплеровский сдвиг (о котором говорилось выше при рассмотрении открытий Хаббла), причем сдвиг частоты должен составлять около одной тысячной, из-за чего температура излучения должна быть немного (примерно на одну тысячную) выше в направлении по курсу движения. И наоборот, позади движения температура будет ниже. Это предсказанное отклонение от однородности распределения температуры может быть измерено. Cамо реликтовое излучение в этом случае можно рассматривать в качестве своеобразного «космического эфира», заполняющего всю Вселенную. Возникающие при этом специфические вариации температуры излучения на небесной сфере были названы дипольной анизотропией. Уже в начале 1970-х гг. обнаружение дипольной анизотропии стало считаться очень важной задачей, и ее пытались решить, используя передовые технологии, которые включали наземные телескопы и воздушные шары. При таких измерениях было очень важно тщательно измерить движение Земли, потому что только тогда могли проявиться другие источники неоднородности, являющиеся ключом к построению всего космологического здания.

Предложение Мазера о проекте COBE последовало в ответ на обращение НАСА к ученым с призывом использовать новые идеи для экспериментов в космическом пространстве. Разработка и применение технически совершенного инструментария сочетались со сложностью теории, которую требовалось проверить. К тому времени уже были разработаны детальные теории формирования структур. Кульминацией стала теория формирования галактик, наблюдаемых сейчас во Вселенной. Физики Яков Зельдович и Роберт Харрисон независимым образом предсказали, что эволюция малых флуктуаций плотности вещества при формировании структур во Вселенной с доминированием холодной темной материи должна оставлять свой след на фотонах излучения, двигающихся в пространстве. Формирующиеся галактики должны были привести к малым флуктуациям температуры реликтового излучения. Такие теоретические расчеты теперь можно было с высокой степенью точности проверить в рамках теории, проработанной ранее Пиблсом. Поэтому, как только эта парадигма холодной темной материи будет подтверждена, можно делать более сложные проверяемые прогнозы. Возникла возможность описания процесса эволюции всего вещества (то есть и обычной, и темной материи) во всей его сложности и с учетом взаимодействия с пролетающими фотонами излучения с помощью численного моделирования, позволяющего затем вычислять ничтожные отклонения температуры реликтового излучения. Отметим еще раз: численное моделирование стало незаменимым и мощным средством для отбора и проверки моделей в сочетании с наблюдательными измерениями. Как и в случае с темной материей, возрастание сложности и чистой вычислительной мощности, которые были частью компьютерной революции, оказалось критически важным для высокоточных предсказаний по модели, применяемой для интерпретации спутниковых данных.

Высокочувствительная аппаратура на борту спутника COBE позволила зарегистрировать те ничтожные колебания температуры реликтового излучения, вызванные влиянием материи за время путешествия через космическое пространство. Я до сих пор живо вспоминаю, как, будучи студенткой, в маленьком, забитом публикой лекционном зале MIT слушала на семинаре в 1989 г. доклад Джорджа Смута, главного исследователя программы дифференциального микроволнового радиометра, установленного на борту спутника COBE. Полученные результаты внушали благоговение. Данные со спутника COBE настолько точно ложились на гладкую теоретическую кривую излучения черного тела, что на рисунке ошибки измерения оказывались меньше толщины линии, прочерченной принтером. Физики пребывали в эйфории, а каждая крупная газета сообщала об открытии торжественными заголовками. Например, в The New York Times статья была озаглавлена так: «Ученые сообщают о глубоком понимании того, как начиналось время» (Scientists Report Profound Insight on How Time Began); или в лондонской The Independent: «Как начиналась Вселенная?» (How the Universe Began){17}.

После открытия и измерения характеристик реликтового излучения космология, которую давно уже тревожили серьезные неопределенности в описании самых важных параметров и свойств Вселенной, таких как ее возраст и постоянная Хаббла, стала точной наукой. До миссии спутника COBE (и последовавших за ним спутников WMAP и Planck) космология имела репутацию спекулятивной и даже считалась несколько незрелой по сравнению с другими областями физики, такими как физика элементарных частиц, где уже давно использовались развитые количественные методы исследований, а вычисления с точностью до 14-го знака после запятой стали привычными. Запуск COBE ознаменовал начало эры точной космологии и ее превращение в уважаемую область знаний. К этому же времени — 1980-е и 1990-е гг. — в космологии наладилось плодотворное синергетическое взаимодействие между теоретиками и астрономами-наблюдателями.

Космологи не могут, конечно, манипулировать в лабораториях с объектами своих исследований. Однако, несмотря на это принципиальное ограничение — неспособность осуществлять контролируемые эксперименты, космология после измерений реликтового излучения заслужила легитимность в качестве количественной науки. Ее развитие привело к взрывному росту высокоточных данных о начальном периоде развития Вселенной, которые позднее были дополнены данными, полученными с использованием аппаратуры, установленной на спутниках WMAP и Planck. Разрешающая способность приборов спутника WMAP, запущенного в 2001 г., была в 30 раз выше, чем у приборов спутника COBE, а у приборов спутника Planck (2009) она возросла еще в 2,5 раза в дополнение к увеличению числа частотных каналов с повышенной чувствительностью. Наши познания о тонкостях взаимодействия вещества и излучения в истории космоса после запуска спутника Planck будут расти феноменально. В настоящее время границы исследования реликтового излучения лежат в области поляризации. Поляризация волн излучения означает свойства волн, подобно свету, колебаться более чем в одном направлении.

Читатель может вспомнить известный в физике фокус с исчезновением лампы или другого источника света при рассмотрении через поляризационный фильтр. Яркий источник перестает быть видимым при повороте поляризационного фильтра на 90°, так как блокируется свет, поляризованный в одном направлении. Поляризация наблюдается даже в диапазоне микроволнового и рентгеновского излучения. Невероятно, но поляризационные свойства реликтового излучения могут быть измерены, и именно эти измерения стали сейчас наблюдательным вызовом на границе исследований. Измерения этих отпечатков смогут рассказать нам много больше о младенческой жизни Вселенной.

Как уже отмечалось выше, новые идеи и задачи потребовали развития и дальнейшего совершенствования измерительных приборов. Необходимость специальных навыков и опыта для выполнения таких, более сложных, измерений реликтового излучения повлияла на профессиональную структуру и повседневную практику космологических исследований. Как отмечает историк науки Питер Галисон, разделение труда в физике элементарных частиц уже привело к созданию новых профессиональных «зон занятости», которые переопределили процедуру экспертизы. Исследования реликтового излучения в космологии также привели к созданию таких зон между теорией, разработкой оборудования и экспериментом. Чтобы выполнить миссии по изучению реликтового излучения, потребовалось сотрудничество трех различных сообществ: инженеров, которые создавали инструменты, ученых, обрабатывавших измерения, и теоретиков, которые интерпретировали данные. Этот процесс начался давно, еще с тех времен, когда Дикке и его команда в Радиационной лаборатории MIT сами стали представлять такую необычную рабочую зону — необычную как в смысле поиска знаний, так и в смысле взаимодействия специалистов в одном физическом пространстве из ранее разделенных частей научного сообщества, начавших работать совместно. Как я упоминала выше, период с 1980-х гг. по 1990-е гг. стал в космологии новой стадией интеллектуального развития вследствие появления новых приборов, приводящих к новому разделению работы в процессе исследования. Галисон отмечает, что существование упомянутых «зон занятости» изменило не только практику проведения научной работы, но также и сам характер создания и обсуждения возникающих новых научных идей и предложений{18}.

Уровень сложности используемой аппаратуры к этому времени настолько возрос, что дискуссии и сопротивление сторон перестали быть решающими факторами в борьбе или столкновении научных идей. Это справедливо и для космологии и объясняет, почему характер сопротивления научного сообщества, описанный в данной главе, настолько принципиально отличается от истории с черными дырами, связанной с противостоянием между Чандрой и Эддингтоном, или от развития идеи расширяющейся Вселенной, когда Эйнштейн наконец признал наблюдения Хаббла.

К 1990-м гг. уже трудно было представить, что простой клерк из патентного бюро, далекий от академической деятельности, смог стать признанным гением науки. Сейчас ученые — часть профессиональных кадров, которые получают стандартизованное образование, устоявшееся в течение XX в. Чувство удивления и любопытства теперь реализуется в частной работе среди членов большой команды. Такое изменение процесса возникновения научного знания вовсе не означает окончание споров и борьбы идей, просто вместо этого они принимают иной характер и выражаются по-новому. Сейчас эта борьба чаще сводится к обсуждению деталей обработки или калибровки данных, а также к тщательному изучению возможных причин ошибок измерения. Поскольку исследования в настоящее время проводятся большими группами ученых, столкновения между сотрудниками приобретают скорее ритуальный характер, хотя слава, заслуги и похвалы по-прежнему на кону.

В качестве примера можно рассмотреть протекавшие недавно дискуссии, связанные с заявленным измерением поляризационного сигнала реликтового излучения. WMAP увидел первые намеки на поляризацию. Сейчас возникла проблема более точного измерения силы и значимости сигнала, где учитывались бы все источники ошибок, которые могли бы его изменить. В марте 2014 г. команда для изучения внегалактической поляризации фонового излучения BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), проводившая точные измерения поляризации реликтового излучения с помощью радиотелескопа, установленного на Южном полюсе, объявила о своем драматическом открытии. Она созвала пресс-конференцию, где доложила об измерении сигнала с очень высокой степенью достоверности. Но картинка вихревой поляризации, наблюдаемой в реликтовом излучении, могла легко загрязниться пылью, с которой оно столкнулось в нашей собственной Галактике. С заявлением не согласились другие члены научного сообщества, вследствие чего команде BICEP пришлось объяснять, каким образом им удалось откорректировать сложное воздействие пыли в нашей Галактике, представляющей собой последнее «сито» на пути прохождения реликтового излучения перед его измерением. Характеристики свойств этой галактической пыли и ее влияния на измеренную поляризацию были поставлены под сомнение, особенно теоретиками Принстона. Основываясь на наследии Дикке, Принстон по-прежнему остается оплотом науки о реликтовом излучении[29]. Понимание эффектов воздействия космической пыли на излучение имеет важнейшее значение для описания поляризации сигнала и решения главного вопроса: возникла ли поляризация в самой ранней Вселенной или она отражает лишь воздействие пыли на сигнал в нашей собственной Галактике? В современном мире, объединенном глобальной связью, дискуссия протекала публично. Это стало новым начинанием для космологии. Все вопросы, раньше обсуждавшиеся, как описывалось выше, на специально созываемых встречах или конференциях при закрытых дверях, стали рассматриваться открыто и публично в интернете в социальных сетях без регулярной и структурированной системы. Решения, которые раньше принимались и публиковались лишь после достижения экспертами консенсуса, сейчас обсуждаются всей научной общественностью. Процесс обсуждения стал прозрачным и легко наблюдаемым, как поведение рыбок в аквариуме. Беспорядочность научного процесса обнажилась. Мнение в сообществе космологов разделилось: является ли такое новое развитие полезным или вредным для интеллектуальной строгости? Конечно, в описанной выше ситуации с группой BICEP решение проблемы оказалось простым, так как получаемые со спутника Planck данные решили вопрос. Эксперимент BICEP переоценил уровень достоверности измерения поляризации. Дьявол заключался в пыли или, говоря об этом случае, в деталях систематических ошибок при оценке роли пыли, которая привела к ложному сигналу?{19}

Я верю, что открытые дискуссии и здравая критика всегда полезны. Такой подход позволяет лучше понять, как делается наука, и разрушает ошибочное представление о том, что научное исследование является ясным и объективным способом получения истинных сведений о тайнах природы. Этот подход позволяет понять, что научные теории всего лишь временные гипотезы, которые научное сообщество должно подвергать тщательной проверке на истинность и возможность воспроизведения результатов. Кроме этого, он позволяет понять, каким образом в современном мире фундаментально изменяется сам процесс возникновения, оценки и признания новых радикальных научных идей.

7. Новая реальность и поиски иных миров

Когда много лет назад Эдвин Хаббл собирал данные, ночами вглядываясь в телескоп в холодное безоблачное небо над обсерваторией Маунт-Вилсон, он даже не предполагал, что его открытия и прозрения навсегда изменят наши знания о космосе и само отношение к нему. Точно так же Арно Пензиас и Роберт Вильсон, долго и безуспешно пытавшиеся найти источники шумов в своем радиотелескопе, не догадывались, что они регистрируют реликтовое фоновое излучение, пришедшее от Большого взрыва.

Открытия, о которых я рассказывала в этой книге, революционным образом изменили концептуальное восприятие космоса и наше представление о собственном месте в мире. Помимо этого новые открытия вызвали и ускорили фундаментальные изменения в практике научной деятельности, рассматриваемой в качестве одного из проявлений интеллектуальной активности. Наблюдая за развитием радикальных идей в космологии от момента их зарождения до всеобщего признания, мы можем видеть, как споры отдалялись от противоречий между отдельными личностями. Сегодня на пути научного признания стоят немного другие преграды. Сейчас соперничество на переднем крае науки в большинстве случаев происходит не между людьми, а между большими коллективами, изучающими одни и те же проблемы. Хотя доказательства и данные способствуют научному признанию, интуитивная прозорливость и интеллектуальное влияние продолжают играть свою роль. Но больше ни один человек не может управлять принятием или сопротивлением новой идее. Отдельная личность сейчас может, конечно, по-прежнему сильно влиять на процессы поиска научной истины, потому что наука все еще организована несколько иерархически. Я хочу сказать, что в наши дни интеллектуальная мощь и влияние распределены гораздо равномернее по организациям и странам всей планеты, чем даже 20 лет назад.

Субъективность и эмоциональное отношение также остаются важными факторами в науке, поскольку определяют как зарождение креативных идей, так и восприятие этих идей или даже сопротивление этим идеям со стороны других людей. Наука всегда была сопряжена с личным пристрастием и заинтересованностью, и эта ситуация не изменилась со временем. В своей книге я пыталась разрушить привычный образ науки (как некоей методологии, нацеленной на получение точных сведений о природе) и пыталась показать читателю, что наука представляет собой динамичную развивающуюся систему, цель которой — создание «карты» для движения вперед, в силу чего она всегда является меняющейся и неопределенной. Без такой карты мы не могли бы выбрать направление движения, так как на ней указан не только наш предыдущий путь, но и terra incognita. В ней рассказывается в основном о том, с чего мы начали, и о том, что остается неизвестным и пока не обозначенным. Проблемы развития космологии в течение XX в. позволяют нам понять глубокие психологические аспекты самой науки, определяемые как нашим желанием познать природу, так и ограничениями, которые неизбежно накладывает наш ум на наше понимание.

За последние 100 лет характер задач, решаемых учеными-космологами, и доля их интеллектуального участия кардинально изменились, в результате чего космология превратилась из науки, где господствовали блестящие прозрения индивидуальных исследователей, в гораздо более организованную область деятельности, успех в которой обеспечивают коллективные усилия специалистов, профессионально подготовленных в узких областях. В качестве наглядного примера можно указать на описанную выше историю проектирования и запуска спутника COBE для измерения реликтового излучения в 1989 г. Понятно, что усилия проектировщиков, потребовавшие большого мастерства и ноу-хау, существенно отличаются от работы тех нескольких физиков-теоретиков, которые смогли предсказать существование реликтового излучения за 40 лет до запуска спутника. Поднятые сейчас вопросы невероятно сложны, и мы загружены данными, так что требуются усилия различных команд, чтобы с ними разобраться. С тех пор когда в начале 1990-х гг. проводился автоматический поиск сверхновых на гигантских масштабах, объем анализируемых данных увеличился экспоненциально. Серьезным современным вызовом является не только объем, но и скорость накопления данных. Между тем благодаря достижениям в разработке оборудования и программного обеспечения наши вычислительные возможности моделировать и интерпретировать этот поток данных значительно возросли. В результате астрономия перешла на передний край совершающейся революции при расчетах с использованием больших данных. Как мы могли убедиться, в области численного моделировании возникли новые методики, позволившие в астрономии «навести мосты» между теоретическими и наблюдательными работами. Сейчас в командах исследователей присутствуют теоретики, наблюдатели, специалисты по моделированию и инженеры. Изолированность подспециальностей в значительной степени ушла в прошлое. А слияние идей и инструментов сейчас сильнее, чем когда-либо.

С другой стороны, в отличие от обычной карты, человеческое воображение и мышление не имеют границ. Наука не только возбуждает человеческое любопытство, но является для него движущей силой. Исследования постоянно требуют от ученых подтверждения своего статус-кво. В этой гонке победителями становятся те, кто рискует и использует возникающие проблемы для изменения картины мира посредством сбора новых данных для нового прорыва. Хороший ученый работает не ради наград и поощрения. Если он чувствует, что может предложить новую идею, модель или концепцию, глубже разъясняющую какую-то существующую или возникшую в науке проблему, то он начинает приводить доводы в поддержку этой идеи, стараясь переубедить научное сообщество. Именно постоянное расширение зоны между возникающими вопросами и поисками ответов на них является одним из главнейших признаков и особенностей научной деятельности вообще. Основными движущими мотивами этой деятельности всегда были удивление и любознательность, поэтому понятно стремление ученых определить место человечества в космосе, хотя, конечно, мы еще очень далеки от завершения поиска. В настоящее время астрономов и космологов больше всего занимают два взаимосвязанных вопроса, имеющих философский и даже экзистенциальный характер, причем оба они связаны с проблемой исключительности человечества во Вселенной: является ли наш биологический вид чем-то особенным и не является ли существование нашей Вселенной результатом какого-то необычайного статистического совпадения условий. В основе обоих вопросов лежит страстное желание определить свое место в космическом контексте, то есть определить свое положение на обширной карте Вселенной.

В этом царстве теоретических расчетов и экспериментальных наблюдений космология ищет и иногда находит ответы на некоторые из вопросов, с которыми столкнулись Чандрасекар, Эддингтон, Эйнштейн и Хаббл в первой половине прошлого века. Полученные нами знания о Вселенной, и в первую очередь — об ее устройстве и возможной судьбе, заставляют задуматься об особой роли человечества. Являются ли живые существа на нашей светло-голубой скалистой планете лишь статистическими аномалиями комической саги? Когда мы размышляем о безграничной ускоряющейся Вселенной, где галактики стремительно разбегаются в стороны друг от друга, мы дерзаем представить себе существование других обитаемых миров, других мыслящих существ и даже других вселенных. Размышления о безграничной Вселенной требуют от нас еще большей интеллектуальной дерзости. Научная фантастика всегда была той областью литературы, где наши мечты и фантазии не имели границ. Но сегодня научная фантастика становится реальностью. Границы современной науки сдвинулись к поиску других миров на обитаемых экзопланетах и в иных, далеких-далеких вселенных.

Встающие перед нами вопросы определяются уровнем накопленных знаний о том, где мы находимся на карте мироздания и как мы сюда попали. Эти вопросы отражают постоянный поиск своего места во Вселенной, нашу роль во всей этой грандиозной схеме и сигнализируют о дискомфорте в современном состоянии знаний. Космические открытия оторвали нас от обычного мира, а головокружительные темпы изменений в науке дезориентировали. Мы обнаружили, что наша значимость непрерывно уменьшается, человечество — вид, населяющий одну планету из восьми (а раньше — из девяти) планет в одной звездной системе среди нескольких тысяч других, в Галактике среди нескольких миллиардов других, все более удаленных. Наше желание позиционировать себя в окружающем мире лежит в основе поиска новых обитаемых планет в окрестностях Солнечной системы или даже в других вселенных. Обе эти задачи вызваны единым импульсом поиска, но с научной точки зрения носят совершенно разный характер и требуют использования совершенно разных методологических подходов и стратегий поиска решений.

Что касается поиска жизни на близко расположенных планетах, то ученые все еще надеются найти ее в ближайшем окружении Солнца, причем в первую очередь пытаются разыскать планеты, похожие на нашу собственную. Мы надеемся, что это будут самые приспособленные места для жизни, особенно разумной жизни знакомого типа. Поиски таких обитаемых планет уже ведутся. Спутник НАСА Kepler предоставил данные о неожиданно богатом выборе кандидатов в экзопланеты вокруг близлежащих звезд{1}.

Еще одна радикальная идея, которую необходимо обсудить, лежит в области теоретической физики и математики: Мультиверс (Мультивселенная). В этой теории предполагается, что наша Вселенная является всего лишь одной из целого множества вселенных. Выше в этой книге мы уже видели примеры того, насколько причудливой и удивительной может выглядеть наша собственная Вселенная, медленной разгадке секретов которой за последние столетия и посвящена предлагаемая книга. Полевые уравнения Эйнштейна позволили сформулировать связи между содержимым, формой и возможной судьбой Вселенной, а астрономические наблюдения последнего столетия лишь подтвердили правильность полученных решений. Сейчас мы знаем модельные решения уравнений, которые наилучшим образом соответствуют наблюдаемым космологическим данным. Эти решения и данные соответствуют модели непрерывно и ускоренно расширяющейся Вселенной.

Как замечает выдающийся космолог Мартин Рис, выясняется, что для полного определения всех свойств Вселенной нам нужно знать только шесть чисел! Все эти числа уже определены эмпирически. Эти ключевые числа физики называют космологическими параметрами, и я их просто перечислю вместе с конкретными значениями: параметр N со значением 10^36, являющийся мерой отношения сил электрического и гравитационного взаимодействий между атомами; параметр ε (эпсилон) со значением 0,007, определяющий силу связи атомных ядер; параметр Ω (омега), о котором много рассказывалось выше, в главах 4 и 5, равный 1 и служащий мерой содержания энергии-массы во Вселенной; параметр Λ (лямбда), о котором рассказывалось в главах 2 и 5, называемый космологической константой и равный 0,7; параметр Q со значением 10–6, являющийся мерой интенсивности тех начальных флуктуаций, которые затем стали зародышами всех будущих звезд и галактик, и, наконец, равный количеству пространственных измерений в нашей Вселенной параметр D, равный трем{2}.

Если бы эти космологические параметры отличались от приведенных значений на самую ничтожную величину, хотя бы на сотые доли процента, то мы просто не могли бы существовать! Не было бы ничего. Не существовали бы люди, Земля, Вселенная[30]. Жизнь на Земле была бы невозможна, так что не появились бы даже наши знания о космосе. Например, если бы значение N было чуть меньше, то время жизни Вселенной стало бы столь коротким (и она сама была бы настолько крошечной), что в ней просто не смогла бы проходить никакая биологическая эволюция. Если бы значение параметра эпсилон уменьшилось на 0,001, то не могли бы синтезироваться никакие химические элементы тяжелее лития, так что стало бы невозможным существование всех известных нам органических соединений. Мы уже говорили о том, какая разная судьба ожидала бы Вселенную (коллапс или расширение) при ничтожных отклонениях значений параметров лямбда и омега, но понятно, что наша история закончилась бы, даже не успев начаться. Столь же великолепно уравновешено в природе значение числа Q, ибо, окажись оно чуть больше, во Вселенной не могли бы возникнуть звезды, а чуть меньше — в мире не существовала ни одна материальная структура из тех, к которым мы привыкли. Что касается значения размерности D, то мы просто не знаем никаких форм жизни, соответствующих, например, размерностям два или четыре{3}.

Все это, конечно, несет особый целенаправленный дух. Для таких доводов даже придуман специальный термин «антропный принцип», означающий некую философскую концепцию, в соответствии с которой все наблюдения в физической Вселенной должны быть как-то сопряжены с существованием сознательной жизни. Таким образом, только точное согласование приведенных выше космологических параметров позволяет нам быть здесь и задавать этот вопрос. Понятно, что наша Вселенная не могла быть специально отобрана для существования именно углеродной жизни. И действительно, кажущаяся «тонкая настройка» нашей Вселенной, скорее всего, является следствием смещения в оценке выбора, поскольку единая Вселенная, способная поддерживать жизнь, одновременно является тем самым местом, где возникают и живут те самые существа, способные воспринимать жизнь и задавать вопросы о смысле существования. Можем ли мы понять или описать, почему указанные параметры имеют именно такие значения? Любые рассуждения на этот счет (к примеру, как могла бы космологическая постоянная омега с ее специфической ролью в судьбе Вселенной действовать при других значениях, например 0,001, 0,1, 10 или даже 42) приводят к логическому выводу, который состоит в том, что мы просто живем именно в такой Вселенной{4}.

Если это просто смещенная оценка при выборе мира, то у нас есть только одна Вселенная, в которой мы можем проводить измерения и по определению не можем прийти к правильному выводу, находясь в ней. Но стоит ли для этого создавать возможность существования других вселенных, где шесть важнейших параметров имеют совершенно отличающиеся значения? В таком случае у космологических параметров будут значения, которые реализуются только в нашей Вселенной, и наша Вселенная будет представлять собой единственную реализацию из многих потенциальных вселенных с их собственными комбинациями значений этих параметров, называемых пузырьковыми вселенными, которые могли бы в принципе существовать и вместе составлять то, что называется Мультивселенной. Это с неизбежностью означает, что может существовать бесконечное число пузырьковых вселенных, каждая из которых имеет собственную шестерку значений космологических параметров.

Если мы встанем на вероятностную точку зрения, что могут существовать другие возможности с соответствующим уровнем правдоподобия, то сделаем прямой вывод о том, что у нас есть конкретная комбинация шести параметров и что возможна другая реализация из бесконечного числа других возможных комбинаций. Конечно, другие значения космологических параметров будут приводить к возникновению совершенно иных вселенных, обладающих иной геометрией, экзотическим содержанием и альтернативной судьбой. Вероятностный подход освобождает нас от необходимости обращаться к антропному принципу, принимать в расчет требования о какой-то сверхтонкой настройке параметров и объяснять, что означают конкретные численные значения для рассматриваемых величин и нас самих. Мы как бы обходим или забываем вопрос о том, почему наша Вселенная имеет именно такие значения параметров, и поэтому можем не вдаваться в рассуждения о том, что она всего лишь одна из набора возможностей. Каждая из этих возможностей может быть реализована и может порождать бесконечное множество пузырьковых вселенных, представляющих собой компоненты Мультивселенной, плывущие вокруг с другими комбинациями космологических параметров, и каждая из которых начинается с собственного Большого взрыва.

Каким образом мы могли бы проверить гипотезу о существовании таких пузырьковых вселенных? Начнем с того, что конечность скорости света обеспечивает нам доступ лишь в некоторую часть Вселенной, оставляя другие области вне зоны наблюдения и исследования. Через миллиард лет видимый горизонт Вселенной значительно увеличится и большая ее часть станет видимой, поскольку к этому моменту свет дойдет до нас от объектов, которые на миллиард световых лет дальше, чем видимый сегодня край. Если свет не может показать, что находится за пределами нашей Вселенной, и через миллиард лет, то как мы можем представить себе процедуру измерения и наблюдения других вселенных?

В умозрительном, воображаемом мире немыслимо больших масштабов концепции типа Мультивселенной приводит к новым интеллектуальным вызовам, при которых объяснения должны связываться не проверяемыми на практике теориями, а экстраполяцией версий уже признанных теорий. Похоже, мы исчерпали лимит научных объяснений, который ранее практически проявлялся в предсказуемом изобретении все более совершенных инструментов познания. Возможно, сейчас нам требуется смена теоретических концепций и установок — реконцептуализация теории.

При этом может возникнуть некое новое фундаментальное ограничение, связанное, с одной стороны, с тем, что в новых объяснениях будут возникать представления о физических условиях, для которых экспериментальная проверка используемых теорий может оказаться просто невозможной. С другой стороны, стоит вспомнить важный урок из истории самой космологии. Мог ли Николай Коперник в 1543 г., после написания книги «О вращении небесных сфер» (De revolutionibus orbium coelestium), хоть как-то предвидеть, что на основе его идей люди в 1969 г. совершат полет на Луну и вернутся на Землю с образцами грунта для изучения? Более того, мог ли он представить себе, что в 2014 г. запущенный с Земли космический зонд Philae сможет точно «попасть» в комету, обозначаемую именем 67Р/Чурюмова — Герасименко и передать с нее изображения? Вероятно, нет. Коперник не мог себе представить ничего подобного, точно так же как не мог вообразить изобретение и применение спектрографов и камер, способных передавать на Землю прекрасные изображения далеких галактик. Точно так же мы сейчас не можем предвидеть, насколько проверяемой окажется любая из существующих сейчас концепций Мультивселенной, однако нет оснований полагать, что эта ситуация будет продолжаться еще пару сотен лет или меньше. Было бы верхом самонадеянности думать, что кто-то может предсказать развитие науки вообще. Все, что нам остается, — дать волю воображению и попытаться разглядеть, какие блестящие и новые возможности может открыть перед нами наука.

Как мы можем начать решение этого сложного вопроса в рамках привычных, объяснимых терминов физики и математики, которые мы разработали? Частично эти вопросы связаны с проблемой описания того, как выглядела Вселенная до Большого взрыва и до ее превращения в привычную нам Вселенную, которую мы можем наблюдать и изучать. Теория струн — направление физики, которое стремится сделать именно это. Она рассматривает частицы во Вселенной в качестве объектов, сгенерированных в эпоху до Большого взрыва в результата колебаний струн, возникающих подобно тем, что происходят в музыкальных инструментах, Представьте себе скрипку, настроенную с помощью натяжения струн. Изменяя натяжение, можно получить различные музыкальные ноты, рассматриваемые как режимы (моды) возбуждения струны. Разумеется, для возникновения звука любые струны должны быть возбуждены. В описываемой теории струн все существующие и регистрируемые сейчас элементарные частицы концептуально рассматриваются в качестве колебаний таких элементарных струн, существовавших до Большого взрыва. На этом, собственно, и кончается аналогия со скрипкой, так как, в отличие от скрипки, теоретические струны не закреплены на деке какого-либо реального инструмента! Теория струн предлагает математический аппарат, который делает возможными вычисления для эпохи до Большого взрыва. Ученые, работающие на границе космологии и теории струн над проблемой возникновения частиц, с большим интересом смотрят на потенциально наблюдаемые проявления Мультивселенной, возможно видимые как рябь в реликтовом излучении, которая могла бы возникнуть при столкновении нашей Вселенной с другой. Мы надеемся на радикальный сдвиг в понимании описываемых процессов, а для этого необходимо найти регистрируемые и измеряемые доказательства существования признаков Мультивселенной в нашей Вселенной.

Возвращаясь к теме шести найденных и измеренных космологических параметров, следует помнить, что, даже если мы предполагаем возможность иных значений этих параметров в других частях нашей Мультивселенной, данный факт не отменяет действие и достоверность совокупности физических законов, которые, мы знаем, работают везде, даже в других вселенных. У нас нет оснований верить, что какая-либо вселенная целиком будет подстраиваться под совершенно иной набор физических принципов, включая ранее неизвестные нам силы.

Независимо от обсуждения необходимости антропного принципа вообще следует отметить, что недавний прогресс в понимании квантовых процессов в самой ранней Вселенной свидетельствует о том, что процессы, определявшие начальные условия ее зарождения, носили, по-видимому, очень общий характер и поэтому могли легко порождать и другие пузырьковые вселенные. Существует даже особый раздел теории струн — так называемая «ландшафтная идея», в которой много пузырьковых вселенных могут генерироваться естественным образом. Эта идея вполне привлекательна в качестве теоретического построения, но и в ней остается спорным вопрос о том, насколько проверяемой является сама гипотеза о существовании Мультивселенной. Может ли теория струн обеспечить окончательный прорыв, необходимый для понимания того, как могли возникнуть другие пузырьковые вселенные? Нам просто нужно подождать и посмотреть{5}.

Оценивая прогресс, достигнутый в космологии хотя бы за последнюю сотню лет, мы видим, что имеются все основания для оптимизма. Современное мышление состоит в том, что в истории космоса было много Больших взрывов, поскольку существование каждой раздувающейся вселенной начинается с собственного первичного огненного шара. То есть процесс возникновения и развития нашей Вселенной должен проходить одинаково и для остальных пузырьковых вселенных (составляющих данную Мультивселенную), каждая из которых имеет собственную геометрию, состав и судьбу. Возможно, нам следует собирать какие-то эмпирические доказательства этого, витающие вокруг нас, хотя все космологи старательно ищут какие-нибудь регистрируемые свидетельства и признаки взаимодействия или даже столкновения двух пузырьковых вселенных. Сейчас предпринимаются попытки смоделировать процессы возникновения, зарождения и развития пузырьковых вселенных. Мы находимся на пороге возможного концептуального прорыва в решении проблемы (то есть мы поймем, корректна ли идея Мультивселенной), а возможно, нам навсегда придется расписаться в неспособности решить этот вопрос.

Однако, даже если мы будем придерживаться вероятностной точки зрения и поверим в существование множества альтернативных вселенных, мы все равно останемся в неведении относительно пределов разрешенных значений шести указанных выше космологических параметров, которые могли бы описать весь набор вероятностей[31]. Мне кажется, что наиболее интересная возможность заключается в том, что иные вселенные могут подчиняться новым и совершенно необычным для нас законам физики. Концепция Мультивселенной ставит нас перед беспрецедентной философской проблемой, и возможно, для ее решения нам придется привлечь новый метод объяснений и доказательств, при котором будут использоваться не прямые измерения, а некие тесты на согласование экстраполируемых версий для твердо установленных теорий. При этом, вероятно, мы еще долго не сможем ответить на вопрос об уникальности нашей Вселенной.

Однако у нас больше шансов получить ответ на другой важный вопрос, интересующий человечество со времен Античности. Я считаю, что мы довольно скоро выясним, действительно ли мы одиноки в нашей Вселенной. Давайте попробуем проследить историческое развитие идеи о существовании других миров за ее пределами. Подобно многим другим идеям, обсуждаемым в данной книге, эта проявилась сперва лишь как игра воображения и лишь позднее кристаллизовалась в форме гипотезы, требующей научного рассмотрения. Воображение человека часто порождает ценные идеи, достойные дальнейшего изучения и поиска доказательств. К числу таких идей можно отнести и предположение о существовании иных миров, пришедшее к нам еще от древних греков, страстных исследователей природы, заложивших основу многих современных научных знаний. Одно из первых зафиксированных свидетельств о самых ранних спорах и рассуждениях, связанных с проблемой множественности миров, относится еще к IV в. до н. э., хотя мы знаем и о более ранних дискуссиях на эту тему. Эпикур, которого иногда называют первым атомистом, действительно придерживался материалистических взглядов на природу и смело писал в одном из писем (адресованных знаменитому историку Геродоту) о возможности существования иных миров следующее: «…Миры бесчисленны, и некоторые схожи с нашим, а некоторые несхожи. В самом деле, так как атомы бесчисленны… они разносятся очень и очень далеко, ибо такие атомы, из которых мир возникает или от которых творится, не расходуются полностью ни на один мир, ни на ограниченное число их, схожих ли с нашим или несхожих. Стало быть, ничто не препятствует бесчисленности миров»{6}.

Впрочем, сама идея о множественности миров возникла задолго до древних греков и их атомистики. Космический плюрализм основан на философской идее о существовании многих миров (потенциально их число может быть бесконечным) помимо известной нам Земли. Споры на эту тему начались за 600 лет до н. э., еще до Сократа, при жизни Фалеса Милетского{7}, считающегося отцом всей западной философии. Конечно, споры времен Античности относились не к мирам типа нашей Солнечной системы или к специфическим, пригодным для жизни планетам, а, скорее, к общим представлениям о бесконечности мира и границам космоса. Фалес и его ученик Анаксимандр, о которых рассказывалось выше, в главе 1 данной книги, стали первыми представителями науки, фактически признавшими космос бесконечным. Подобных взглядов придерживались также древнегреческие философы-атомисты Демокрит и Эпикур. Пришедшие им на смену Платон и Аристотель являлись сторонниками противоположной точки зрения, то есть считали нашу Землю уникальной планетой. Предлагаемая Аристотелем система мира позднее была согласована с христианским вероучением, вследствие чего идея о плюрализме миров была забыта почти на 1000 лет. Космический плюрализм часто упоминался в разных средневековых историях, но эти упоминания лишь дань художественному воображению в культурной жизни эпохи. Например, некоторые исламские теологи из регионов, которые сейчас относятся к Ирану, любили воображать и красиво описывать другие обитаемые миры и планеты.

Исламский ученый и интеллектуал Фахруддин ар-Рази, живший между 1149 и 1209 гг. и известный многочисленными трудами по проблемам медицины, астрономии и физики в контексте содержания Корана, описывал физический мир в своей книге «Возвышенные вопросы» (Маталиб ал-алия). В ней он критикует геоцентрическую систему мироздания, развивая представления о множестве миров, помимо нашего. Он ставит под вопрос использование в Коране термина миры во множественном числе, размышляя, относится ли он ко множеству миров внутри космоса или действительно подразумевается реальное множество миров за его пределами. Ар-Рази оспаривал также аристотелевские представления о едином космосе и едином мире вокруг нас. Его неприятие геоцентрической системы основывалось на убежденности в том, что космос представляет собой пустое пространство, в котором двигаются, соединяются и разъединяются атомы. В эту эпоху происходил интенсивный обмен знаниями между греческим и исламским миром, так что знание ар-Рази об атомизме не должно нас удивлять. Он также обсуждал проблему существования пустот, ничем не заполненных промежутков между звездами или созвездиями, и утверждал, что за пределами известного нам мира существует бесконечное внешнее пространство, которое волей Бога заполнено бесконечным числом миров{8}. В некотором смысле наша современная раскованность мысли и способность в свободной манере спекулировать относительно всей Вселенной могли бы укорениться у ар-Рази. В Средние века космический плюрализм присутствовал также в виде художественных вымыслов. Например, в знаменитом собрании арабских рассказов «Книге тысячи и одной ночи» есть повествование под названием «Приключения Булукия», где описано множество фантастических миров, населенных разнообразными формами жизни. В этом контексте всеобщая распространенность жизни связана с идеей всемогущества Бога.

Хотя сегодня мы серьезно сомневаемся в идеях ар-Рази о всеобщности жизни, однако стоит вспомнить, что в XVI в. те, кто осмеливался выступать с подобных позиций, легко попадали в разряд еретиков и даже могли быть приговорены к смерти. Одним из таких людей был итальянский мистик и философ Джордано Бруно. За множество серьезных преступлений против учения Церкви, включая так называемые «выдумки» о существовании других миров, он заплатил своей жизнью. Бруно родился в городке Нола близ Неаполя в 1548 г., и его отцом был солдат Джованни Бруно. Младенца назвали Филиппом, но позднее, при вступлении в монашеский орден доминиканцев, Бруно сменил это имя на Джордано. С ранней молодости он увлекся мощными новыми идеями, бросил вызов ордену и должен был бежать от преследования. Фактически большую часть жизни Джордано провел в изгнании, перебираясь из Франции в Англию, затем в Германию и, наконец, в Венецию. Он был сторонником многих учений, считавшихся еретическими, включая теорию бесконечности Вселенной и множественности миров. Кроме того, Бруно отрицал геоцентрическую модель мира, причем не только с математической точки зрения, а на основе своих интуитивных представлений о мире. Он отвергал классическое представление о конечной Вселенной, покрытой небесной сферой с закрепленными на ней звездами, и принял радикальную в те времена гелиоцентрическую систему Коперника. Джордано даже оспорил некоторые ее положения. Коперник представлял космос в виде пространства с Солнцем в середине, но сохранил в своей модели небесную сферу с фиксированными звездами, то есть считал Вселенную ограниченной, а Бруно отвергал существование этих границ. Конечно, важно отметить, что Джордано Бруно был бы сожжен на костре, даже если бы он и не поддержал идею бесконечной Вселенной или существование многих других миров, поскольку казнили его за действительно еретические взгляды (он не признавал божественность Христа, непорочность девы Марии и ряд других очень важных для Церкви догматов), которые и привели его на перекрестие.

В некотором смысле яркое воображение Бруно и его спекуляции предвосхитили современную науку. Хорошо обтесанные булыжники на одной из знаменитых площадей Рима — Кампо-де-Фьори — более 400 лет назад были молчаливыми свидетелями, как его жестоко заставили замолчать из-за радикальных идей, противоречащих принятым религиозным убеждениям. В неумолимый холодный день 17 февраля 1600 г. Джордано Бруно сожгли на костре «вместе с языком, которым он изрекал свои ложные слова», как было записано в приговоре{9}.

Руководство католической церкви преследовало Джордано Бруно, объявило его еретиком и приговорило к смерти. Однако он успел опубликовать в 1584 г. свою противоречащую ортодоксии книгу «О множественности миров» (De l’infinito universo et mundi). В 1603 г. книга была внесена в опубликованный руководством католической церкви знаменитый список запрещенных еретических книг Index Librorum Prohibitorum. В те годы Церковь могла контролировать работу весьма малочисленных издательств, так что попавшие под запрет книги из списка не могли распространяться открыто и оставались малодоступными для широкой общественности.

Несмотря на трагическую судьбу Бруно, вскоре в науке и общественном сознании произошли большие сдвиги, которые привели к расширению возможностей ознакомления с новыми идеями и, соответственно, к дальнейшим столкновениям между представителями Церкви и науки. Важную роль в этом процессе сыграло изобретение телескопа — преобразующего инcтрумента. Его предложил Галилео Галилей в 1609 г., который направил в небо усовершенствованную им подзорную трубу. Телескоп Галилея увеличил и показал удаленные объекты, поставив много вопросов о том, что лежит за пределами Земли. Новые открытия положили конец классической эпохе астрономических наблюдений невооруженным глазом и неожиданно вновь привлекли внимание ученых к возможности существования других обитаемых миров. Однако лишь в конце эпохи Просвещения многие европейские ученые, философы и писатели сделали космический плюрализм темой своих дискуссий.

В 1686 г. французский эрудит Бернар Ле Бовье де Фонтенель опубликовал книгу «Беседы о множественности миров» (Entretiens sur la pluralité de mondes), ставшую очень популярной в период раннего французского Просвещения. Книга была написана в форме бесед между неким философом и маркизой, хозяйкой замка, которые они вели во время совместных прогулок по залитому лунным светом парку, наблюдая за сиянием ночного неба. Несмотря на этот неформальный антураж, богатая фантазия Фонтенеля позволила ясно и просто обрисовать новую систему строения космоса, основанную на идеях Коперника. При этом он удачно угадал и общие веяния своего времени, выбрав в качестве одного из собеседников женщину и допустив ее к участию в обсуждении научных вопросов, считавшихся ранее прерогативой исключительно мужского сообщества. Педагогическая концепция книги отчетливо отражена фразой, вынесенной в подзаголовок пятой беседы: «Каждая звезда представляет собой Солнце, излучающее свет в окружающие миры»{10}. В этой части книги философ рассматривает возможность существования иных миров в виде планет, вращающихся вокруг других звезд, и даже предполагает существование жизни на этих планетах.

Традиция популяризации науки была продолжена через 200 лет астрономом Камилем Фламмарионом, который поверил в идеи Фонтенеля о множестве обитаемых миров и немало писал об этом в своих работах. Фламмарион — автор более 70 книг, один из самых известных популяризаторов науки Нового времени. Начав работать в Парижской обсерватории, он в конце концов основал собственную обсерваторию в предместьях Парижа в 1883 г. Его исследования относились к наблюдениям поверхности Луны и Марса, а также к изучению характеристик звезд. Уже в своей первой книге «Множественность обитаемых миров» (La pluralité des mondes habités), опубликованной в 1862 г., Фламмарион смело утверждал о возможности повсеместного существования жизни и вскоре заслужил в общественном мнении роль «ведущего адвоката» концепции космического плюрализма. Идеи Фламмариона получили широкую известность, и к 1882 г. его книги были переизданы в общей сложности 33 раза и переведены на многие языки. Как и Ж. А. Рони, он предположил реальное существование разнообразных инопланетных существ, значительно отличающихся от людей. В своих книгах «Воображаемые и реальные миры» (Les mondes imaginaries et les mondes réels, 1864) и «Люмен» (Lumen, 1887) Фламмарион пошел еще дальше, описывая экзотические воображаемые растения, способные не только к восприятию окружающего мира, но и к дыханию и перевариванию пищи. Вера Фламмариона в наличие внеземных форм жизни возникла на основе его убеждения в существовании и переселении бессмертных душ, одинаково присущих животным и растениям. При этом у него, как и у Джордано Бруно, прыжки воображения и фантазии не подкреплялись никакими научными рассуждениями. Фламмарион считал людей «гражданами небес», а другие миры описывал в виде каких-то «студий человеческой работы, школ, где души должны были постепенно обучаться, развиваться, постепенно накапливая знания, к которым направляют свои устремления, и готовиться к концу своей судьбы»{11}.

Наибольшую известность получила многократно переведенная на разные языки книга Фламмариона «Популярная астрономия» (Astronomie populaire, 1880), в которой он страстно убеждал читателей в существовании жизни на Луне и на Марсе. Его увлекало объявленное итальянским астрономом Джованни Скиапарелли открытие каналов на поверхности Марса, и он верил, что это доказывает существование на Марсе не просто жизни, но и разумной жизни с развитой цивилизацией. Фламмарион утверждал, что по развитию марсиане могут даже превосходить человеческую расу.

Оживленная дискуссия относительно существования жизни на Марсе, а также возможностей ее проявления продолжается до наших дней. Одна из причин заключается в том, что Марс не только ближайшая к Земле планета, но во многом напоминает ее по основным характеристикам. На нем даже продолжительность дня и сезонов года напоминает земные. Поверхность Марса нетронута и практически не меняется, поскольку эта планета не проявляет тектонической активности. Поиски признаков жизни на Марсе начались еще в XIX в. и продолжаются до сих пор с использованием все более сложной техники — от телескопов до зондов, доставленных в атмосферу Марса. Сейчас поверхность Марса исследуют и с помощью спускаемых аппаратов, самым известным из которых стал марсоход Curiosity, достигший поверхности Красной планеты 6 августа 2012 г. Этот аппарат уже нашел на Марсе следы давно испарившейся воды, а затем (при бурении старых скальных пород) следы органических молекул метана, однако пока ему не удалось обнаружить никаких признаков жизни, не говоря уже о жизни разумной. Остается открытым и вопрос, существуют ли сейчас или имелись ли в прошлом какие-либо жизненные формы на Марсе.

Итак, где мы находимся в этой проблеме в настоящее время? Опрос, проведенный в 2013 г. газетой The Huffington Post и сайтом YouGov.com, показал, что примерно 50 % американцев верят в существование каких-то иных форм жизни на других планетах, 17 % не верят, а оставшиеся 33 % не имеют четкого мнения на этот счет. Опрашиваемые проявляли больший скептицизм, отвечая на вопрос о возможности посещения Земли разумными существами с других планет. Среди тех, кто убежден в существовании жизни на других планетах, 45 % утверждают, что инопланетяне посещали Землю{12}.

Независимо от капризов общественного мнения научные поиски в этом направлении продолжаются, особенно в связи с обнаружением экзопланет, то есть планет, вращающихся вокруг других звезд. Произошел феноменальный прорыв, и часть этого успеха была связана с инструментами на космическом телескопе Kepler[32].

Нам выпало счастье жить в эпоху, когда ответ на извечный вопрос о том, одиноки ли мы во Вселенной, кажется в пределах досягаемости. За последние 50 лет мы высадились на Луну, оставили человеческие следы на ее поверхности, запустили несколько зондов на другие планеты Солнечной системы, отправили космический корабль Voyager-1 за пределы Солнечной системы, осуществили посадку ровера Curiosity на Марсе для геологических исследований и рассмотрели изображения поверхности Плутона и Харона, снятые камерами с борта космического аппарата New Horizons. Мы имеем прекрасные, очень четкие фотографии поверхности некоторых планет (включая карликовые), позволяющие изучать их интересные особенности, например структуру колец Сатурна, красное пятно на Юпитере, ураганы на поверхности Ио и пятно в форме сердца на Плутоне. Однако все планеты и их спутники, по-видимому, необитаемы. Но поиск экзопланет и планетных систем у близлежащих звезд одарил щедростью сверх ожиданий. Методы, изобретенные и отточенные за последние 20 лет, позволили открыть эти миры. И наконец, уже с конца 1970-х гг. мы тщательно изучаем потенциальные источники радиосигналов, которые можно связать с разумными цивилизациями.

Кажущаяся поразительной идея о существовании других миров в космосе возникла задолго до XX в. и восходит еще ко временам Древней Греции. Как я уже отмечала, концепция существования иных миров и внеземной жизни трансформировалась из ереси в ортодоксальное учение науки за период времени от V в. до н. э. до XVIII в. Сам термин внеземная жизнь является современным, впрочем в предшествующие века он был идентичен понятию «множество миров».

Коперник стал причиной драматического сдвига в мировоззрении, который вытеснил нас из центра мироздания — только представьте себе это! Позднее Галилей, наблюдая за небесными телами в Солнечной системе через изобретенный им телескоп, сумел развенчать догмат Аристотеля об уникальности Земли по отношению к остальным астрономическим объектам. В конечном счете в этом вопросе оказался прав древнегреческий философ-атомист Эпикур, несмотря на то что его учение почти на 1000 лет было заглушено теориями Платона и Аристотеля.

Что заставляло и заставляет людей искать обитаемые миры и свидетельства существования разумной жизни где-то в глубинах космоса? Прагматические проблемы, связанные с такими поисками, приобрели особую важность в 1960-х гг. в связи с проектом «Поиск внеземного разума» (Search for Extraterrestrial Intelligence, SETI), участники которого пытались установить прямую радиосвязь с другими планетными системами в микроволновом диапазоне. Самый первый целенаправленный поиск внеземных цивилизаций был проведен на телескопе Green Bank в Национальной обсерватории радиоастрономии (штат Западная Виргиния). В 1960 г. 29-летний долговязый постдок Фрэнк Дрейк первым попытался использовать новый телескоп с радиоантенной диаметром 26 м для регистрации межзвездного послания от планеты, вращающейся вокруг звезды, расположенной примерно в 12 световых годах от Солнца. На этом расстоянии не было зарегистрировано ни одной экзопланеты. Никто и не ожидал, что поиск окажется успешным. Доказывая возможность такого перехвата сигналов, амбициозный Дрейк предложил своим наблюдателям периодически направлять телескоп на две ближайшие к Солнцу звезды — Тау Кита и Эпсилон Эридана — для улавливания сигналов, предположительно направленных от этих звезд к Земле, и назвал попытку «Проект Озма» в честь принцессы сказочной Страны Оз в известной книге Л. Фрэнка Баума. Хотя при осуществлении проекта не удалось зарегистрировать ничего, кроме радиошумов межзвездного пространства, он вдохновил целое поколение на серьезное отношение к возможности связи с инопланетянами. В 1982 г. в Голливуде был снят блокбастер «Инопланетянин» (Е. Т.), один из самых кассовых фильмов 1980-х гг., который разжег и укрепил интерес общественности к этой теме. Институт SETI до 1993 г. в разной степени финансировался федеральным правительством США. После прекращения этой поддержки зарегистрировался в качестве некоммерческой организации и продолжал функционировать исключительно на основе частных пожертвований. Пол Аллен, один из основателей Microsoft, профинансировал работу — названную его именем решетку радиотелескопов в Институте SETI в местечке Маунтин-Вью (штат Калифорния). Широкую общественную поддержку получил сайт SETI@home, где осуществляется научный эксперимент с использованием большого числа бездействующих персональных компьютеров, подключенных к интернету в частных домах. Это мероприятие стало одним из первых краудсорс-проектов в рамках концепции «Гражданская наука» (Citizen Science). Вы можете участвовать в ней, загрузив свободно доступную программу, которую можно установить дома на свой персональный компьютер, для анализа данных с радиотелескопа, полученных в проекте SETI, всякий раз, когда ваш компьютер простаивает и не используется для других задач.

Помимо пламенной веры в проект поиска жизни в далеком космосе Дрейк стал известен существенным вкладом в количественную оценку вероятности космических контактов вообще. Не дожидаясь обнаружения экзопланет аппаратурой космического телескопа Kepler, Дрейк осуществил теоретический расчет возможности контакта. Его оценка, названная формулой Дрейка, была предложена на конференции, созванной в 1961 г. специально для решения одной проблемы — можно ли количественно оценить шансы обнаружения инопланетной жизни в рамках программы SETI. В сотрудничестве с Национальной академией наук США он организовал неформальную встречу с участием многих известных ученых, включая нескольких нобелевских лауреатов по химии и медицине и физика Филипа Моррисона (кажется, единственным участником конференции без титулов был молодой постдок Карл Саган).

Всего за несколько дней до встречи Дрейку удалось сформулировать и определить основные члены его ставшего знаменитым уравнения. Он выделил главные компоненты, необходимые для определения числа развитых цивилизаций, существующих в нашей Галактике. Дрейк начал с определения вероятности различных факторов, относящихся к возникновению цивилизаций. Первым фактором является скорость возникновения обитаемых планет (их можно назвать колыбелями цивилизаций). Лишь некоторые из них могут затем стать приютом для жизни и в будущем даже привести к возникновению разумных и чувствующих существ. Затем он учел долю цивилизаций, способных развиться до уровня технологий и посылать сигналы через огромные межзвездные расстояния, и умножил эту величину на среднюю продолжительность жизни таких сообществ. Произведение всех этих «если», то есть многих вложенных условий в уравнении Дрейка, позволяет оценить число всех развитых цивилизаций, которые могут быть обнаружены в нашей Галактике Млечный Путь. Используя целую серию сложных и спорных аргументов, связанных с рассеянными в литературе соответствующими данными об успешности формирования звезд и планет, Дрейк пришел к выводу, что это число зависит, главным образом, только от одного фактора, а именно от продолжительности жизни развитых цивилизаций. Вероятность межзвездного контакта цивилизаций зависит также от совпадения времени их существования, поскольку обе цивилизации должны дожить и развиться примерно до одинакового технологического уровня к моменту контакта. С наибольшей вероятностью мы можем обнаружить во Вселенной обитаемые миры с развитой технологической цивилизацией. Поиск контакта следует начать с регистрации максимально возможного числа экзопланет, а затем выделить из них пригодные для развития жизни планеты и начать поиск признаков жизни. В 2018 г.[33] НАСА планирует запустить космический телескоп имени Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope, JWST), который наряду с решением других научных задач должен продолжить поиск и идентификацию пригодных к развитию жизни планет и планетных систем на основе наследия миссии спутника Kepler.

В то же время обсуждается и изучается проблема определения условий, необходимых для возникновения жизни. При этом ожесточенные споры возникают даже относительно признаков таких условий. Этот вопрос очень сложен, поскольку ответ на него связан с терминологией и особенностями научно-дисциплинарного подхода. Известный астроном и историк науки Стивен Дж. Дик в своей книге «Жизнь в других мирах» (Life on Other Worlds) проследил историю споров об определении жизни на протяжении всего XX в. Среди прочего он обсуждает статью биолога-эволюциониста Джорджа Гейлорда Симпсона, написанную в 1964 г., когда ученые США начали готовиться к поиску жизни на Марсе. В статье, озаглавленной «Отсутствие превосходства гуманоидов» (The Nonprevalence of Humanoids), Симпсон доказывает, что формы жизни в других условиях вовсе не обязаны напоминать привычные нам земные формы. Ранее биолог Гарольд Блюм назвал такую точку зрения оппортунистической, а обратную к ней научную позицию — детерминистической. В соответствии с детерминистскими доводами эволюция жизни всюду во Вселенной происходит в одинаковой последовательности, со временем увеличивая сложность, а при оппортунистическом подходе формы жизни могут развиваться по множеству различных направлений. Симпсон отмечает, что большинство экзобиологов придерживаются детерминистской точки зрения (хотя она не имеет эмпирических обоснований правоты), в то время как эволюционные биологи предпочитают оппортунистический подход, опирающийся на большое число данных по ископаемым и окаменелостям на нашей планете. Симпсон доказывает, что жизнь, зародившаяся где-то в далеком космосе, не должна обязательно проходить весь известный нам маршрут эволюции от простейших до человека{13}.

Основное определение жизни (с которым согласится большинство биологов) сводится к тому, что живые организмы отличаются способностью к самостоятельному росту и самовоспроизведению. Однако даже применимость этого определения остается неясной для кристаллов, не говоря уже об обширных серых зонах в самой биологии. Например, непонятно, следует ли считать живыми вирусы, которые имеют свой собственный геном, но не способны воспроизводить себя самостоятельно. Похоже также, что приведенное выше определение не включает в себя так называемые прионы, то есть одиночные белки, способные к репликации и вызывающие у организмов-хозяев некоторые заболевания, например губчатую энцефалопатию (коровье бешенство). Можно также отметить, что среди ученых существует согласие относительно того, что бактерии представляют собой наиболее рудиментарную форму жизни.

Предметом споров остается не только определение жизни, но и критерии ее возникновения. Именно сейчас в связи с открытием экзопланет вновь возникла проблема определения необходимых и достаточных условий детектирования их возможной обитаемости. Первоначально ученые полагали, что для доказательства наличия жизни на планете достаточно просто обнаружить кислород в ее атмосфере, однако сейчас уже стало ясно, что необходимые для жизни химические элементы могут возникать в результате многих не биологических процессов. Кроме того, даже и на нашей Земле жизнь возникла и развивалась очень длительное время практически без присутствия этих газов в атмосфере. Поэтому даже надежное обнаружение озона и кислорода в атмосфере каких-либо планет не является достаточным признаком существования жизни на этих планетах. Между тем множатся доказательства в пользу того, что наличие некоторых соединений и элементов, таких как двуокись углерода, метан и аммиак, традиционно считающихся «строительными кирпичиками» жизни на Земле, реально может ассоциироваться с возникновением жизни и в других уголках космоса. К настоящему времени не удалось обнаружить признаки жизни на ближайшем к нам Марсе даже после спуска на его поверхность сложного марсохода, способного анализировать образцы почвы планеты с использованием масс-спектрометра.

Поиски потенциально пригодных для жизни экзопланет продолжаются, и к настоящему времени уже разработаны некоторые достаточно эффективные методики их обнаружения. Большой вопрос состоит в том, сколько еще существует землеподобных планет, которые могут быть открыты. После этого уже ставится вопрос об их обитаемости и в какой форме могла бы быть жизнь на этих планетах. На основе данных, полученных за время работы космического телескопа Kepler, запущенного НАСА в 2013 г., можно считать, что примерно 22 % звезд типа Солнца могут содержать в своих системах планеты, похожие на Землю. Публикация этих данных, разумеется, встревожила некоторые средства массовой информации. Даже обычно серьезная газета The New York Times писала по этому поводу следующее: «Известные шансы, что что-то или кто-то живет далеко-далеко от Земли, повысились в понедельник, выйдя за пределы самых смелых мечтаний астрономов». «Мы не одиноки» — так назвала свой материал на эту тему газета USA Today, как бы отвечая на вопрос «Одиноки ли мы во Вселенной? Скоро мы это узнаем», которым озаглавил статью, опубликованную в газете The Guardian за год до этого, известный специалист Мартин Рис{14}.

Когда мы можем реально получить ответ на этот вопрос? Некоторую тревогу вызывает так называемый парадокс Ферми, получивший свое название в честь знаменитого итальянского физика-эмигранта — отца контролируемого деления атомного ядра, создателя атомной бомбы в США во время Второй мировой войны. Если мы допустим, что инопланетяне не должны быть непременно похожи на земные формы жизни, то должно быть много других мест в нашей Галактике и Вселенной, где существует жизнь. Однако мы не встречаем пришельцев. В этом и состоит парадокс Ферми. Еще в 1975 г. Майкл Харт в журнале Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society опубликовал статью, в которой доказывал, что в настоящее время на Земле нет представителей каких-нибудь разумных форм инопланетной жизни, и сделал вывод, что «…есть серьезные свидетельства того, что мы являемся первой цивилизацией в нашей Галактике»{15}. Его рассуждения были основаны на оценке временны́х масштабов. Действительно, если бы существовала внеземная жизнь, тогда наши инопланетные соотечественники уже были бы здесь, а так как их здесь нет, то их не существует. Как и в случае с оценками в уравнении Дрейка, на самом деле все зависит от времени.

Существует резкое разделение в отношении, мировоззрении и ожиданиях между многими биологами и многими астрономами, которые могут быть привязаны к своим взглядам на уникальность Земли. Большинство астрономов, из наиболее известных — Саган и Дрейк, обычно полагают, что Земля не обладает никакой особенностью или специфичностью в самом широком смысле этого слова. Саган попросту считает гипотезу об уникальности нашей планеты ошибочной, а парадокс Ферми объясняет тем, что все внеземные цивилизации развиваются очень медленно и поэтому пока не установили контакт с нами. Большинство биологов уверены в уникальности жизни на Земле, возможно вследствие того, что богатство и сложность постоянно наблюдаемых ими проявлений жизни убеждают их в том, что наша планета является весьма выдающейся и специфичной, вследствие чего она и стала местом зарождения разумной жизни (хотя ее развитие и включало элементы случайности). Стефан Джей Гулд произнес свою известную фразу о «магнитофонной ленте» жизни и эволюции, которая может перематываться и проигрываться неоднократно, но из нее совершенно неясно, почему конечным продуктом эволюции должен стать именно человек. Действительно, как отмечал эволюционный биолог Теодосиус Добжански, из более чем 2 млн биологических видов, возникших на Земле, лишь один сумел создать язык, построить и развить культуру, а затем выработать концептуальные понятия личности, жизни и смерти. Поэтому Добжански считал абсурдной мысль о том, что любая жизнь, возникшая где-то, должна обязательно приводить к возникновению рационально мыслящих существ{16}.

Крайний оптимизм Сагана по отношению к возможности существования разумной внеземной жизни вытекает из его уверенности в том, что именно полная усредненность нашего положения в пространстве и времени делает нас совершенно заурядными обитателями Вселенной. Более того, Саган видит в спорах относительно уникальности Земли всего лишь некое отражение очень старой антропоцентрической точки зрения, восходящей по меньшей мере к Клавдию Птолемею. Таким образом, точки зрения астрономов и биологов на роль и назначение человечества (как в роли биологического вида, так и в качестве источника мыслящей жизни) на планете Земля действительно существенно различаются. Различия эти обусловлены научными и профессиональными причинами, вынуждающими специалистов обосновывать и оправдывать свой путь.

Споры относительно нашей уникальности временами обостряются, причем не только вследствие новых открытий, изменяющих научную картину, но иногда даже по политическим причинам, например когда решается вопрос об объеме и формах финансирования программ SETI правительством США на длительный период. В последнем случае расхождение мнений, связанное с различными оценками вероятностей обнаружения внеземной жизни, должно как-то отразиться в финансовых расходах для программ SETI.

Однако стоит отметить, что проекты SETI вовсе не являются первой попыткой организации поиска разумной жизни. Например, через 100 лет после того, как Коперник «вытеснил» Землю из центра Вселенной, Рене Декарт предположил, что Солнце тоже не является уникальным объектом. В своей книге «Первоначала философии» (Principles of Philosophy), опубликованной в 1644 г., он писал, что все звезды на небе похожи на наше Солнце, и даже утверждал, что они могут иметь собственные наборы планет, причем, возможно, некоторые из этих планет могут быть обитаемыми, а их обитатели, возможно, обладают душой. Идея подразумевает существование бессчетного числа планет. Его предположение о том, что другие звезды могут иметь планеты, должно было ждать подтверждения более 350 лет.

В 1995 г. два швейцарских астронома, Мишель Майор и Дидье Келоз, случайно обнаружили первую планету за пределами нашей Солнечной системы, вращающуюся вокруг звезды 51 созвездия Пегаса на расстоянии примерно 51 светового года от нас. Планета обращалась вокруг своего светила примерно за четыре дня на расстоянии до своего Солнца, меньшем в шесть раз, чем от Меркурия до нашего Солнца. Она оказалась неожиданно массивной, и ее масса составляла почти половину массы Юпитера, «бегемота» планетной линейки в нашей Солнечной системе. Эта планета около звезды 51 Пегаса оказалась первой в списке целого класса экзопланет, названных позднее «горячие Юпитеры», которые отличаются большой массой и вращаются в опасной близости от своего светила.

Любая планета сама по себе не излучает свет, который можно было бы заметить при сравнении со звездой. Она просто отражает свет, исходящий от родительской звезды. Кроме проблемы выявления такого слабого источника света яркое излучение звезды еще и затушевывает изображение планеты, дополнительно ухудшая ее обнаружение. По этим причинам астрономы наблюдали непосредственно лишь немногие из таких планет и редко могут отличить ее свет на фоне родительской звезды.

Для изучения экзопланет астрономы обычно используют непрямые методы исследования, основанные на гравитационных эффектах, подобных тем, что были разработаны для изучения темной материи и черных дыр. Некоторые из этих методов оказались очень эффективными и успешными. Самой распространенной стратегией поиска экзопланет — особенно типа «горячие Юпитеры» — оказалось измерение радиальной скорости, то есть колебаний звезды под воздействием притяжения планеты-компаньона с последующей проверкой астрономическими наблюдениями с Земли при помощи телескопов. Вот как этот метод работает: звезда, «приютившая» планету, будет реагировать на гравитацию планеты движением по крошечной орбите. Это приведет к обнаруживаемым малым изменениям скорости звезды, которые можно измерить по небольшим изменениям ее радиальной скорости по отношению к Земле. Такие отклонения могут быть измерены по доплеровскому сдвигу в спектре звезды. Этот метод не зависит от расстояния до звезды, но для поиска планет с меньшей массой, которые производят меньшие колебания, требуются данные более высокой точности. Поэтому описанный метод обычно применяют лишь при изучении достаточно близких к нам звездных систем, расположенных на расстояниях около 160 световых лет или меньше. В обычный телескоп нельзя одновременно следить за несколькими звездами, однако применение описанного выше метода в случае «горячих Юпитеров» позволяет проводить измерения на расстояниях в несколько тысяч световых лет. Метод удобнее использовать для обнаружения массивных планет, близких к своим звездам. Еще легче обнаружить планеты, обращающиеся вокруг звезд с небольшой массой, поскольку в этом случае гравитационные эффекты проявляются сильнее. Кроме того, звезды с небольшой массой обычно вращаются медленнее. Быстрое вращение звезды приводит к искажению спектральных линий, что осложняет их регистрацию. По данным измерений радиальной скорости можно определить массу планет. «Горячие Юпитеры» легче всего обнаружить благодаря таким колебаниям, поэтому неудивительно, что к данному классу относились все обнаруженные этим методом экзопланеты, включая упомянутые выше первые, зарегистрированные Майором и Келозом. Сейчас считается, что планеты типа «горячие Юпитеры» формируются не там, где мы их наблюдаем — около родительской звезды, а на больших расстояниях от нее и лишь позднее мигрируют внутрь системы, ближе к звезде. Обычно температура этих горячих, раздувшихся газовых планет-гигантов выше, чем на Венере, что делает их совершенно непригодными для известных нам форм жизни.

С повышением точности измерений астрономы научились регистрировать все более слабые колебания скорости звезд и постепенно выявлять экзопланеты со все меньшими массами. Первоначально такой «охотой» занимались две конкурирующие группы. В первую входили два упомянутых швейцарца, а во вторую — группа из Калифорнийского университета в Беркли, возглавляемая Джеффри Марси. Обе группы проводили мониторинг ближайших звезд, измеряя их скорости почти 20 лет. Важным достижением в этом направлении стало обнаружение группой Беркли первой многопланетной системы вокруг Ипсилон Андромеды на расстоянии около 44 световых лет от нас. К настоящему времени нашли четыре планеты, вращающиеся вокруг системы из двух звезд. Все эти планеты по размерам сравнимы с Юпитером.

Второй способ обнаружения планет — транзитный метод, и именно его использовал космический спутник НАСА Kepler для выявления тысяч кандидатов{17}. Если планета проходит по диску родительской звезды, то измеряемая яркость изменяется на очень малую долю. Мы это недавно наблюдали в нашей Солнечной системе при прохождении Венеры по диску Солнца в 2012 г. Уменьшение яркости может быть измерено, и это позволяет затем определить радиус проходящей по диску звезды планеты.

Конечно, регистрируемое затемнение зависит от относительных размеров звезды и планеты. Например, для звезды HD209458 уменьшение светимости составило менее 2 %. Недостатком описываемого метода является то, что прохождение может наблюдаться только при особом положении орбиты в системе «звезда — планета» по отношению к наблюдателю. Кроме того, звезда и планета могут наблюдаться только из космоса вследствие сильных искажений, вызываемых атмосферой Земли[34]. К счастью, камера на борту космического аппарата Kepler имеет очень высокую точность, позволяющую измерить ослабление яркости на уровне нескольких процентов.

К 10 ноября 2015 г. число обнаруженных экзопланет превысило 5000, включая планеты в составе 484 зарегистрированных мультипланетных систем[35]. За пределами Солнечной системы максимальным числом точно установленных планет обладают пока звезды Kepler 90 и HD10180 (семь и четыре, соответственно). Наиболее близкой к нам мультипланетной системой является звезда Gliese 876 с четырьмя экзопланетами, расположенная на расстоянии 15 световых лет от нас. С учетом этой системы можно утверждать, что на расстояниях до 50 световых лет мы уже знаем о 20 мультипланетных системах, но большая их часть располагается гораздо дальше.

В настоящее время «охота» за планетами превратилась в настоящую индустрию. Начавшись 15 лет назад с работы всего нескольких исследователей и инженеров, она превратилась в обширный раздел большой науки. В разработке, эксплуатации и изучении данных со спутника Kepler принимали участие исследовательские команды из сотен специалистов. Опытные «охотники за планетами» отмечают, что, поскольку практически почти все звезды окружены планетами (а некоторые — большим числом планет), даже грубая оценка позволяет понять, что число планет в видимой нами Вселенной может превышать число звезд! Эти соображения повышают шансы обнаружить в космосе жизнь, особенно при увеличении числа открываемых новых планет или их спутников. Основанные на углероде формы жизни могут существовать только в определенных температурных интервалах, препятствующих разрушению органических молекул. При экстремально холодных температурах, ожидаемых в открытом космосе, скорости химических реакций существенно понижаются, что может замедлить или даже сделать невозможным протекание многих быстрых метаболических реакций, необходимых для поддержания жизнедеятельности высокоорганизованных форм мыслящей жизни. Таким образом, для основанной на углеродных молекулах формах жизни остается лишь одна удобная для существования ниша обитания, а именно планеты и их спутники, где при умеренных температурах могут жить и развиваться сложные и высокоразвитые формы жизни, которые можно сравнить с земными.

Говоря откровенно, я считаю, что, как и при обсуждении антропного принципа, земляне часто настроены излишне эгоцентрично в отношении обсуждаемой проблемы и их доводы или оценки основываются на полностью антропоцентрической точке зрения. Может быть, это просто недостаток воображения, который удерживает нас от путешествия за пределами знакомой жизни, или недостаток интеллекта, чтобы увидеть ее проявления? Вполне возможно, что разумная жизнь может возникнуть в кажущихся нам непривычными условиях существования и при необычных обстоятельствах. На Земле обнаружены некоторые виды экстремофилов, то есть форм жизни, способных длительно оставаться живыми при самых жестоких условиях среды существования. Например, можно отметить два вида термофильных бактерий, приспособившихся к очень высоким температурам: Thermus aquaticus (живущих в горячих источниках Йеллоустонского национального парка США при температуре 71 °C) и Pyrolobus fumarii (обнаруженных в так называемых «курительных трубках» геологического хребта на дне Атлантического океана с температурой 113 °C). С другой стороны, на Земле обнаружены и криофильные бактерии, способные выживать при экстремально низких температурах (например, Psychrobacter, существующие в диапазоне температур от –10 °C до 42 °C). Сам факт существования таких микроорганизмов доказывает высокую адаптивность и приспособляемость форм жизни к самым суровым условиям окружающей среды: например, Земля пережила пять ледниковых периодов и даже смену магнитных полюсов примерно 11 700 лет назад. Поэтому кто знает, какие формы жизни могут возникать на экзопланетах? Немало этих планет достаточно удалены от своих родительских звезд, чтобы вода (если она там присутствует) оставалась в жидком состоянии. Поэтому многие могли бы быть суперземлями — планетами, которые немного более массивны, чем Земля, но менее массивны, чем Уран и Нептун. Дополнительный интерес к этому направлению исследований возник после пресс-конференции 15 июля 2015 г. в Лондоне, где Стивен Хокинг и русский миллиардер Юрий Мильнер объявили о начале реализации совместного проекта под названием «Прорыв в прослушивании» (Breakthrough Listen), крупнейшей инициативы по детектированию сигналов внеземной жизни. Мильнер великодушно выделил на эти цели $100 млн. Часть из них пойдет на оплату астрономических наблюдений, которые необходимо провести с использованием двух далеко разнесенных телескопов. Одним из них будет телескоп имени Роберта С. Бёрда в Грин-Бэнк (штат Виргиния), другим — радиотелескоп обсерватории Паркса в австралийском штате Новый Южный Уэллс. Как и в случае «Телескопа горизонта событий», специально созданного для поиска черной дыры в центре нашей Галактики, комбинированное применение двух разнесенных телескопов превращает всю планету в очень большой радиотелескоп с гигантским размером, эквивалентный одному зеркалу, которое протянулось от США до Австралии, для прослушивания радиосигналов, передаваемых разумными существами в других местах. Объявляя об этом совместном проекте, Хокинг сказал: «…В бесконечной Вселенной должны существовать другие проявления жизни… или вы предпочитаете бродить по безжизненному космосу? В любом случае особых сомнений у нас нет». Мильнер заявил, что он принял участие в этой инициативе, поскольку у него внутреннее чувство того, что мы не одиноки во Вселенной. Выступая на пресс-конференции, Мильнер сказал: «Я думаю, что это маловероятное, но очень важное событие. Независимо от того, какой мы получим ответ, это будет мощный ответ. Поэтому мы должны использовать лучшие технологии и лучшие из доступных инструментов для получения ответа»{18}. Все мы с нетерпением ждем возможность подслушать переговоры инопланетян.

Центральной проблемой всех дискуссий — поиски следов жизни и разумной жизни, ее форм и возможностей существования во Вселенной, разработка лучших методик общения с инопланетянами — остается вопрос о том, насколько уникальны мы сами. Другими словами, нам предстоит определить и найти собственное место в окружающем мире. Стремительное развитие космологии давно выявило, что мы не уникальны. Наша планета вовсе не является центром Вселенной. Наша Солнечная система — всего лишь одна из множества ей подобных. Наша Вселенная тоже ничем не выделяется среди других, хотя природа ее главных составляющих — темной энергии и темной материи — остается неуловимой для нас. Наши глаза не настроены так, чтобы увидеть большую часть реальности. Тем не менее, хотя мы и кажемся незначительными, у нас как вида значительные возможности. Мы решали и отвечали на вопросы о Вселенной, которые казались невозможными и неразрешимыми. Мы уже добились замечательного прогресса в росте общего объема знаний и развитии методов познания. Несмотря на ограниченность наших когнитивных способностей (общие размеры нашего черепа и мозга не превышают размеров дыни), нам удалось в результате исследований разгадать многие секреты окружающего мира. Однако, с другой стороны, мы все еще остаемся готовыми к уничтожению не только своего биологического вида, единственной известной нам формы разумной жизни, но и всей вырастившей нас небольшой зеленой планеты. Наряду с любознательностью по отношению к космосу на нас возлагаются и неотложные земные обязанности, о которых нельзя забывать.

Сейчас мы с нетерпением и трепетом ждем новых открытий: синтез интересных органических молекул, выявление биомаркеров, обнаружение признаков воды на недавно открытых планетах. Поиски разумной жизни затянулись, но и в этом направлении мы продвинулись достаточно далеко. Джон Мичелл не мог и представить, что мы сможем проследить орбиты звезд вокруг черной дыры в центре Млечного Пути, а сейчас мы уже обладаем технологиями, которые всего полвека назад были за гранью самых смелых фантазий ученых.

Итак, что еще нам предстоит понять и нанести на карту? Передний край науки привел нас к изучению самых больших и самых малых масштабов. С одной стороны, мы тщательно изучаем нашу Вселенную, с другой — внимательно рассматриваем нашу Галактику и рассуждаем о собственной сущности. В обоих случаях мы ищем компаньонов в «зоопарке вселенных», соответствующих всем возможным проявлениям шести фундаментальных констант, и сообщество разумных существ, которые заставят нас задуматься, что значит быть живым.

Эпилог

Смелые идеи, неоправданные ожидания и умозрительные рассуждения — единственные средства для понимания природы… Те из нас, кто не желает подвергать свои идеи опасности опровержения, не принимают участия в научной игре.

Карл Поппер.

Логика научного исследования

В этой книге я проследила путь радикальных научных идей от противостояния до принятия. Вы увидели, что сопротивление им может быть сложным и не совсем разумным. Личное соперничество, слава и догмы могут удерживать научное сообщество от достижения консенсуса. Однако мы также увидели, что в конечном счете научная победа оказывается связанной с накоплением данных и свидетельств, получаемых из многих независимых источников.

Я надеюсь, что мне удалось показать, что развитие большинства интересных научных идей напоминает составление карт, иногда даже в буквальном смысле. При каждом пересмотре имеющейся карты данных мы видим детали окружающего нас мира более ясно. Мы отбрасываем те ее части, которые оказались царствами фантазии. Если нам особенно повезет, мы сможем нанести на карту terra incognita, новые, ранее неизвестные нам земли. Для движения вперед нам требуется изобретательность в сочетании с научным складом ума, который должен быть гибким и открытым для изменений, но чтобы изменения воспринимались лишь при достаточно убедительных доказательствах их необходимости. Кроме того, нам необходимо обладать технологиями и инженерным искусством для создания все более сложных инструментов, позволяющих осуществлять все более точные измерения.

Такое сочетание техники и изобретательности привело к существенному сдвигу в масштабах и практическом проведении научных исследований вообще. За последние 40 лет мы стали свидетелями перехода к так называемой большой науке. Она связана с осуществлением очень крупных проектов, требующих для своей реализации масштабных вложений экономических, человеческих, технических и интеллектуальных ресурсов. Большую часть проблем на переднем крае исследований в области космологии уже нельзя решать, как прежде: блестящими достижениями работающих в одиночку ученых-индивидуалистов. Современные вызовы требуют решений крупными научными коллективами, включающими иногда сотни ярких ученых, способствующих специализированной подготовке с почти корпоративными усилиями. Описанное изменение стиля научной работы вовсе не является каким-то поверхностным и маловажным явлением, а свидетельствует о существенном сдвиге в культуре и интеллектуальном подходе. Сейчас мы нуждаемся в сложном и дорогостоящем оборудовании, включая различные типы телескопов (как наземных, так и космических), систем связи и мощных суперкомпьютеров. В то время как большинство в научном сообществе отмечает эту новую волну больших проектов, существуют дискуссии о том, как эти изменения повлияют на роль отдельного творческого ученого, движимого личным любопытством. Особое значение при этом приобретает проблема интеллектуального риска. Понятно, что ученый-одиночка может легче рисковать и воспринимать риски, чем целая группа, поскольку группе необходимо обеспечивать консенсус относительно источников финансирования и направлений исследования. При этом необходимо избегать так называемого группового мышления, так как исследователям в такой ситуации трудно сохранять уверенность, внимание и консерватизм. Решение заключается в разумной комбинации обоих стилей научной работы, то есть в сочетании усилий отдельных индивидуалистов-визионеров с высокой эффективностью и скоростью работы, характерной для коллабораций ученых.

Наряду с развитием большой науки сейчас происходит еще один важный культурный сдвиг, который дает интернет: открытый доступ к информации, быстрый, дешевый и эффективный. Новые культурные и технологические возможности позволяют создавать такие информационные ресурсы, как, например, сайт arXiv.org, где астрономы и астрофизики могут помещать свои статьи часто сразу после того, как они отправили их в журналы на рассмотрение. Такая открытость значительно улучшила доступ и предоставила ученым новый способ временно́й отметки первенства своей работы. Сначала этими возможностями воспользовались физики, однако затем, в связи с развитием и распространением социальных сетей, в эту деятельность оказались втянуты ученые практически всех специальностей. Кроме того, социальные сети позволили ученым непосредственно связываться с журналистами и общественностью и знакомить публику с новыми интересными результатами своих исследований.

Давление проблем финансирования большой науки способствовало такому стремлению к прозрачности. Если на поддержку многомиллионного современного оборудования требуются большие суммы денег налогоплательщиков, то ученые должны не только оправдывать то, что они делают, но и делиться своими результатами как можно активнее и быстрее. Именно такая оживленная гонка способствовала золотому веку космологии, и мы увидели эти впечатляющие прорывы.

Помимо обеспечения доступа к информации интернет открыл новые возможности развития самой науки, позволив общественности наблюдать за научными спорами и дискуссиями и даже принимать в них участие. Пользуясь создаваемой современными глобальными средствами связи способностью практически мгновенной передачи информации, общественность в наше время может наблюдать за процессом достижения научного консенсуса при научных встречах и конференциях в реальном масштабе времени. В этой связи вспомним о нашумевшем в 2014 г. сообщении, связанном с обнаружением и регистрацией гравитационных волн. Газеты публиковали об этом событии статьи с броскими заголовками, и это казалось совершенно справедливым, поскольку регистрация гравитационных волн доказывала состоятельность предложенной Эйнштейном еще в 1916 г. общей теории относительности, когда и началась «охота» за этими волнами. Физики из группы BICEP_2, работавшие на телескопе, установленном на Южном полюсе Земли, сообщили о регистрации гравитационных волн. Это открытие также подтверждало инфляционную модель и возникновение Вселенной в результате Большого взрыва. Перед публикацией результатов группа BICEP_2 собрала пресс-конференцию еще до получения конечного заключения экспертов. Новость быстро облетела все научные блоги, после чего научное сообщество космологов занялось проверкой, изучением и анализом результатов. После острых дискуссий эксперты обнаружили, что регистрация гравитационных волн была ошибочной, а ошибка оказалась связанной с воздействием космической пыли.

Описанный случай является интересным и показательным, поскольку публикация результатов исследований быстро получила широкую известность (и очень высокий импакт-фактор), хотя данные не обладали необходимой научной точностью. Это заставляет задуматься о необходимости тщательной проверки и анализа публикуемых данных в ситуациях с высоким риском. Описанный поворот событий стал большим несчастьем для многих ученых, работающих в данном направлении астрофизики. Я лично не отношусь к их числу, но полагаю, что рецензирование является важной частью профессиональной научной деятельности. Я также убеждена, что открытость науки очень нужное и полезное условие нашей деятельности, позволяющее публике понимать, чем занимаются ученые. Фактически сейчас у ученых нет выбора, и они должны общаться с общественностью и продолжать обсуждение и анализ получаемых результатов как с коллегами по работе, так и исследователями-любителями, рассеянными по всему миру. С учетом сказанного возникает вопрос: почему мы до сих пор иногда сталкиваемся с фактами яростного отрицания роли и важности науки вообще? Я полагаю, что необузданное отрицание вызывается не столько недостатком знаний о научных фактах, сколько непониманием того, как осуществляется исследовательская работа, обсуждение результатов. Необходимо поднять занавес, не позволяющий широкой общественности следить за процессами научной работы и понимать их суть. Мне также нравится думать, что существующи́й скептицизм по отношению к науке является частью явления, которое ученые называют гистерезисом (запаздыванием), которое затрудняет быстрое и непредсказуемое действие открытий и преобразований в цифровую эпоху.

Эта книга посвящена картам, которые могут относиться не только к пространству, но и ко времени. Мы живем в неупорядоченной Вселенной, которая расширяется в ускоряющемся режиме. Никогда раньше в истории человечеству не приходилось столь часто задумываться о бренности и преходящем характере понимания действительности. У нас есть постоянно меняющаяся космическая карта. Научные истины по самой своей сути требуют постоянного пересмотра и уточнения, и этот факт сейчас стал неотъемлемой частью окружающей реальности. За последние 100 лет наше мировоззрение резко изменилось, переписав само ощущение того, кто мы, откуда пришли и куда движемся.

Сейчас мы осознаем, что перспективы нашего развития лишь частично связаны с внешними факторами, а в очень большой степени на них влияют другие аспекты. Когда-то считалось, что мозг и генетика являются (подобно окружающей нас Вселенной) чем-то постоянным. Сейчас мы понимаем, что они меняются. Создание карт генома человека помогает картографировать нашу химическую сущность. Развитие методов компьютерной геномики за последние десятилетия позволило точно установить, что колыбелью человечества является Африка, а дальнейшее развитие всего человечества стало результатом последующих миграций. Замечательный прогресс в нейробиологии позволяет уже сейчас приступить к разгадке тайн сознания и работы мозга. Методы функционального ядерного магнитного резонанса и визуализации наблюдаемых при этом процессов открыли возможность беспрецедентного неинвазивного их исследования. Уже обнаружены новые типы связей между нейронами и вскрыты механизмы их согласованной совместной работы. Эти исследования выявили, что работа мозга обеспечивается функционированием некоторых когерентно и синхронизированно действующих сетевых систем, располагающихся на обширных областях мозга. Эти области мозга еще не описаны и ждут подробного исследования. Человеческий мозг и гены сложны, но есть надежда, что скоро мы сможем понять, как переключение определенного нейрона или их группы может подтолкнуть наше мышление. И будет результат: карта эмоций, движения или даже новой идеи. Карты продолжают формировать представления о космосе и о нас самих.

Примечания

1. Древние карты неба

1. Детальное описание исследования Лейарда от первого лица можно найти в: Austen Henry Layard, A Popular Account of Discoveries at Nineveh (New York: Derby, 1854). Кстати, 40 000 клинописных таблиц хранятся в Йельской Вавилонской коллекции.

2. Kenneth R. Lang, The Cambridge Guide to the Solar System (Cambridge: London, 2011), 410–20. Более детальное описание Вавилонской астрономии, астрологии и космологии можно найти в: Thorkild Jacobsen, «Enuma Elish — ‘The Babylonian Genesis,’» in Theories of the Universe: From Babylonian Myth to Modern Science, ed. Milton K. Munitz (New York: Free Press, 1965), 8–21. Более подробные примеры см. в моем эссе: «Revelations from Outer Space», New York Review of Books, May 21, 2015, www.nybooks.com/articles/archives/ 2015/may/21/interstellar-revelations-outer-space/

3. «Astrology in Babylonia», in Encyclopaedia of the History of Science, Technology, and Medicine in Non-Western Cultures, 2nd ed., ed. Helaine Selin (Berlin: Springer Verlag, 2002), 251.

4. Carlo Rovelli, The First Scientist: Anaximander and His Legacy (Yardley, PA: Westholme, 2011), 57–60, 104. Additional information on the Milesians can be found in F. M. Cornford, «Pattern of Ionian Cosmogony», in Munitz, Theories of the Universe, 21–31; and G. S. Kirk, J. E. Raven, and M. Schofield, eds., The Presocratic Philosophers: A Critical History with a Selection of Texts, 2nd ed. (Cambridge: Cambridge University Press, 1983), 76–142.

5. John Vardalas, «A History of the Magnetic Compass», Institute, member newspaper of the Institute of Electrical and Electronics Engineers, November 8, 2013, http://theinstitute.ieee.org/technology-focus/technology-history/a-history-of-the-magnetic-compass. John Huth’s recent The Lost Art of Finding Our Way (Cambridge, MA: Harvard University Press, 2013).

6. R. C. Taliaferro приводит перевод Альмагеста в Great Books of the Western World, vol. 16 (Chicago: Encyclopaedia Britannica, 1952). Обзор космологии древних греков начиная от Птолемея см. в: F. M. Cornford, Plato’s Cosmology: The Timaeus of Plato (New York: Humanities Press, 1937); and of W. K. C. Guthrie, Aristotle: On the Heavens,Loeb Classical Library (Cambridge, MA: Harvard University Press, 1939).

7. Ali Abdullah al-Daffa, The Muslim Contribution to Mathematics (London: Croom, 1977).

8. Petra G. Schmidl, «Two Early Arabic Sources on the Magnetic Compass», Journal of Arabic and Islamic Studies 1 (1997–98): 85.

9. Catalan Atlas and by Andreas Cellarius, Giovanni Battista Riccioli, and Bernard Picart — are included in Michael Benson’s comprehensive compendium of images Cosmigraphics: Picturing Space Through Time (New York: Abrams, 2014), which I reviewed in «Revelations from Outer Space».

10. Owen Gingerich, The Book Nobody Read (New York: Penguin, 2005), 146.

11. В действительности Аристарху (310–230 до н. э.) приписывают открытие гелиоцентрической модели. Хотя его работа не сохранилась, на нее ссылается Архимед в своих вычислениях.

12. Gingerich, Book Nobody Read, 170–85.

13. Детали плодотворного сотрудничества Браге и Кеплера можно найти в: Kitty Ferguson’s Tycho and Kepler: The Unlikely Partnership That Forever Changed Our Understanding of the Heavens (New York: Walker, 2002).

2. Границы отодвигаются

1. Walter B. Clausen, Associated Press release, February 4, 1931, цит. по: Gale E. Christianson, Edwin Hubble: Mariner of the Nebulae (Chicago, University of Chicago Press, 1995), 210.

2. Jordan Holliday, «Before Revolutionizing Astronomy, Hubble Helped Rewrite Record Books», Chicago Maroon, April 10, 2009, http://chicagomaroon.com/2009/04/10/ before-revolutionizing-astronomy-hubble-helped-rewrite-record-books/; Alan Lightman, The Discoveries: Great Breakthroughs in 20th-Century Science, Including the Original Papers (New York: Pantheon, 2005), 230; Marcia Bartusiak, The Day We Found the Universe (New York: Vintage, 2009), 170; and «Rhodes Scholars: Complete List, 1903–2015», www.rhodeshouse.ox.ac.uk/about/rhodes-scholars/rhodes-scholars-complete-list. Bartusiak, Archives of the Universe: 100 Discoveries That Transformed Our Understanding of the Cosmos (New York: Vintage, 2004), 414–24.

3. Bartusiak, Day We Found the Universe, 174; and Christianson, Edwin Hubble, 86–87.

4. Aristotle, On the Heavens, book 1, chapter 3, translated by W. K. C. Guthrie, Loeb Classical Library (Cambridge, MA: Harvard University Press, 1971), 25. Неподвижные звезды имеют параллакс, который представляет собой изменение видимого положения, вызванное орбитальным движением Земли. Этот эффект достаточно мал, и его не могли заметить до наших дней. С его помощью можно найти расстояние до ближайших звезд.

5. Liber Hermetis, Part I, translated by Robert Zoller, edited by Robert Hand (Berkeley Springs, WV: Golden Hind, 1993).

6. Шекспир У. Полное собрание сочинений. Т. 8. — М.: Искусство, 1960.

7. Percy Bysshe Shelley, Queen Mab; a Philosophical Poem (New York: William Baldwin, 1821), 46.

8. Robert Mitchell, «‘Here Is Thy Fitting Temple’: Science, Technology and Fiction in Shelley’s Queen Mab», in «Romanticism on the Net», special issue, Romanticism and Science Fiction 21 (February 2001): www.erudit.org/revue/ron/2001/v/n21/ 005964ar.html

9. Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырех томах. — М.: Наука, 1965–1967.

10. Позже Эйнштейн утверждал, что космологическая константа была его «самой большой ошибкой». См.: Mario Livio, Brilliant Blunders: From Darwin to Einstein — Colossal Mistakes by Great Scientists That Changed Our Understanding of Life and the Universe (New York: Simon and Schuster, 2013), 233.

11. Lightman, Discoveries, 230–32.

12. Georges Lemaître, «Un univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques», Annales de la Société scientifique de Bruxelles 47A (1927): 49–59, translated as «A Homogeneous Universe of Constant Mass and Increasing Radius Accounting for the Radial Velocity of Extra-galactic Nebulae», Monthly Notices of the Astronomical Society 91 (1931): 483–90, quote on 489.

13. Charles Darwin to W. D. Fox, February 15, 1851, available at Darwin Correspondence Project, accessed August 12, 2014, www.darwinproject.ac.uk/entry-94

14. Immanuel Kant, Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels (Königsberg: Petersen, 1755), part 1, translated by Hubble himself in his Realm of the Nebulae (New Haven: Yale University Press, 1982), 23–25.

15. Hubble, Realm of the Nebulae, 23.

16. Barbara L. Welther, «Pickering’s Harem», Isis 73 (1982): 94.

17. Lightman, Discoveries, 111–26; and Henrietta Leavitt, «Periods of 25 Variable Stars in the Small Magellanic Cloud», article signed by Edward C. Pickering, Harvard College Observatory Circular 173 (March 3, 1912): 3.

18. Harlow Shapley, «Globular Clusters and the Structure of the Galactic System», Publications of the Astronomical Society of the Pacific 30, no. 173 (1918): 42–54.

19. Robert W. Smith, «Edwin P. Hubble and the Transformation of Cosmology», Physics Today, April 1990, 52–58.

20. Bartusiak, Day We Found the Universe, 169–250; and Lightman, Discoveries, 236–40. Hubble’s account of his research work is in his Realm of the Nebulae.

21. Световой год — это расстояние, которое проходит свет за год со скоростью примерно 300 000 км/с, приблизительно соответствует расстоянию в 9,7 трлн км.

22. Hubble, Realm of the Nebulae, 23.

23. Smith, «Edwin P. Hubble», 57.

24. George W. Gray, «Invisible Stuff», Atlantic Monthly, July 1931, 47–56.

25. James Stokley, «Eddington Pictures Expanding Universe», New York Times, September 7, 1932, available at http://timesmachine.nytimes.com/times machine/1932/09/08/100802822.html

26. Edwin Hubble, «Effects of Red Shifts on the Distribution of Nebulae», Astrophysical Journal 84 (1936): 517–54, quote on 517.

27. Cormac O’Raifeartaigh, Brendan McCann, Werner Nahm, and Simon Mitton, «Einstein’s Steady State Theory: An Abandoned Model of the Cosmos», accepted for publication in European Physics Journal H, last revised May 22, 2014, http://arxiv.org/abs/1402.0132

28. Fred Hoyle, BBC radio broadcast, March 28, 1949, reprinted in Listener 41 (April 7, 1949): 568. See www.joh.cam.ac.uk/library/special_ collections/hoyle/exhibition/radio

29. Fred Hoyle, «Steady State Cosmology Revisited», in Cosmology and Astrophysics: Essays in Honor of Thomas Gold, ed. Yervant Terzian and Elizabeth M. Bilson (Ithaca: Cornell University Press, 1982), 51.

30. Helge Kragh, Cosmology and Controversy: The Historical Development of Two Theories of the Universe (Princeton: Princeton University Press, 1996).

3. Черная сердцевина

1. Rumiko Takahashi, Inuyasha, originally serialized in Weekly Shōnen Sunday from 1996 to 2008. Miroku also appears in season 1, episode 16 of the Inuyasha anime, which first aired on February 19, 2001. See also Rupert W. Anderson, The Cosmic Compendium: Black Holes (self-published through Lulu.com, 2015), 57.

2. Stanley Wolpert, A New History of India, 8th ed. (New York: Oxford University Press, 2009), 185; J. H. Little, «The Black Hole — the Question of Holwell’s Veracity», in Bengal, Past and Present: Journal of the Calcutta Historical Society 12 (1916), part 1, serial 23: 32–42, 136–71; and «Only One Topic in Paris», New York Times, May 29, 1887, accessed September 15, 2015, http://query.nytimes.com/mem/archive-free/pdf?res=9C04E0DB1730E633A257 5AC2A9639C94669FD7CF.

3. Edgar A. Poe, «The Premature Burial», Philadelphia Dollar Newspaper, July 31, 1844, available at www.eapoe.org/works/info/pt048.htm#text02

4. Бартусяк в деталях исследовал этот вопрос в: Black Hole: How an Idea Abandoned by Newtonians, Hated by Einstein, and Gambled On by HawkingBecame Loved (New Haven: Yale University Press, 2015), глава 7.

5. Michael Sanderson, Education, Economic Change and Society in England 1780–1870 (Cambridge: Cambridge University Press, 1995), 40.

6. «Case Study: John Michell and Black Holes», excerpt from Cosmic Horizons: Astronomy at the Cutting Edge, ed. Steven Soter and Neil deGrasse Tyson (New York: New Press, 2000), на сайте Американского музея национальной истории: www.amnh.org/education/resources/rfl/ web/essaybooks/cosmic/cs_michell.html

7. John Michell, «On the Means of Discovering the Distance, Magnitude, andc. of the Fixed Stars, in Consequence of the Diminution of the Velocity of Their Light, in Case Such a Diminution Should Be Found to Take Place in Any of Them, and Such Other Data Should Be Procured from Observations, as Would Be Farther Necessary for That Purpose. By the Rev. John Michell, B. D. F. R. S. In a Letter to Henry Cavendish, Esq. F. R. S. and A. S»., Philosophical Transactions of the Royal Society of London 74 (1784): 35–57; and Charles Coulston Gillispie, Pierre-Simon Laplace, 1749–1827: A Life in Exact Science, with the collaboration of Robert Fox and Ivor Grattan-Guinness (Princeton: Princeton University Press, 2002), 175.

8. A. Einstein, «Ist die Tragheit eines Korpers von seinem Energieinhalt abhangig?» [Does the inertia of a body depend on its energy content?], Annalen der Physik, 4th ser., vol. 18 (1905): 639–41; and Einstein, «Erklarung der Perihelbewegung des Merkur aus der allgemeinen Relativitatstheorie» [Explanation of the perihelion motion of Mercury from the general theory of relativity], Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften 2 (November 18, 1915): 831–39.

9. Mitchell Begelman and Martin Rees, Gravity’s Fatal Attraction: Black Holes in the Universe, 2nd ed. (Cambridge: Cambridge University Press, 2005), это полное введение в теорию черных дыр с большим количеством иллюстраций и диаграмм.

10. Einstein, «Tragheit eines Korpers».

11. Michael White and John Gribbin, Einstein: A Life in Science (London: Simon and Schuster, 1993), 115–16; and Frank Watson Dyson, Arthur Stanley Eddington, and Charles Davidson, «A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations Made at the Total Eclipse of 29 May 1919», Philosophical Transactions of the Royal Society 220A (1920): 291–333.

12. A. Einstein, Relativity: The Special and General Theory, translated by Robert W. Lawson, introduction by Roger Penrose (New York: Pi, 2005); and Mario Livio, Brilliant Blunders: From Darwin to Einstein — Colossal Mistakes by Great Scientists That Changed Our Understanding of Life and the Universe (New York: Simon and Schuster, 2013), 269. I discuss more generally the provisional nature of science, for instance how new theories displace older ones, in my review essay «What Scientists Really Do», New York Review of Books, October 23, 2014, www.nybooks.com/articles/archives/ 2014/oct/23/what-scientists-really-do/

13. Karl Schwarzschild, «Uber das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie», Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften 7 (1916): 189–96, translated by Salvatore Antoci and Angelo Loinger as «On the Gravitational Field of a Mass Point According to Einstein’s Theory», submitted May 12, 1999, http://arxiv.org/abs/physics/9905030; and Roy P. Kerr, «Gravitational Field of a Spinning Mass as an Example of Algebraically Special Metrics», Physical Review Letters 11, no. 5 (1963): 237.

14. The conflict between Chandra and Eddington is described in Kameshwar C. Wali, Chandra: A Biography of S. Chandrasekhar (Chicago: University of Chicago Press, 1992), 123–46. Arthur I. Miller’s Empire of the Stars: Obsession, Friendship, and Betrayal in the Quest for Black Holes (Boston: Houghton Mifflin, 2005) is entirely about the controversy surrounding black holes.

15. Miller, Empire of the Stars, 3–15, 96–119, 135.

16. Ibid., 125–50.

17. Max Planck, Scientific Autobiography and Other Papers, translated by F. Gaynor (New York: Philosophical Library, 1949), 33–34.

18. 1 нанометр — 1 миллиардная часть метра, или 10–9 м.

19. «Riccardo Giacconi — Facts», fact sheet for the Nobel Prize in Physics 2002, www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/ laureates/2002/giacconi-facts.html

4. Невидимая решетка

1. Richard Panek, The 4 % Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality (New York: Mariner Books, 2011), chapters 1–6.

2. For Fraunhofer’s biography see T. Hockey, ed., The Biographical Encyclopedia of Astronomers (Heidelberg: Springer, 2009), 388.

3. American Institute of Physics, «Spectroscopy and the Birth of Astrophysics», Center for History of Physics, www.aip.org/history/cosmology/ tools/tools-spectroscopy.htm

4. F. Zwicky, «Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln» [The redshift of extragalactic nebulae], translated by Friedemann Brauer, Helvetica Physica Acta 6 (1933): 110–27. For these translations, I have relied on Sidney van den Bergh, «The Early History of Dark Matter», Publications of the Astronomical Society of the Pacific 111, no. 760 (June 1999): 657.

5. Sinclair Smith, «The Mass of the Virgo Cluster», Astrophysical Journal 83 (1936): 23–31.

6. Tricia Close, «Lunatic on a Mountain: Fritz Zwicky and the Early History of Dark Matter» (master’s thesis, Saint Mary’s University, Halifax, Nova Scotia, 2001), http://library2.smu.ca/bitstream/handle/ 01/22390/close_tricia_masters_2001. PDF

7. «Kent Ford & Vera Rubin’s Image Tube Spectrograph Named in Smithsonian’s ‘101 Objects That Made America,’» Department of Terrestrial Magnetism, Carnegie Institution for Science, https://dtm.carnegiescience.edu/news/ kent-ford-vera-rubins-image-tube-spectrograph-named-smithsonians-101-objects-made-america; and Derek J. de Solla Price, Little Science, Big Science (New York: Columbia University Press, 1963), 70.

8. Dark matter particles — whatever they may be — are expected to move at low speeds and are hence referred to as cold.

9. Jon Agar, Science in the Twentieth Century — and Beyond (Cambridge: Polity, 2012), 164.

10. Antoine de Saint-Exupéry, The Little Prince, translated by Katherine Woods (New York: Harcourt Brace and World, 1943), 48; and John F. Fulton, «Robert Boyle and His Influence on Thought in the Seventeenth Century», Isis 18, no. 1 (July 1932): 77–102.

11. Albert A. Michelson and Edward W. Morley, «On the Relative Motion of the Earth and of the Luminiferous Ether», Sidereal Messenger 6 (1887): 306–10. Михельсон получил Нобелевскую премию по физике в 1907 г. за разработку интерферометра.

12. F. Zwicky, Morphological Astronomy (Berlin: Springer, 1957), 132. См. также: J. R. Bond and A. S. Szalay introduced its modern usage referring to cold, collisionless particles into the literature in «The Collisionless Damping of Density Fluctuations in an Expanding Universe», Astrophysical Journal 274 (1983): 443–68.

13. F. Zwicky, «On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae», Astrophysical Journal 86, no. 3 (1937): 237.

14. G. Soucail, «The Giant Luminous Arc in the Centre of the A 37 °Cluster of Galaxies», ESO Messenger 48 (June 1987): 43–44, available at http://adsabs.harvard.edu/abs/ 1987Msngr..48…43S

15. J. H. Oort, «Some Problems Concerning the Structure and Dynamics of the Galactic System and the Elliptical Nebulae NGC 3115 and 4494», Astrophysical Journal 91 (1940): 273.

16. F. D. Kahn and L. Woltjer, «Intergalactic Matter and the Galaxy», Astrophysical Journal 130 (1959): 705–17.

17. A. Wilson, «Zwicky: Humanist and Philosopher», Engineering and Science 37 (March — April 1974): 18.

18. Dennis Overbye, Lonely Hearts of the Cosmos (New York: Harper Collins, 1991), 18.

19. V. Rubin, K. Ford, and J. Rubin, «A Curious Distribution of Radial Velocities of ScI Galaxies with 14.0 ≤ M ≤ 15.0», Astrophysical Journal Letters 183 (1973): L111.

20. Интервью см.: Niels Bohr Library and Archives, American Institute of Physics, College Park, MD, www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/5920–2. Richard Panek describes Rubin’s work and contributions in detail in 4 % Universe, 25–53; см. также Alan Lightman and Roberta Brawer, Origins: The Lives and Worlds of Modern Cosmologists (Cambridge, MA: Harvard University Press, 1990), 291.

21. M. S. Roberts and R. N. Whitehurst, «The Rotation Curve and Geometry of M31 at Large Galactocentric Distances», Astrophysical Journal 201 (1975): 327–46.

22. J. Ostriker and J. P. E. Peebles, «A Numerical Study of the Stability of Flattened Galaxies: or, Can Cold Galaxies Survive?» Astrophysical Journal 186 (1973): 467.

23. J. Ostriker, J. P. E. Peebles, and A. Yahil, «The Size and Mass of Galaxies, and the Mass of the Universe», Astrophysical Journal Letters 193 (1974): L1; and Agris J. Kalnajs, «Halos and Disk Stability», in Dark Matter in the Universe: Proceedings of the 117th Symposium of the International Astronomical Union, ed. J. Kormendy and G. R. Knapp (Boston: Kluwer Academic, 1987), 289–99.

24. Virginia Trimble, «History of Dark Matter in Galaxies», in Planets, Stars and Stellar Systems, ed. Terry D. Oswalt, vol. 5, Galactic Structure and Stellar Populations, ed. Gerry Gilmore (New York: Springer, 2013), 1091–118.

25. George R. Blumenthal, S. M. Faber, Joel R. Primack, and Martin J. Rees, «Formation of Galaxies and Large-Scale Structure with Cold Dark Matter», Nature 311 (1984): 517; and S. D. M. White, C. S. Frenk, and M. Davis, «Clustering in a Neutrino-Dominated Universe», Astrophysical Journal Letters 274 (1983): L1; Vera Rubin, «The Rotation of Spiral Galaxies», Science 220 (June 24, 1983): 1344.

26. Thomas S. Kuhn, The Structure of Scientific Revolutions (Chicago: University of Chicago Press, 1962).

27. Richard Holmes, The Age of Wonder: How the Romantic Generation Discovered the Beauty and Terror of Science (New York: Vintage, 2010) 60–125.

28. A. Einstein, «Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie» [The foundation of the general theory of relativity], Annalen der Physik 49, no. 7 (1916): 769–822.

29. Arrigo Finzi, «On the Validity of Newton’s Law at a Long Distance», communicated by F. A. E. Pirani, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 127 (1963): 28, 30.

30. Jacob Bekenstein and Mordehai Milgrom, «Does the Missing Mass Problem Signal the Breakdown of Newtonian Gravity?» Astrophysical Journal 286 (1984): 7–14; and Milgrom, «Does Dark Matter Really Exist?» Scientific merican, August 2002, 42.

31. Jean-Paul Kneib and Priyamvada Natarajan, «Cluster Lenses», Astronomy and Astrophysics Review 19 (2011): article 47.

5. Меняем масштабы

1. H. G. Wells, The First Men in the Moon (London: Newnes, 1901).

2. Roger Babson, «Gravity — Our Enemy Number One», reprinted in H. Collins, Gravity’s Shadow: The Search for Gravitational Waves (Chicago: University of Chicago Press, 2010), 828–29; cписок лауреатов премии Фонда можно найти на сайте www.gravityresearchfoundation.org/ winners_year.html

3. Richard Panek, The 4 % Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality (New York: Mariner Books, 2011), xv; книга содержит детальное описание поисков сверхновых и открытия темной энергии.

4. Edward N. Zalta, ed., The Stanford Encyclopedia of Philosophy, s.v. «New ton’s Philosophy», by Andrew Janiak, last revised May 6, 2014, http://plato.stanford.edu/archives/ sum2014/entries/newton-philosophy/; and Panek, 4 % Universe, 60

5. Panek, 4 % Universe, 60; and Isaac Newton to Richard Bentley, February 25, 1692, THEM00258, 189. R.4.47, fols. 7–8, Newton Project, Trinity College Library, Cambridge, U. K., доступно с 15 сентября 2015, www.newtonproject.sussex.ac.uk/ catalogue/record/THEM00258. Латинский текст и английские переводы в главных изданиях приводятся на сайте http://isaacnewton.ca/newtons-general-scholium/, part of the Newton Project Canada. См. также книги: Philosophiae naturalis principia mathematica (Cambridge: Cambridge University Press, 1687); and Isaac Newton’s Philosophiae naturalis principia mathematica: The Third Edition,1726, with Variant Readings, ed. A. Koyre and I. B. Cohen с участием A. Whitman (Cambridge, MA: Harvard University Press, 1972).

6. W. Baade, «The Absolute Photographic Magnitude of Supernovae», Astrophysical Journal 88 (1938): 285–304.

7. A. S. Eddington, The Mathematical Theory of Relativity (Cambridge: Cambridge University Press, 1923) 119–46, 152–61; and Eddington, The Expanding Universe (Cambridge: Cambridge University Press, 1933), 102.

8. A. Einstein and W. de Sitter, «On the Relation Between the Expansion and the Mean Density of the Universe», Proceedings of the National Academy of Sciences 18 (1932): 213.

9. Более подробно с проблемой всех измеряемых космологических параметров можно ознакомиться в книге: Рис М. Всего шесть чисел. — М.: Альпина нон-фикшн, 2018. Гл. 6, 7.

10. Allan Sandage, «The Ability of the 200-Inch Telescope to Discriminate Between Selected World Models», Astrophysical Journal 133 (1961): 389.

11. Отношение Киршнера к проблеме открытия темной энергии изложено в его книге The Extravagant Universe: Exploding Stars, Dark Energy and the Accelerating Cosmos (Princeton: Princeton University Press, 2002), 158–262.

12. Panek, 4 % Universe, 71.

13. S. Perlmutter, G. Aldering, M. Della Valle, S. Deustua, R. S. Ellis, S. Fabbro, A. Fruchter, et al., «Discovery of a Supernova Explosion at Half the Age of the Universe», Nature 391 (1998): 51.

14. A. G. Riess, A. V. Filippenko, P. Challis, A. Clocchiatti, A. Diercks, P. M. Garnavich, R. L. Gilliland, et al., «Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant», Astronomical Journal 116, no. 3 (1998): 1009–38.

15. Panek, 4 % Universe, 158–59.

16. James Glanz, «Exploding Stars Point to a Universal Repulsive Force», Science 279, no. 5351 (January 30, 1998): 651–52, available at www.sciencemag.org/content/279/5351/ 651.summary?sid=c2d42164-3577-4952-9687-77cf531d4729

17. Panek, 4 % Universe, 163; Marcia Bartusiak, Archives of the Universe: 100 Discoveries That Transformed Our Understanding of the Cosmos (New York: Vintage, 2004), 608–11.

18. Peter L. Galison, «Introduction: The Many Faces of Big Science», in Big Science: The Growth of Large-Scale Research, ed. Galison and Bruce Hevly (Stanford: Stanford University Press, 1992), 1; and W. K. H. Panofsky, «SLAC and Big Science: Stanford University», in ibid., 145.

6. Следующий рубеж

1. Отчет Джона Мазера о запуске спутника СОВЕ приводится в книге Mather and John Boslough, The Very First Light: The True Inside Story of the Scientific Journey Back to the Dawn of the Universe (New York: Basic Books, 2008), 3–9; название «Satellite in Love» связано с популярной песней певца Лу Рида из его альбома Transformer (1972)

2. Laurence Bergreen, Over the Edge of the World: Magellan’s Terrifying Circumnavigation of the Globe (New York: Harper Collins, 2004); and Mather and Boslough, Very First Light, 255–63.

3. Derek J. de Solla Price, Little Science, Big Science (New York: Columbia University Press, 1963), 239; and Helge Kragh, Cosmology and Controversy: The Historical Development of Two Theories of the Universe (Princeton: Princeton University Press, 1996), 123–34.

4. G. Lemaitre, «L’expansion de l’espace», Revue des questions scientifiques 20 (November 1931): 391–410, translated by Betty H. Korff and Serge A. Korff in The Primeval Atom: An Essay on Cosmogony (New York: Van Nostrand, 1950), quote on 78–79; and Lemaitre, «The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory», Nature 127, no. 3210 (1931): 706. See also Kragh, Cosmology and Controversy, 22–60.

5. Kragh, Cosmology and Controversy, 81–101; Mather and Boslough, Very First Light, 28.

6. О первых результатах Ральфа А. Альфера и Роберта Германа можно прочитать в статье «Evolution of the Universe», Nature 162, no. 4124 (1948): 774–75, а также в книге Mather and Boslough, Very First Light, 42–43.

7. P. J. E. Peebles, «Discovery of the Hot Big Bang: What Happened in 1948», European Physical Journal H 39, no. 2 (2014): 205–23; Mather and Boslough, Very First Light, где в главах 1–6 живо описываются детали истории открытия реликтового излучения, включая анализ причин, по которым вклад Альфера, Германа и Гамова оказался недостаточно оцененным (я согласна с его выводами).

8. Mather and Boslough, Very First Light, 44; and R. H. Dicke, R. Beringer, R. L. Kyle, and A. B. Vane, «Atmospheric Absorption Measurements with a Microwave Radiometer», Physical Review 70 (1946): 340–48.

9. Kragh, Cosmology and Controversy, 133–34.

10. George Gamow, The Creation of the Universe (New York: Dover Science Books, 1952; reissue, 2004), chapters 2–4.

11. Alan Lightman, The Discoveries: Great Breakthroughs in 20th-Century Science, Including the Original Papers (New York: Pantheon, 2005), 411.

12. R. H. Dicke, P. J. E. Peebles, P. G. Roll, and D. T. Wilkinson, «Cosmic Black-Body Radiation», Astrophysical Journal 142 (1965): 416.

13. Marcia Bartusiak, Archives of the Universe: 100 Discoveries That Transformed Our Understanding of the Cosmos (New York: Vintage, 2004), 508.

14. Интервью, данное Ральфом Альфером и Робертом Германом Мартину Харвиту 12 августа 1983 года, Niels Bohr Library and Archives, American Institute of Physics, College Park, MD, 78. www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/3014–2; см. также Mather and Boslough, Very First Light, 39–49, 61–62.

15. Цитирую по данным National Medal of Science citation for Ralph A. Alpher, National Science Foundation, accessed August 25, 2014, www.nsf.gov/od/nms/recip_details.jsp?recip_id=5300000000427

16. Детали можно найти в работе R. H. Dicke, «The Measurement of Thermal Radiation at Microwave Frequencies», Review of Scientific Instruments 17, no.7 (1946): 268–75.

17. John Noble Wilford, «Scientists Report Profound Insight on How Time Began», New York Times, April 24, 1992; see also R. C. Smith, «Essay Review: The Significance of COBE», Contemporary Physics 35, no. 3 (1994): 213–15.

18. Peter Galison, Image and Logic: A Material Culture of Microphysics (Chicago: University of Chicago Press, 1997), 46, 830.

19. Дальнейшее описание «Саги программы BICEP» можно найти в книге Priyamvada Natarajan and Ravi Sankrit, «Ringside Seat at the Cutting Edge of Science»,YaleGlobal Online, June 12, 2014, http://yaleglobal.yale.edu/content/ ringside-seat-cutting-edge-science

7. Новая реальность и поиски иных миров

1. Запущенный 6 марта 2009 г. спутник НАСА, названный «Кеплер», оказался первым космическим аппаратом, специально спроектированным для поиска экзопланет. К настоящему времени его аппаратурой зарегистрировано более 4000 представляющих интерес объектов.

2. Рис М. Всего шесть чисел. — М.: Альпина нон-фикшн, 2018. Гл. 1, 2.

3. Там же. Гл. 3.

4. Любители и знатоки классической культовой книги Douglas Addams. The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy знают, что число 42 в книге — это ответы на высшие вопросы о Жизни, Вселенной и вообще обо всем на свете.

5. W. R. Stoeger, G. F. R. Ellis, and U. Kirchner, «Multiverses and Cosmology: Philosophical Issues», preprint, last revised January 19, 2006, http://arxiv.org/abs/astro-ph/0407329

6. Тит Лукреций Кар. О природе вещей. — М.: Художественная литература, 1983.

7. По мнению Бертрана Рассела, вся западная философия начинается с Фалеса Милетского. См.: Рассел Б. История западной философии. — М.: АСТ, 2017.

8. Ayman Shihadeh, «From al-Ghazali to al-Razi: 6th/12th Century Developments in Muslim Philosophical Theology», Arabic Sciences and Philosophy 15 (2005): 141–79.

9. J. T. Fraser, Of Time, Passion, and Knowledge: Reflections on the Strategy of Existence (Princeton: Princeton University Press, 1990), 32.

10. Bernard de Bovier de Fontenelle, Conversations on the Plurality of Worlds, translated by Elizabeth Gunning (London, 1803), 110.

11. Camille Flammarion, Lumen, translated by A. A. M. and R. M. (New York: Dodd, Mead, 1897), доступно на сайте www.gutenberg.org/ebooks/43835; см. также книгу Mark Brade, Alien Life Imagined: Communicating the Science and Culture of Astrobiology (Cambridge: Cambridge University Press, 2012), 194, 195.

12. Emily Swanson, «Alien Poll Finds Half of Americans Think Extraterrestrial Life Exists», Huffington Post, updated July 29, 2013, www.huffingtonpost.com/2013/06/21/ alien-poll_n_3473852.html

13. Steven J. Dick, Life on Other Worlds: The 20th-Century Extraterrestrial Life Debate (Cambridge: Cambridge University Press, 1998), 193–95; and George Gaylord Simpson, «The Nonprevalence of Humanoids», Science 143, no. 3608 (February 21, 1964): 769–75.

14. Dennis Overbye, «Far-Off Planets like the Earth Dot the Galaxy», New York Times, November 5, 2013; Doyle Rice, «Earthshaking News: There May Be Other Planets like Ours», USA Today, November 4, 2013; and Martin Rees, «Are We Alone in the Universe? We’ll Know Soon», Guardian, September 16, 2012.

15. «Fermi Paradox», SETI Institute, www.seti.org/seti-institute/project/details/fermi-paradox; Michael Hart, «An Explanation for the Absence of Extraterrestrials on Earth», Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society 16, no. 2 (1975): 135.

16. Интервью Стивена Джей Гулда Academy of Achievement, June 28, 1991, www.achievement.org/autodoc/page/ gou0int-1; and Theodosius Dobzhansky, «Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution», American Biology Teacher 35, no. 3 (1973): 125–29.

17. Последние данные представлены на странице: Кеплер НАСА Ames Research Center, http://kepler.nasa.gov/

18. Информация о проекте «Events», Breakthrough Initiatives, c 22 сентября 2015 года доступна на сайте www.breakthroughinitiatives.org/?controller=Page&action=page&page_id=6; and Rachel Feltman, «Stephen Hawking announces $100 million hunt for alien life», Speaking of Science (blog), Washington Post, July 20, 2015, www.washingtonpost.com/news/speaking-of-science/wp/2015/07/20/stephen-hawking-announces-100-million-hunt-for-alien-life/

Рекомендуемая литература

Существует много книг, доступных для любознательного читателя, пожелавшего продолжить чтение и узнать больше о проблемах космологии, которые мы обсуждали. Ниже приводится подборка книг, описывающих историю идей космологии и текущее состояние изучаемых научных проблем.

Ball, Philip. Curiosity: How Science Became Interested in Everything. Chicago: University of Chicago Press, 2013.

Barrow, John D. The Book of Universes: Exploring the Limits of the Cosmos. New York: W. W. Norton, 2012.

—. The Constants of Nature. London: Jonathon Cape, 2002.

Bartusiak, Marcia. Archives of the Universe: A Treasury of Astronomy’s Historic Works of Discovery. New York: Pantheon, 2004.

—. Black Hole: How an Idea Abandoned by Newtonians, Hated by Einstein, and Gambled On by Hawking Became Loved. New Haven: Yale University Press, 2015.

—. The Day We Found the Universe. New York: Vintage, 2009. Bernstein, Jeremy. Albert Einstein: And the Frontiers of Physics. Oxford: Oxford University Press, 1996.

Bronowski, Jacob. The Common Sense of Science. Cambridge, Mass: Harvard University Press, 1978.

—. The Origins of Knowledge and Imagination. New Haven: Yale University Press, 1978.

Brotton, Jerry. A History of the World in Twelve Maps. New York: Viking, 2012.

Carroll, Sean. The Particle at the End of the Universe: How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World. New York: Dutton, 2012.

Corfield, Richard. Lives of the Planets: A Natural History of the Solar System. New York: Basic Books, 2007.

Dalal, Ahmad. Islam, Science, and the Challenge of History. New Haven: Yale University Press, 2010.

Davies, Paul. The Goldilocks Enigma: Why Is the Universe Just Right for Life? New York: Allen Lane, 2006.

Davies, Paul, and J. Gribbin. The Matter Myth: Dramatic Discoveries That Challenge Our Understanding of Physical Reality. New York: Simon and Schuster, 2007 (reissue).

Dyson, Freeman. The Scientist as Rebel. New York: New York Review of Books, 2014.

Ferguson, Kitty. Measuring the Universe: Our Historic Quest to Chart the Horizons of Space and Time. New York: Walker Books, 1999.

—. Tycho and Kepler. New York: Walker Books, 2002.

Freese, Katherine. The Cosmic Cocktail: Three Parts Dark Matter. New York: W. W. Norton, 2003. Reprint, Princeton: Princeton University Press, 2014.

Galison, Peter L. Big Science: The Growth of Large-Scale Research. Stanford: Stanford University Press, 1994.

—. Einstein’s Clocks, Poincaré’s Maps: Empires of Time. New York: W. W. Norton, 2004.

—. How Experiments End. Chicago: University of Chicago Press, 1997.

Gates, Evalyn. Einstein’s Telescope: The Hunt for Dark Matter and Dark Energy in the Universe. New York: W. W. Norton, 2009.

Gingerich, Owen. The Book Nobody Read. New York: Penguin, 2005.

Gleiser, Marcelo. The Island of Knowledge: The Limits of Science and the Search for Meaning. New York: Basic Books, 2014.

Goldberg, David. The Universe in the Rearview Mirror: How Hidden Symmetries Shape Reality. New York: Dutton: 2013.

Greene, Brian. The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory. New York: W. W. Norton, 2003.

—. The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality. New York: Knopf, 2004.

Gribbin, John. Alone in the Universe: Why Our Planet Is Unique. London: Wiley, 2011.

—. In Search of the Big Bang. London: Bantam, 1986.

—. The Origins of the Future: Ten Questions for the Next Ten Years. New Haven: Yale University Press, 2006.

Grinnell, Frederick. Everyday Practice of Science: Where Intuition and Passion Meet Objectivity and Logic. Oxford: Oxford University Press, 2009.

Hawking, Stephen. A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes. London: Bantam, 1988.

—. The Universe in a Nutshell. London: Bantam, 2001.

Hellman, Hal. Great Feuds in Science: Ten Disputes That Shaped the World. New York: Barnes and Noble, 1998.

Holmes, Richard. The Age of Wonder: How the Romantic Generation Discovered the Beauty and Terror of Science. London: Pantheon, 2009.

Huth, John Edward. The Lost Art of Finding Our Way. Cambridge, MA: Harvard University Press, 2013.

Jaywardhana, Ray. Strange New Worlds: The Search for Alien Planets and Life Beyond Our Solar System. Princeton: Princeton University Press, 2011.

Kanas, Nick. Star Maps: History, Artistry and Cartography. London: Praxis, 2007.

Kirshner, Robert P. The Extravagant Universe: Exploding Stars, Dark Energy, and the Accelerating Cosmos. Princeton: Princeton University Press, 2004.

Kragh, Helge. Conceptions of Cosmos: From Myths to the Accelerating Universe — A History of Cosmology. Oxford: Oxford University Press, 2007.

—. Cosmology and Controversy: The Historical Development of Two Theories of the Universe. Princeton: Princeton University Press, 1996.

Krauss, Lawrence. A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather than Nothing. New York: Atria Books, 2012.

Kuhn, Thomas S. Essential Tension: Selected Studies in Scientific Tradition and Change. Chicago: University of Chicago Press, 1977.

—. The Structure of Scientific Revolutions. Chicago: University of Chicago Press, 1962.

Levenson, Thomas. Einstein in Berlin. New York: Bantam, 2003.

Levin, Janna. How the Universe Got Its Spots: Diary of a Finite Time in a Finite Space. Princeton: Princeton University Press, 2002.

Liddle, Andrew, and Jon Loveday. The Oxford Companion to Cosmology. Oxford: Oxford University Press, 2008.

Lightman, Alan. The Accidental Universe: The World You Thought You Knew. New York: Corsair, 2013.

—. The Discoveries: Great Breakthroughs in 20th-Century Science, Including the Original Papers. New York: Pantheon, 2005.

—. Einstein’s Dreams. New York: Pantheon, 1993.

Lightman, Alan, and Roberta Brawer. Origins: The Lives and Worlds of Modern Cosmologists. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1990.

Livio, Mario. The Accelerating Universe: Infinite Expansion, the Cosmological Constant, and the Beauty of the Cosmos. New York: Wiley, 2000.

—. Brilliant Blunders: From Darwin to Einstein — Colossal Mistakes by Great Scientists That Changed Our Understanding of Life and the Universe. New York: Simon and Schuster, 2013.

Mather, John C., and John Boslough. The Very First Light: The True Inside Story of the Scientific Journey Back to the Dawn of the Universe. New York: Basic Books, 2008.

Mazlish, Bruce. The Uncertain Sciences. New Haven: Yale University Press, 1998.

Miller, Arthur I. Empire of the Stars: Obsession, Friendship, and Betrayal in the Quest for Black Holes. Boston: Houghton Mifflin, 2005.

Munitz, Milton K., ed. Theories of the Universe: From Babylonian Myth to Modern Science. New York: Free Press, 1957.

North, John. Cosmos: An Illustrated History of Astronomy and Cosmology. Chicago: University of Chicago Press, 2008.

Ohanian, Hans C. Einstein’s Mistakes: The Human Failings of Genius. New York: W. W. Norton, 2008.

Ostriker, Jeremiah P., and Simon Mitton. Heart of Darkness: Unraveling the Mysteries of the Invisible Universe. Princeton: Princeton University Press, 2013.

Panek, Richard. The 4 % Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality. New York: Mariner Books, 2011.

Popper, Karl. The Logic of Scientific Discovery. 2nd ed. New York: Routledge, 2002.

Price, Derek J. de Solla. Little Science, Big Science. New York: Columbia University Press, 1963.

Primack, Joel R., and Nancy Ellen Abrams. The View from the Center of the Universe: Discovering Our Extraordinary Place in the Cosmos. New York: Riverhead, 2006.

Randall, Lisa. Knocking on Heaven’s Door: How Physics and Scientific Thinking Illuminate the Universe and the Modern World. New York: Ecco, 2011.

Rees, Martin J. Before the Beginning: Our Universe and Others. New York: Perseus Books, 1997.

—. Just Six Numbers: The Deep Forces That Shape the Universe. New York: Basic Books, 2000.

—. Our Cosmic Habitat. London: Phoenix, 2002.

Scharf, Caleb. The Copernicus Complex: Our Cosmic Significance in a Universe of Planets and Probabilities. New York: Farrar, Strauss and Giroux, 2014.

—. Gravity’s Engines: How Bubble-Blowing Black Holes Rule Galaxies, Stars, and Life in the Cosmos. New York: Farrar, Strauss and Giroux, 2012.

Shapin, Steven. The Scientific Revolution. Chicago: University of Chicago Press, 1996.

Shostak, Seth. Confessions of an Alien Hunter: A Scientist’s Search for Extraterrestrial Intelligence. New York: National Geographic, 2009.

Silk, Joseph. The Big Bang. New York: W. H. Freeman, 2000.

—. The Infinite Cosmos: Questions from the Frontiers of Cosmology. Oxford: Oxford University Press, 2006.

Silvers, Robert B. Hidden Histories of Science. London: Granta, 1995.

Smolin, Lee. The Life of the Cosmos. Oxford: Oxford University Press, 1997.

—. The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next. Cambridge, MA: Houghton Mifflin, 2006.

Sobel, Dava. Galileo’s Daughter: A Historical Memoir of Science, Faith, and Love. New York: Walker Books, 2000.

—. A More Perfect Heaven: How Copernicus Revolutionised the Cosmos. New York: Walker Books, 2011.

Tegmark, Max. Our Mathematical Universe: My Quest for the Ultimate Nature of Reality. New York: Vintage, 2015.

Thorne, Kip S. The Science of «Interstellar». New York: W. W. Norton, 2014.

Tyson, Neil deGrasse. Death by Black Hole: And Other Cosmic Quandries. New York: W. W. Norton, 2007.

Tyson, Neil deGrasse, and Donald Goldsmith. Origins: Fourteen Billion Years of Cosmic Evolution. New York: W. W. Norton, 2004.

Wilford, John Noble. The Mapmakers. New York: Vintage, 2000.

Благодарности

Появлению моего давнего любопытства к радикальным научным идеям и пути их развития я обязана людям, живущим на трех континентах. Мне посчастливилось участвовать во многих уникальных академических сообществах, которые сформировали мое мировоззрение как физика и как писателя. Моя собственная жизнь действующего ученого, генерирующего и испытывающего новые идеи, заставляет меня постоянно размышлять о прогрессе радикальных идей в современной астрономии.

Импульс для написания этой книги мне дала Мег Джейкоб — увлеченный вдохновитель. Проект Op-Ed Йельского университета и статьи в The New York Review of Books открыли для меня широкий круг читателей, за что я благодарна Кэти Оринштейн, Марку Лилле и Бобу Сильверсу. Я глубоко благодарна за поддержку моим друзьям из разных учреждений: это Йельский университет, Институт перспективных исследований Рэдклифф, Центр Белладжио при фонде Рокфеллера, Тринити-колледж, Кембридж, MIT и Гарвард. Меня вдохновляли и давали новые идеи обсуждения, продолжавшиеся многие годы с Мартином Рисом, Эвелин Фокс Келлер, Амартией Сен, Рассом Раймером, Ричардом Холмсом, Гетанджали Сингх Чандой, Наян Чандой, Урми Бхоумик, Сьюзан Фалуди, Брюсом Мазлишом, Оуэном Джинджеричем, Нэнси Котт, Давидом Кайзером, Ребеккой Голдштейн, Супратиком Босе, Джоном Хьютом, Аланом Лайтманом, Брайаном Грином, Марио Ливио, Гиш Джен, Гейл Мазур, Пилар Паласией, Юдит Вишняк и Питером Трахтенбергом. Трое верных друзей — Эми Баргер, Уолли Гилберт и Джереми Бернштейн — были потрясающе великодушны, когда я работала над этим проектом. Они прилежно вычитывали каждое слово, делая исключительно полезные комментарии. Им — моя особая благодарность. Доведение этой книги до ее окончательного варианта было бы невозможно без Андреа Волпе — не могу представить, как бы я справилась без ее постоянного внимания и поддержки. Джозеф Каламиа и Джин Томсон Блэк, мои редакторы из издательства Йельского университета, давали мудрые советы. Работа с эффективной командой издательства Йельского университета — Сэмом Островски, Джулианой Фроггатт, Маргарет Отцель, Джеймсом Джонсоном, Дженнифер Доэрр и Морин Нунан — доставила истинное наслаждение. Casey Reed прекрасно подготовили множество диаграмм и иллюстраций для этой книги, а также создали дизайн обложки. Библиотеки The Sterling Map Room и Beinecke Rare Book & Manuscript Library Йельского университета дали мне бесценную возможность поработать над рукописью и поразмышлять над этой книгой. Моя семья, как всегда, всемерно меня поддерживала.

Фотографии

~

Над книгой работали

Переводчики Арсен Хачоян, Инна Черкашина (предисловие, главы 1, 2, 4)

Научный редактор Олег Верходанов, д-р физ.−мат. наук

Редактор Антон Никольский

Руководитель проекта И. Серёгина

Корректор М. Миловидова

Компьютерная верстка А. Фоминов

Арт-директор Ю. Буга

Дизайн обложки James J. Johnson

* * *

Издание подготовлено в партнерстве с Фондом некоммерческих инициатив «Траектория» (при финансовой поддержке Н. В. Каторжнова).

Фонд поддержки научных, образовательных и культурных инициатив «Траектория» (www.traektoriafdn.ru) создан в 2015 году. Программы фонда направлены на стимулирование интереса к науке и научным исследованиям, реализацию образовательных программ, повышение интеллектуального уровня и творческого потенциала молодежи, повышение конкурентоспособности отечественных науки и образования, популяризацию науки и культуры, продвижение идей сохранения культурного наследия. Фонд организует образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует созданию успешных практик взаимодействия внутри образовательного и научного сообщества.

В рамках издательского проекта Фонд «Траектория» поддерживает издание лучших образцов российской и зарубежной научно-популярной литературы.

Примечания редакции

1

По Эдгар А. Эврика. — М.: Эксмо, 2008.

2

Аристотель. Собр. соч.: в 4 т. Т. 3. — М.: Мысль, 1981.

3

Гамов Георгий Антонович родился в Одессе 4 марта 1904 г. Учился в Ленинградском университете в 1922–1928 гг. Работал в Гёттингене, Копенгагене, Ленинграде до отъезда из СССР в 1933 г. — Прим. науч. ред.

4

В американском английском используется для обозначения академических кругов. — Прим. науч. ред.

5

Около 11 км/с — первая космическая скорость. — Прим. пер.

6

Сама галактика как целый объект не проходит стадию квазара. Но многие галактики проходят стадию активности, когда в их центре зажигается активное ядро. И если его излучение доминирует над излучением звездного населения галактики, то говорят о наблюдении квазара. — Прим. науч. ред.

7

Точнее говорить не о площади радиоинтерферометрического телескопа, а о размере — максимальном расстоянии между антеннами системы. Увеличение расстояния между отдельными антеннами пропорционально улучшает разрешающую способность телескопа. — Прим. науч. ред.

8

Белыми карликами могут стать звезды с исходными массами до 7–10 масс Солнца, при этом, сжигая в термоядерных реакциях водород, гелий и углерод, они могут превратиться в богатые кислородом белые карлики. И такие объекты наблюдаются. — Прим. науч. ред.

9

Фактически к первым работам по дисковой аккреции относят труды Горбацкого В. Г. в 1965 г., Новикова И. Д. и Торна К. в 1973 г., Шакуры Н. И. и Сюняева Р. А. в 1973 г. — Прим. науч. ред.

10

Массы компонент в системе X-1 по последним оценкам: порядка 1,4 солнечной массы у нейтронной звезды и 0,42 солнечной массы у второй обычной звезды. Поэтому, несмотря на то что они обращаются вокруг общего центра масс, корректнее говорить, что обычная звезда обращается вокруг нейтронной звезды. — Прим. науч. ред.

11

Запуск телескопа имени Джеймса Уэбба перенесен на март 2021 г. — Прим. науч. ред.

12

Гравитационные волны, возникающие при слиянии черных дыр, были зарегистрированы на гравитационном телескопе LIGO 14 сентября 2015 г., а об открытии объявлено 11 февраля 2016 г., уже после первого выхода книги. За создание гравитационного телескопа LIGO и обнаружение гравитационных волн в 2017 г. была присуждена Нобелевская премия по физике Райнеру Вайссу, Барри Бэришу и Кипу Торну. — Прим. науч. ред.

13

4,9 % по последним данным измерения реликтового излучения в космической миссии Planck 2018 г. — Прим. науч. ред.

14

Де Сент-Экзюпери А. Маленький принц. — М.: Росмэн-Издат, 2001.

15

Скорость галактики Андромеда по спектральным линиям измерил Весто Слайфер в 1912 г. — Прим. науч. ред.

16

Нейтронные звезды имеют слабое оптическое излучение (около 0,003 % излучаемой энергии). Но часть нейтронных звезд являются сильными радиоисточниками — пульсарами или рентгеновскими источниками. — Прим. науч. ред.

17

В коричневых карликах, которые, как предполагают, могут иметь массу приблизительно от 0,013 до 0,075 массы Солнца и температуру от 300 °К до 3000 °К, все-таки идут термоядерные реакции с ядрами легкими элементов. И хотя они практически не видны в оптическом диапазоне, однако наблюдаются в красном и инфракрасном. — Прим. науч. ред.

18

Явление связано с так называемой проблемой каспа, когда в симуляциях распределения вещества в центрах галактик плотность темной материи описывается формой каспа. Согласно последним работам, по-видимому, проблему удается разрешить в более точных модельных расчетах, где касп не возникает. — Прим. науч. ред.

19

Имеется в виду, конечно, не сама космологическая постоянная, а соответствующая ей плотность энергии. — Прим. науч. ред.

20

Расстояние до сверхновых в далеких галактиках, определяемое по красному смещению, — модельно зависимый параметр. Для сверхновых, являющихся стандартными свечами, реальное расстояние определяется по их светимости, и потом по данным измеренных красного смещения и расстояния восстанавливается модель расширения Вселенной. — Прим. науч. ред.

21

По согласованным данным оптического цифрового обзора барионных осцилляций BOSS и измерениям неоднородностей реликтового излучения в космической миссии ESA Planck, опубликованным в 2018 г., энергетический баланс Вселенной составляет приблизительно 5 % видимой материи, 26 % темной материи и 69 % темной энергии. — Прим. науч. ред.

22

Эон — эпоха, равная длительности жизни Вселенной. — Прим. науч. ред.

23

Русскоязычный термин «реликтовое излучение», предложенный И. С. Шкловским в 1965 г., является аналогом международного термина «космическое микроволновое фоновое излучение» (Cosmic Microwave Background Radioation, CMBR). — Прим. науч. ред.

24

Александр Фридман был руководителем Гамова меньше года из-за безвременной смерти в 1925 г. Следующим руководителем стал Юрий Крутиков, ученик Пауля Эренфеста. — Прим. науч. ред.

25

Заинтересованный читатель может также ознакомиться с историей исследования и применяемой физикой в обзоре А. Д. Чернина «Как Гамов вычислил температуру реликтового излучения или немного об искусстве теоретической физики» в журнале «Успехи физических наук». Т. 164. С. 889. 1994, находящемся в свободном доступе. — Прим. науч. ред.

26

Статья называлась «Средняя плотность излучения в Метагалактике и некоторые вопросы релятивистской космологии» (Дорошкевич А. Г., Новиков И. Д. Доклады АН. 1984. Т. 154. С. 809). Здесь также следует отметить, что в середине 1950-х гг. молодой сотрудник Пулковской обсерватории Тигран Шмаонов проводил под руководством С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского измерения радиоинтенсивности космоса с помощью рупорной антенны, подобной той, что была в Bell Labs. Он обнаружил неудаляемый изотропный сигнал с температурой 4±3 °K и включил результат в свою кандидатскую диссертацию. (Ссылка на публикацию: Шмаонов Т. А. Приборы и техника эксперимента. 1957. Т. 1. С. 83.) См. также монографию: Насельский П. Д., Новиков Д. И., Новиков И. Д. Реликтовое излучение Вселенной. — М.: Наука, 2003. — Прим. науч. ред.

27

В своей Нобелевской речи Арно Пензиас отметил, что «первое опубликованное признание реликтового излучения в качестве обнаружимого явления в радиодиапазоне появилось весной 1964 г. в краткой статье А. Г. Дорошкевича и И. Д. Новикова» (см.: Пензиас А. Успехи физических наук. 1979. Т. 129. С. 581). Следует заметить, что эту работу советских астрофизиков спустя 28 лет в своей Нобелевской лекции также отметил и следующий лауреат по теме реликтового излучения — Джордж Смут (см.: Успехи физических наук. 2007. Т. 177. С. 1294). — Прим. науч. ред.

28

В Советском Союзе наблюдательными исследованиями реликтового излучения активно занимались две группы: в Специальной астрофизической обсерватории на радиотелескопе РАТАН-600 группа академика Ю. Н. Парийского установила высокие верхние пределы на уровень анизотропии сигнала реликтового излучения в 1970–1980-х гг., и группа ИКИ под руководством И. А. Струкова запустила в 1983 г. первый специализированный спутник по изучению реликтового излучения «Прогноз-9» для эксперимента «Реликт-1». — Прим. науч. ред.

29

Первая статья о том, что в эксперименте BICEP2 обнаруженный эффект вызван, скорее всего, влиянием намагниченной пыли нашей Галактики, появилась спустя всего месяц — в апреле 2014 г. — после сообщения коллаборации BICEP об открытии и была подготовлена сотрудниками Хао Лю, Филиппом Мерчем и Субиром Саркаром из Института Нильса Бора в Копенгагене. — Прим. науч. ред.

30

Существует допустимая область вариации значений космологических параметров, которая не приводит к фундаментальным нарушениям условий существования мира, описываемого с их помощью. Об этом, в частности, говорит изменение принятой величины плотности темной энергии на 7 % после проведения более точных измерений реликтового излучения в миссии Planck. — Прим. науч. ред.

31

Поиском островов стабильности Вселенной при разных значениях космологических параметров занимались еще в 1980-х гг. См., напр.: Новиков И. Д., Полнарев А. Г. и Розенталь И. Л. // Сб. Проблемы поиска жизни во Вселенной. — М.: Наука, 1986. С. 36. — Прим. науч. ред.

32

Космическая миссия НАСА Kepler завершена 30 октября 2018 г. — Прим. науч. ред.

33

Запуск перенесен на март 2021 г. — Прим. ред.

34

На самом деле успешный поиск экзопланет транзитным методом ведется и на наземных телескопах метрового класса и меньше. В мире есть несколько роботизированных систем телескопов, включая российскую систему MASTER, которые занимаются подобной задачей. Несколько прохождений экзопланет транзитным методом наблюдалось и на однометровом телескопе САО РАН. — Прим. науч. ред.

35

На 1 октября 2018 г. была известна 3851 подтвержденная планета в 2871 планетной системе, причем 636 систем из них имеют более одной планеты. — Прим. науч. ред.

Content

Приямвада Натараджан
КАРТА ВСЕЛЕННОЙ
Главные идеи, которые объясняют устройство космоса

Предисловие

1. Древние карты неба

2. Границы отодвигаются

3. Черная сердцевина

4. Невидимая решетка

5. Меняем масштабы

6. Следующий рубеж

7. Новая реальность и поиски иных миров

Эпилог

Примечания

Рекомендуемая литература

Благодарности

Фотографии

~

Над книгой работали

Примечания редакции