Гравитация является главной силой, действующей в огромных масштабах галактик, поэтому измерения движения объектов в этих масштабах позволяет нам исследовать гравитационное притяжение, вызывающее это движение. Такие измерения начались с новаторской работы американского астронома Веры Рубин и ее коллег в начале 1970-х. Рубин закончила Джорджтаун в степени доктора, посещая вечерние занятия, в то время как ее муж ждал в машине, потому что она не умела ее водить. Она подавала заявление в Принстон, но в этот университет не принимали женщин по программе аспирантов-астрономов до 1975 года. Рубин стала лишь второй женщиной, когда-либо награжденной Золотой медалью Королевского астрономического общества. Эта медаль и многие другие ее заслуженные награды стали следствием ее новаторских измерений скорости вращения нашей галактики. Наблюдая звезды и горячий газ все дальше от центра нашей галактики, Рубин определила, что эти области двигались гораздо быстрее, чем должны были бы, если бы гравитационная сила, вызывающая их движение, была обусловлена массой всех наблюдаемых объектов в галактике. Благодаря ее работе, космологам в конечном итоге стало ясно, что единственным способом объяснить это движение было постулировать существование значительно большей массы нашей Галактики, чем можно было объяснить, суммировав массу всего этого горячего газа и звезд.

В этой теории, однако, была одна проблема. Те же расчеты, которые так красиво объясняют наблюдаемое содержание легких элементов (водорода, гелия и лития) во Вселенной, также говорят нам, сколько примерно протонов и нейтронов, вещества обычной материи, должно существовать во Вселенной. Причина в том, что, как и в любом кулинарном рецепте — в данном случае в ядерной готовке — количество вашего конечного продукта зависит от того, сколько каждого ингредиента вы берете. Если вы удвоите рецепт, например, возьмете четыре яйца вместо двух, вы получите больше конечного продукта, в данном случае омлета. Тем не менее, начальная плотность протонов и нейтронов во Вселенной, возникшая в результате Большого Взрыва, как это установлено из наблюдаемого относительного содержания водорода, гелия и лития, обеспечивает примерно вдвое большее количество вещества, чем мы можем видеть в звездах и горячем газе. Где эти частицы?

Легко представить себе способы скрыть протоны и нейтроны (снежки, планеты, космологов… ничто из этого не светится), поэтому многие физики полагали, что в темных объектах находится столько же протонов и нейтронов, как и в видимых объектах. Однако когда мы подсчитываем, сколько должно быть «темной материи», чтобы объяснить движение видимой материи в нашей галактике, мы находим, что отношение всей материи к видимой материи должно быть не 2 к 1, а скорее 10 к 1. Если это не ошибка, то темная материя не может состоять из протонов и нейтронов. Их просто недостаточно.

Когда я был молодым физиком элементарных частиц в начале 1980-х, для меня было очень интересно узнать об этой возможности существования экзотической темной материи. Это предполагает, в буквальном смысле, что преобладающими частицами во Вселенной были не добрые традиционные нейтроны и протоны, а, возможно, какой-то новый вид элементарных частиц, что-то, чего не существует на Земле сегодня, что-то таинственное, текущее среди звезд и молча командующее парадом, который мы называем галактикой.

Что еще более увлекательно, по крайней мере, для меня, это означает три новых направления исследований, которые могли бы пролить новый свет на природу реальности.

1. Если эти частицы были созданы в результате Большого Взрыва, как легкие элементы, которые я описал, то мы можем использовать идеи о силах, управляющих взаимодействием элементарных частиц (вместо взаимодействия ядер, важного при определении относительного содержания элементов), чтобы оценить относительное количество возможных экзотических новых частиц во Вселенной сегодня.

2. Можно было бы вывести общее количество темной материи во Вселенной на основе теоретических представлений в физике элементарных частиц, или можно предложить новые эксперименты, чтобы обнаружить темную материю — то и другое может сказать нам, сколько есть материи всего и, следовательно, какова геометрия нашей Вселенной. Работа физики — не изобретать вещи, которые мы не можем увидеть, чтобы объяснить вещи, которые мы увидеть можем, а выяснить, как увидеть то, что мы не можем видеть, то, что было ранее невидимым, известную неизвестность. Каждая новая кандидатура на элементарную частицу темной материи предполагает новые возможности для экспериментов по прямому обнаружению частиц темной материи, разгуливающих по всей галактике, строя на Земле детекторные устройства, чтобы обнаружить их, когда Земля преграждает путь их движению в космосе. Вместо того, чтобы использовать телескопы для поиска далеких объектов, если частицы темной материи в диффузных сгустках проникают по всей Галактике, они сейчас здесь, и наземные детекторы могут выявить их присутствие.

3. Если бы мы могли определить природу темной материи и ее количество, мы могли бы узнать, каким будет конец Вселенной.

Это последняя возможность кажется самой захватывающей из всех, поэтому я начну с нее. На самом деле, я ввязался в космологию, потому что хотел быть первым человеком, который узнает, как Вселенная прекратит свое существование.

В то время это казалось хорошей идеей.

Когда Эйнштейн разработал свою теорию относительности, в ее основе была возможность, что пространство может искривляться в присутствии материи или энергии. В 1919 году эта теоретическая идея стала больше, чем просто гипотезой, когда две экспедиции наблюдали, как свет звезды изгибается вокруг Солнца во время солнечного затмения, ровно в такой степени, в которой, по предсказаниям Эйнштейна, это должно было произойти, если присутствие Солнца изгибает пространство вокруг себя. Эйнштейн почти мгновенно стал известным и знаменитым. (Большинство людей сегодня думают, что он стал знаменит из-за уравнения E=mc2, которое появилось пятнадцатью годами ранее, но это не так.)

Итак, если пространство потенциально искривлено, то геометрия всей нашей Вселенной неожиданно становится гораздо более интересной. В зависимости от общего количества материи в нашей Вселенной, ее геометрия может принадлежать к одному из трех различных типов, так называемому открытому, закрытому или плоскому.

Трудно представить себе, как на самом деле может выглядеть изогнутое трехмерное пространство. Так как мы трехмерные существа, мы так же не можем легко интуитивно представить изогнутое трехмерное пространство, как двумерные существа в знаменитой книге «Флатландия» не могли представить, как их мир будет выглядеть для трехмерного наблюдателя, если этот мир изогнуть в виде поверхности сферы. Более того, если кривизна очень мала, то трудно представить, как можно было бы фактически обнаружить это в повседневной жизни, по крайней мере, так же, как в средние века многие люди считали, что Земля должна быть плоской, потому что с их точки зрения она выглядела плоской.