Куда важнее, чем точное измерение температуры, открытие 1992 г., что температура реликтового излучения для разных участков неба разная. В ее распределении были обнаружены флуктуации масштаба одной стотысячной доли. Это явление не стало сюрпризом. Такая мелкая зыбь в распределении температуры должна наблюдаться из-за малых сгустков материи в ранней Вселенной, которые впоследствии стали центрами гравитационной конденсации материи в галактики.
Эти сгустки и флуктуации обусловлены хаотическими волнами, похожими на звуковые в материи ранней Вселенной. Пока температура Вселенной превышала 3000 K, электроны в разогретой материи находились в свободном состоянии и непрерывно рассеивали излучение, поэтому сжатие и разрежение в звуковых волнах создавало соответствующие изменения в интенсивности излучения. Мы не можем заглянуть непосредственно в тот период времени, поскольку взаимодействие излучения со свободными электронами сделало Вселенную непрозрачной, но, когда Вселенная остыла до 3000 K, электроны оказались заперты в атомах водорода и Вселенная стала прозрачной. Излучение того времени сохранилось, остыло за счет расширения Вселенной и все еще несет в себе отпечаток волн, которые наполняли Вселенную до того, как она стала прозрачной.
Описанные физические процессы неизбежно стали предметом экспериментальных и теоретических исследований, которые показали, что Вселенная внезапно стала прозрачной примерно через 380 000 лет после возникновения атомного ядра. На основе данных о флуктуациях реликтового излучения мы можем рассчитать распространенность различных типов элементарных частиц во Вселенной до того, как она стала прозрачной.
Результаты озадачили ученых. Оказалось, что известных нам типов частиц недостаточно, чтобы учесть массу горячей материи, в которой должны были распространяться волны. Не меньше 5/6 массы Вселенной должно принадлежать некоторому типу темной материи, которая не излучает и не поглощает свет. Существование столь большого количества темной материи в современной Вселенной уже было обосновано тем фактом, что скопления галактик удерживаются вместе за счет гравитации вопреки высоким случайным скоростям движения галактик внутри этих скоплений. Так была сформулирована большая загадка: что такое темная материя? Теорий множество; предпринимаются попытки зафиксировать частицы темной материи или следы их аннигиляции в наземных детекторах, создать темную материю в ускорителях. Но до сих пор темная материя не найдена, и никто не знает, что это такое[34].
Астрономы продолжали работать в рамках старой программы по регистрации скорости разбегания галактик от нас и друг от друга. Их работа привела к великому открытию. Изначально предполагалось, что расширение Вселенной должно замедляться из-за гравитационного притяжения галактик, почти как движение брошенного вверх камня замедляется под воздействием силы притяжения Земли. Главный вопрос всегда состоял в том, прекратится ли расширение Вселенной и начнется ли обратный процесс, как в случае с камнем движение вверх сменяется падением обратно на землю, или замедление продлится вечно, как движение камня, скорость которого превышает вторую космическую[35]. В 1998 г., используя данные о видимом блеске сверхновых звезд для измерения расстояния до дальних галактик, две группы астрономов обнаружили, что расширение Вселенной вовсе не замедляется, а, наоборот, ускоряется. В рамках ОТО это явление можно объяснить, только допустив существование энергии, не связанной с массой частиц любого типа, темных или нет, но представляющей собой «темную энергию», присущую пространству как таковому, которая создает нечто вроде антигравитационного воздействия, заставляющего галактики разбегаться.
По результатам этих измерений, а также на основе исследований влияния расширения Вселенной на фоновое космическое излучение было обнаружено, что темная энергия в настоящее время составляет около 3/4 полной энергии Вселенной. Кроме того, мы узнали, что Вселенная расширяется 13,8 млрд лет — с того самого момента, как она стала прозрачной. Таким образом, мы теперь располагаем стандартной космологической моделью: наша расширяющаяся Вселенная по большей части состоит из темной материи и темной энергии. Во всей этой темноте есть маленькое загрязнение в виде нескольких процентов обычной материи, из которой состоят звезды, планеты и мы с вами.
История развития физики элементарных частиц шла совсем по иному сценарию, не схожему с историей космологии. Вместо того чтобы страдать от недостатка данных, мы были завалены данными, которые не могли понять. Прогресс в этой области был достигнут в основном благодаря теоретическим успехам, а эксперимент выступал арбитром для конкурирующих теорий.
К концу 1940-х гг. у нас уже была хорошая теория для одного типа взаимодействий, в котором участвуют элементарные частицы, например электроны, а именно электромагнитного взаимодействия. Эта теория — квантовая электродинамика — частный случай целого класса теорий, известных как квантово-полевые теории. Величины, входящие в фундаментальные уравнения, описывают поля, которые заполняют пространство, как вода заполняет ванну. Элементарные частицы вторичны: это «кванты» полей, сгустки энергии и импульса поля, примерно как водовороты на море. Фотоны — безмассовые частицы света — это кванты электромагнитного поля, а электроны — кванты электронного поля.
Вычисления в квантовой электродинамике можно проводить с очень большой точностью, поскольку силы взаимодействия довольно малы. Вероятность всякого процесса в квантовой теории поля дается суммой, каждое слагаемое которой соответствует одной возможной последовательности промежуточных шагов, определяющей протекание процесса. Например, при столкновении двух электронов один из них может испустить фотон, который будет поглощен другим электроном, или один электрон может испустить два фотона, которые будут поглощены другим электроном в том же или обратном порядке, или один электрон может испустить два фотона, один из которых будет поглощен испустившим его электроном, а второй — другим электроном, и т. д.
Количество таких сценариев всегда бесконечно, что в общем случае делает невозможным выполнение точных расчетов, однако, если силы взаимодействия малы, наиболее вероятны простейшие сценарии. Пренебрегая всеми слагаемыми, за исключением самых больших, в квантовой электродинамике можно получать результаты, великолепно согласующиеся с экспериментом. 50 лет назад некоторые из нас мечтали о том, чтобы найти более полную квантовую теорию поля, которая смогла бы описать все частицы и силы природы так же успешно, как квантовая электродинамика описывает фотоны и электроны. В итоге почти все так и вышло.
Но на это потребовалось время. Существует еще одна сила, которая даже слабее силы электромагнитного взаимодействия. Она называется слабым ядерным взаимодействием, и именно она отвечает за то, что иногда нейтрон в атомном ядре превращается в протон или наоборот. К 1950-м гг. результаты исследований радиоактивности позволили сформулировать квантово-полевую теорию слабого взаимодействия, которая хорошо описывала имеющиеся данные. Проблема заключалась в том, что при применении этой теории за пределами диапазона параметров, обычных для задач радиоактивности, а также для расчета характеристик экзотических процессов, которые по техническим причинам невозможно исследовать экспериментально, получались очевидно бессмысленные результаты, содержащие бесконечные значения величин. Аналогичные бесконечности