Астрофизик нил деграсс тайсон космос

Флибуста

Поиск:

Читать онлайн Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда бесплатно

Нил Тайсон Деграсс
Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда

Права на перевод получены соглашением с W. W. Norton & Company, Inc., при содействии литературного агентства Andrew Nurnberg

Neil deGrasse Tyson

ASTROPHYSICS FOR PEOPLE IN A HURRY

The #1 New York Times Bestseller

Нил Деграсс Тайсон написал настоящую, научную «Теорию Большого взрыва» для тех, кто спешит.

Тайсон – мастер рационализации и упрощения. Он берет умопомрачительно сложные идеи и «разбирает» их до болтиков, дополняя красочными аллегориями и прикольными шутками, и эти идеи становятся доступными даже для непрофессионалов.

Эта книга расширяет границы нашего разума.

Главы этой книги – переработанные статьи из раздела «Вселенная» в журнале Natural History:

Глава 1: март 1998 года и сентябрь 2003 года

Глава 2: ноябрь 2000 года

Глава 3: октябрь 2003 года

Глава 4: июнь 1999 года

Глава 5: июнь 2006 года

Глава 6: октябрь 2002 года

Глава 7: июль/август 2002 года

Глава 8: март 1997 года

Глава 9: декабрь 2003/январь 2004 года

Глава 10: октябрь 2001 года

Глава 11: февраль 2006 года

Глава 12: апрель 2007 года.

Для всех, кому некогда читать толстые книжки, но все равно нужно подключиться к космосу.

Предисловие

В последнее время не проходит и недели без сенсационных заявлений о каком-то космическом открытии, достойном громких заголовков. Возможно, дело в том, что наука о вселенной наконец-то заинтересовала тех, кто отвечает за подбор материалов для газет, однако подобное внимание прессы, скорее всего, связано и с тем, что у простых читателей проснулся научный аппетит. Об этом свидетельствует очень многое – от рейтинга научно-популярных телепередач до успеха научно-фантастических фильмов: теперь их снимают самые знаменитые режиссеры и продюсеры, а главные роли исполняют кинозвезды первой величины. А недавно в моду вошли и биографические картины о выдающихся ученых – теперь это самостоятельный жанр. Кроме того, во всем мире проводятся научные фестивали, конвенты любителей научной фантастики и показы документальных научных телесериалов.

Самые большие сборы в истории кинематографа принесла картина знаменитого режиссера, действие которой происходит на планете, вращающейся вокруг далекой звезды. И там одна знаменитая актриса играет астробиолога.

В наши дни расцвета достигли многие отрасли науки, однако одно из первых мест неизменно занимает астрофизика. По-моему, я знаю почему. Каждому из нас доводилось поднимать глаза к небу и спрашивать себя, что все это значит, как все это устроено – и каково наше место во вселенной.

Тем, кому некогда впитывать знания о космосе на лекциях, из учебников или документальных фильмов, однако все равно хочется получить краткое, но осмысленное введение в науку о вселенной, я предлагаю свою книгу. Эта тонкая книжица позволит вам свободно ориентироваться в мире современных представлений и открытий, ныне составляющих научную картину вселенной. Если мне удалось выполнить поставленную задачу, вы сможете вести культурную беседу по моей тематике, неплохо владея материалом, а возможно, захотите узнать больше.

Вселенная не обязана иметь смысл в ваших глазах.

1. Самая главная история

Но многократно свои положения в мире меняя,

От бесконечных времен постоянным толчкам подвергаясь,

Всякие виды пройдя сочетаний и разных движений,

В расположенья они, наконец, попадают, из коих

Вся совокупность вещей получилась в теперешнем виде…

В самом начале, почти 14 миллиардов лет назад все пространство, все вещество и вся энергия известной нам Вселенной содержались в объеме, размером меньше одной триллионной объема точки, завершающей это предложение.

Было так жарко, что все основные силы природы, в совокупности описывающие Вселенную, слились воедино. Мы до сих пор не знаем, как возник этот микро-миниатюрный космос, однако известно, что с тех пор он мог только расширяться. Быстро. Сегодня мы называем это событие Большим взрывом.

В 1916 году Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности – современное представление о гравитации, согласно которому наличие вещества и энергии искривляет вокруг себя ткань пространства и времени. В двадцатые годы прошлого века была разработана квантовая механика – современное представление о микромире, молекулах, атомах и субатомных частицах. Но оказалось, что с формальной точки зрения эти два мировоззрения несовместимы друг с другом, и это заставило физиков наперебой пытаться примирить теорию малого с теорией большого – создать единую и непротиворечивую теорию квантовой гравитации. Финишной прямой в этой гонке мы пока не достигли, зато точно знаем, где стоят самые высокие препятствия. Одно из них – «планковская эра» ранней Вселенной. Это период с t = 0 до t = 10 –43 секунды (одна десятимиллионно-триллионно-триллионно-триллионная доля секунды) после Большого взрыва, до того, как Вселенная достигла размера в 10 –35 метра (одна стомиллиардно-триллионно-триллионная доля метра). Немецкий физик Макс Планк, в честь которого названы эти невообразимо малые величины, в 1900 году выдвинул идею квантования энергии и в целом считается отцом квантовой механики.

Противоречие между теорией гравитации и квантовой механикой в нашу эпоху не приводит ни к каким практическим осложнениям, потому что инструменты и принципы этих теорий применяются к совершенно разным классам задач. Однако поначалу, в планковскую эру, большое было маленьким, и мы подозреваем, что эти теории были вынуждены, так сказать, наладить совместную жизнь. Увы, для нас пока остается тайной, какими обетами они обменялись на церемонии бракосочетания, поэтому никакие известные нам законы физики не объясняют сколько-нибудь достоверно поведение Вселенной в тот период.

Тем не менее, мы предполагаем, что к концу планковской эры гравитация вырвалась из объятий остальных, по-прежнему единых сил природы и приобрела независимость, которую так хорошо описывают наши нынешние теории. Перевалив за возраст в 10 –35 секунды, Вселенная продолжала расширяться, концентрированная энергия разбавлялась, а то, что осталось от единых сил, разделилось на две силы: «электрослабую» и «сильную ядерную». Еще позднее электрослабая сила разделилась на электромагнитную и слабую ядерную силы, и получились четыре отдельные силы, которые мы знаем и любим:

• слабое ядерное взаимодействие контролирует радиоактивный распад;

• сильное ядерное взаимодействие связывает атомное ядро;

• электромагнитная сила связывает атомы и молекулы;

• а гравитация – скопления вещества.

С момента Большого взрыва прошла одна триллионная секунды

Все это время шло непрерывное взаимодействие вещества в виде субатомных частиц и энергии в виде фотонов (не имеющих массы переносчиков энергии света, в равной мере частиц и волн). Во Вселенной было так жарко, что фотоны могли спонтанно преобразовывать энергию в пары частиц вещества и антивещества, которые сразу аннигилировали, возвращая энергию обратно фотонам.

Да-да, антивещество – это не фантастика. И его открыли мы, ученые, а не писатели-фантасты. Такие метаморфозы полностью описывает самое знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc 2 – действующий в обе стороны рецепт, показывающий, сколько вещества стоит то или иное количество энергии и сколько энергии стоит то или иное количество вещества. В этой формуле c 2 – это квадрат скорости света, очень большое число, которое, будучи помножено на массу, показывает, сколько энергии на самом деле дает нам это преобразование.

Непосредственно перед, во время и после того, как сильное и электрослабое взаимодействия разорвали знакомство, Вселенная была бурлящим бульоном из кварков, лептонов и их антисобратьев, а также бозонов – частиц, которые обеспечивают их взаимодействие. Считается, что представители всех этих семейств уже не делятся на что-то еще более мелкое и элементарное, хотя у каждой из таких частиц есть несколько разновидностей.

Да-да, антивещество – это не фантастика. И его открыли мы, ученые, а не писатели-фантасты.

Обычный фотон входит в семейство бозонов. Из лептонов не-физикам лучше всего знакомы, пожалуй, электрон и, возможно, нейтрино, а из кварков… гм, знакомых кварков у вас, наверное, нет. Каждому из шести видов кварков дали абстрактное название, не имеющее никакой цели – ни филологической, ни философской, ни педагогической, – кроме цели отличать их друг от друга. Кварки называются так: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный.

А вот бозоны, кстати, названы в честь индийского ученого Шатьендраната Бозе. Слово «лептон» образовано от древнегреческого «лептос», что значит «маленький» или «легкий». Однако происхождение самого слова «кварк» гораздо интереснее: его источник – литературное произведение. Физик Мюррей Гелл-Манн, который в 1964 году выдвинул гипотезу о существовании кварков как составляющих нейтронов и протонов и в то время считал, что семейство кварков состоит всего лишь из трех членов, позаимствовал их название из «Поминок по Финнегану» Джеймса Джойса, где чайки выкрикивают загадочную фразу: «Три кварка для мистера Марка!»

К чести кварков можно сказать одно: у них очень простые названия – искусство, которое так и не далось химикам, биологам и особенно геологам, которые дают предметам своих изысканий на диво заковыристые имена.

Кварки – те еще фрукты. В отличие от протонов, обладающих электрическим зарядом +1, и электронов, у которых заряд равен –1, у кварков заряды дробные, кратные одной трети. Изловить отдельный кварк нельзя, он всегда цепляется за соседние. Более того, сила, связывающая два (или больше) кварка, лишь возрастает при попытке их разделить, как будто они соединены своего рода субъядерной резинкой. Если растащить кварки достаточно далеко, резинка лопается, и высвобождаемая энергия при помощи E = mc 2 создает по новому кварку на каждом конце – начинай сначала!

Кварки – те еще фрукты. Изловить отдельный кварк нельзя, он всегда цепляется за соседние.

В кварк-лептонную эру Вселенная была такая плотная, что среднее расстояние между несвязанными кварками было сравнимо с расстоянием между связанными кварками. При таких условиях между соседними кварками не могла установиться однозначная связь, и они не образовывали коллективные союзы, а свободно перемещались. Об открытии такого состояния вещества, своего рода кваркового плавильного котла, впервые заявила в 2002 году группа физиков из Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде в штате Нью-Йорк.

Есть надежные теоретические указания, что на самом раннем этапе развития Вселенной – возможно, во время одного из разделений основных сил – имел место эпизод, благодаря которому Вселенная стала немного асимметричной: частиц вещества оказалось чуть больше количества частиц антивещества – миллиард одна на миллиард. Такой крошечный перевес едва ли удалось бы заметить в гуще продолжавшегося создания, аннигиляции и воссоздания кварков и антикварков, электронов и антиэлектронов (известных как позитроны), а также нейтрино и антинейтрино. У всякой шальной частицы было полно возможностей найти кого-нибудь, с кем аннигилировать, и это в целом у всех получалось.

Но вскоре все изменилось. Космос продолжал расширяться и остывать, стал уже больше нынешней Солнечной системы, и температура стремительно упала ниже триллиона градусов.

С момента Большого взрыва прошла миллионная доля секунды

Температуры и плотности остывшей Вселенной было уже недостаточно, чтобы выпекать кварки, поэтому все они расхватали партнеров по танцам, создав крепкую новую семью тяжелых частиц под названием адроны (от древнегреческого «хадрос» – «густой», «толстый»). Переход от кварков к адронам вскоре привел к появлению протонов и нейтронов, а также других, не таких знаменитых тяжелых частиц, которые состоят из всевозможных сочетаний кварков разных видов. В Швейцарии (вернемся на Землю) коллаборация физиков-ядерщиков (Европейский центр ядерных исследований, больше известный под аббревиатурой ЦЕРН) построила большой ускоритель, чтобы сталкивать потоки адронов в попытке воссоздать условия, существовавшие через миллионную долю секунды после Большого взрыва. Эта самая большая машина на свете называется, что логично, Большой адронный коллайдер.

Легкая асимметрия вещества и антивещества в кварк-лептонном бульоне сказалась и на адронах, на сей раз это привело к поразительным результатам.

Вселенная продолжала остывать, и количество энергии, доступной для спонтанного создания частиц, уменьшалось. В адронную эру мимолетные фотоны уже не могли использовать E = mc 2 для создания пар кварков-антикварков. Мало того, фотоны, возникавшие при остаточных аннигиляциях, отдавали энергию расширяющейся Вселенной и охлаждались ниже порога, необходимого для создания пар адронов-антиадронов. На каждый миллиард аннигиляций, порождавших миллиард фотонов, оставался один адрон. Этим-то одиночкам и досталось все веселье: они стали источником вещества, из которого возникли галактики, звезды, планеты и тюльпаны.

Если бы между веществом и антивеществом не было перевеса в одну частичку на миллиард, вся масса во Вселенной аннигилировала бы, и остался бы космос, состоящий из фотонов и больше ничего: «да будет свет», доведенное до предела.

И вот прошла секунда

Вселенная достигла размеров в несколько световых лет [1] – примерно таково расстояние от Солнца до ближайших звезд. По-прежнему довольно жарко – миллиард градусов – и при этой температуре продолжается выпечка электронов, которые то появляются, то исчезают вместе со своими собратьями-позитронами. Но в постоянно расширяющейся и остывающей Вселенной их дни (точнее, секунды) сочтены. Закон, действовавший сначала для кварков, потом для адронов, действует и для электронов: в конце концов остается только один электрон на миллиард. Остальные аннигилируют с позитронами, своими двойниками из антивещества, в море фотонов.

Примерно в это время на каждый протон «замораживается» по одному электрону. Космос остывает, температура падает уже ниже ста миллионов градусов, и протоны связываются с другими протонами, а также с нейтронами: так формируются ядра атомов и зарождается Вселенная, в которой 90 % ядер – водород и 10 % – гелий плюс мизерное количество дейтерия («тяжелого» водорода), трития (еще более тяжелого водорода) и лития.

С момента Большого взрыва прошло уже две минуты

После этого еще 380 000 лет ничего особенного с нашим бульоном из частиц не происходит. Все эти тысячелетия температура достаточно высока, чтобы электроны свободно летали среди фотонов, раскидывая их туда-сюда по мере взаимодействия друг с другом.

Однако этой вольнице приходит конец, как только температура Вселенной опускается ниже 3000 градусов (примерно вдвое ниже температуры видимой поверхности Солнца) и свободные электроны начинают присоединяться к ядрам. В результате этого союза все кругом заливает видимый свет, навсегда запечатлев в небесах, где в этот момент находилось все вещество, и образование частиц и атомов в первичной Вселенной завершается.

В первый миллиард лет Вселенная продолжала расширяться и остывать, а вещество силой гравитации стягивалось в массивные конгломераты, которые мы зовем галактиками. Их сформировалось почти сто миллиардов, в каждой – сотни миллиардов звезд, в ядрах которых шел термоядерный синтез. Эти звезды, масса которых была примерно в десять раз больше массы Солнца, создавали в своих недрах давление и температуру, при которых вырабатываются десятки химических элементов тяжелее водорода, в том числе и те, из которых состоят планеты и всевозможная жизнь на них, если она есть.

Галактик сформировалось почти сто миллиардов, в каждой – сотни миллиардов звезд, в ядрах которых шел термоядерный синтез.

Если бы эти элементы оставались там же, где возникли, от них не было бы решительно никакого толку. Однако массивные звезды то и дело взрываются, и их химически обогащенные ошметки разлетаются по всей галактике. После девяти миллиардов лет подобной мелиорации в ничем не примечательной области Вселенной (на задворках Сверхскопления Девы), в ничем не примечательной галактике (Млечный Путь), в ничем не примечательном уголке (Рукав Ориона) родилась ничем не примечательная звездочка (Солнце). Газовое облако, из которого сформировалось Солнце, содержало столько тяжелых элементов, что их хватило на сложный арсенал вращающихся по орбитам небесных тел – несколько каменистых и газовых планет, сотни тысяч астероидов и миллиарды комет. Первые несколько сотен миллионов лет на более крупные тела падал и налипал всевозможный мусор со случайных орбит. При этом происходили высокоэнергичные столкновения на большой скорости, отчего поверхности каменистых планет плавились, и на них не могли образовываться сложные молекулы. Когда в Солнечной системе осталось меньше свободно путешествующего вещества, поверхности планет начали остывать. Та, которую мы зовем Землей, сформировалась в так называемом «Поясе Златовласки» вокруг Солнца – на таком расстоянии от звезды, что ее океаны остаются по большей части в жидком виде. Если бы Земля была значительно ближе к Солнцу, океаны испарились бы. А если бы значительно дальше, они замерзли бы. В обоих случаях жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не могла бы зародиться.

Через девять миллиардов лет в ничем не примечательной области Вселенной (на задворках Сверхскопления Девы), в ничем не примечательной галактике (Млечный Путь), в ничем не примечательном уголке (Рукав Ориона) родилась ничем не примечательная звездочка (Солнце).

В глубинах жидких океанов, богатых различными химическими элементами, благодаря механизму, который нам еще предстоит открыть, органические молекулы превратились в живые существа, способные к самовоспроизводству. В этом первобытном бульоне преобладали простые анаэробные бактерии – жизнь, бурно развивающаяся в среде, лишенной кислорода, однако вырабатывающая химически активный кислород в качестве продукта своей жизнедеятельности. Эти первые одноклеточные организмы непреднамеренно насытили кислородом атмосферу Земли, богатую углекислым газом, и в результате она стала пригодной для обитания аэробных организмов, которые, возникнув, заполонили и океаны, и сушу.

Те же атомы кислорода, которые обычно встречаются в парах (в виде молекул O 2 ), в верхних слоях атмосферы объединялись по три и образовывали озон (O 3 ), который служит щитом, оберегающим поверхность Земли от большей части ультрафиолетовых фотонов Солнца, разрушающих молекулы.

Удивительным разнообразием жизни на Земле – и, надо думать, еще где-нибудь во Вселенной – мы обязаны изобилию в космосе углерода и бесчисленному множеству простых и сложных углеродосодержащих молекул. Сомнений быть не может: различных молекул на основе углерода гораздо больше, чем всех остальных видов молекул вместе взятых.

Однако жизнь очень хрупка. Случайные встречи Земли с большими заблудившимися кометами и астероидами, что раньше случалось сплошь и рядом, то и дело вносили полнейший хаос в ее экосистему. Всего-то 65 миллионов лет назад (меньше 2 % возраста Земли) примерно туда, где теперь находится полуостров Юкатан, врезался астероид массой в триллион тонн, отчего погибло более 70 % земной флоры и фауны, в том числе все знаменитые огромные динозавры.

Вымирание. Эта экологическая катастрофа дала нашим предкам-млекопитающим возможность перестать служить закуской для тираннозавров и заполнить только что освободившиеся ниши. Одна ветвь млекопитающих с большим мозгом, которых мы зовем приматами, эволюционировала в род и вид Homo sapiens, которому хватило ума, чтобы изобрести научные методы и инструментарий – и сделать выводы о происхождении и эволюции Вселенной.

Вымирание. Эта экологическая катастрофа дала нашим предкам-млекопитающим возможность перестать служить закуской для тираннозавров и заполнить только что освободившиеся ниши.

А что было до всего этого? Что происходило до начала всего?

Об этом астрофизики понятия не имеют. Точнее, наши самые творческие идеи на этот счет пока не могут опереться практически ни на какие экспериментальные факты. Именно поэтому некоторые религиозные люди не без высокомерия утверждают, что с чего-то все должно было начаться – что здесь налицо воздействие какой-то особенно мощной силы и должен был быть какой-то первоисточник, положивший начало всему. Перводвигатель. С точки зрения человека верующего это, безусловно, Бог.

Но, может быть, Вселенная была всегда – в каком-то состоянии, которое нам еще предстоит определить? Например, существует множественная Вселенная, непрерывно порождающая дочерние? Или, может быть, Вселенная взяла и возникла из ничего? Или все, что мы знаем и любим, – не более чем компьютерная модель, созданная для забавы какой-то сверхразумной расой инопланетян?

Подобные предположения интересны с философской точки зрения, но, как правило, никого не удовлетворяют. Зато напоминают нам, что невежество – естественное состояние сознания ученого-исследователя. Люди, которые считают, что всё знают, либо никогда не искали, либо никогда не натыкались на границу между изведанной и неизведанной Вселенной.

Люди, которые считают, что всё знают, либо никогда не искали, либо никогда не натыкались на границу между изведанной и неизведанной Вселенной.

Однако мы точно знаем и можем утверждать безо всяких сомнений, что у Вселенной было начало. Вселенная продолжает развиваться. И да, биографию каждого атома в нашем организме можно проследить до Большого взрыва и термоядерных топок в недрах массивных звезд, взорвавшихся более пяти миллиардов лет назад. Мы – ставшая живой звездная пыль, которой Вселенная дала силы постичь саму себя, и мы еще только-только приступили к этой задаче.

2. На Земле как на небе

Пока сэр Исаак Ньютон не записал закон всемирного тяготения, ни у кого не было причин полагать, что у нас дома действуют те же самые законы физики, что и во всей остальной Вселенной. На Земле все земное, а на небесах – небесное. Согласно христианскому вероучению той эпохи, небесами управлял Бог, поэтому мы, жалкие смертные, не в силах были постичь происходящее там. Когда Ньютон разрушил этот философский барьер, показав, что всякое движение постижимо и предсказуемо, некоторые богословы обрушились на него с критикой, поскольку получалось, что Творцу в нашем мире нечего делать. Ньютон рассудил, что та же сила тяготения, которая заставляет спелые яблоки в наших садах падать на землю, ведет и брошенные под углом тела по их кривым траекториям и направляет Луну по орбите вокруг Земли. Закон всемирного тяготения Ньютона также направляет по орбитам вокруг Солнца планеты, астероиды и кометы и удерживает на орбитах сотни миллиардов звезд в нашей галактике Млечный Путь.

Универсальность физических законов – главный движитель научного прогресса. И всемирное тяготение было только началом. Только представьте себе, какое волнение охватило астрономов XIX века, когда они впервые направили на Солнце лабораторные призмы, расщеплявшие световые лучи на цветовой спектр. Спектры не просто красивы, они еще и содержат бездну информации об объекте, излучающем свет, в том числе о его температуре и составе. Химические элементы выдают себя уникальной последовательностью светлых и темных полос, рассекающих спектр. К величайшему восторгу и изумлению ученых, химические сигнатуры Солнца оказались точно такими же, как и у лабораторных веществ. Призма перестала быть инструментом одних лишь химиков и показала, что при всем различии Земли и Солнца по размеру, массе, температуре, местоположению и внешнему виду состав у обоих одинаков – водород, углерод, кислород, азот, кальций, железо и так далее. Но главное даже не перечень общих ингредиентов, а понимание, что формирование этих спектральных сигнатур на Солнце – на расстоянии 150 миллионов километров – определялось теми же самыми законами физики, что и на Земле.

Понятие об универсальности оказалось таким плодотворным, что его удалось успешно применить и в обратную сторону. Дальнейший анализ солнечного спектра выявил сигнатуру неизвестного на Земле элемента. Поскольку речь шла о солнечном веществе, новый элемент получил название «гелий» от древнегреческого слова «гелиос» – «Солнце», – и лишь потом был открыт в лаборатории. Таким образом, гелий стал первым и единственным элементом из таблицы Менделеева, который открыли не на Земле, а в другом месте.

Понятие об универсальности оказалось таким плодотворным, что его удалось успешно применить и в обратную сторону.

Итак, законы физики действуют по всей Солнечной системе – а на другом конце Галактики? На другом конце Вселенной? В прошлом и в будущем? Их испытывали и проверяли шаг за шагом. Знакомые химические элементы обнаружились и на ближайших звездах. Далекие двойные звезды, вращающиеся по орбите друг вокруг друга, похоже, знают все о Ньютоновских законах тяготения. Двойные галактики, видимо, тоже.

И чем дальше мы заглядываем в пространство, тем глубже смотрим в прошлое – это как слоистые осадочные породы для геолога. В спектрах самых дальних объектов во Вселенной видны те же химические сигнатуры, что и в наших окрестностях в пространстве и времени. Конечно, в далеком прошлом тяжелых элементов было меньше, они выработались, по большей части, при взрывах звезд следующих поколений, однако атомные и молекулярные процессы, создавшие эти спектральные сигнатуры, описываются все теми же законами. В частности, так называемая постоянная тонкой структуры, которая определяет основные особенности спектральной сигнатуры химических элементов, не менялась, по-видимому, миллиарды лет.

Вспектрах самых дальних объектов во Вселенной видны те же химические сигнатуры, что и в наших окрестностях в пространстве и времени.

Разумеется, не у всех вещей и явлений в космосе есть земные аналоги. Вам, скорее всего, не доводилось проходить сквозь облако светящейся плазмы температурой миллион градусов, и, ручаюсь, вы никогда не раскланивались на улице с черной дырой. Главное – универсальность физических законов, которые описывают даже такие неземные объекты. Когда спектральный анализ впервые применили к свету, исходящему от межзвездных облаков, была обнаружена сигнатура, у которой тоже не было земного аналога. В таблице Менделеева вроде бы не оказалось подходящего места для нового элемента. Тогда астрофизики придумали временное название «небулий» – пусть побудет, пока не удастся разобраться, что к чему. Со временем выяснилось, что газовые облака в космосе до того разрежены, что атомы пролетают огромные расстояния, ни с чем не сталкиваясь. В таких условиях электроны внутри атомов могут выделывать фокусы, которые не наблюдаются в земных лабораториях. Сигнатура небулия принадлежала обычному кислороду, просто он вел себя необычно.

Универсальность физических законов свидетельствует, что, если мы высадимся на другую планету с развитой цивилизацией, тамошняя наука будет опираться на те же самые законы, что мы открыли и проверили здесь, на Земле.

Универсальность физических законов свидетельствует, что, если мы высадимся на другую планету с развитой цивилизацией, тамошняя наука будет опираться на те же самые законы, что мы открыли и проверили здесь, на Земле, – даже если политические и общественные устои у них окажутся совсем другими. Более того, если вам захочется поговорить с пришельцами, они совершенно точно не поймут ни английского, ни французского, ни даже китайского. И никто не сможет предсказать, как они отнесутся к рукопожатию, даже если отростки у них на теле и вправду руки: как к знаку мира или как к объявлению войны. Так что лучше всего общаться на языке науки. Такая попытка была предпринята в 70-е годы прошлого века, когда были запущены «Пионер-10», «Пионер-11», «Вояджер-1» и «Вояджер-2». У этих четырех космических зондов было достаточно энергии, чтобы с помощью гравитации планет-гигантов вырваться за пределы Солнечной системы. На «Пионерах» были установлены золотые пластинки с выгравированными научными пиктограммами, изображавшими устройство Солнечной системы, наше местоположение в галактике Млечный Путь и структуру атома водорода. «Вояджеры» на этом не остановились – на них летит и золотая грампластинка с записью различных звуков матери-Земли, в том числе сердцебиение человека, песни китов и избранные музыкальные композиции со всего мира, в частности, произведения Бетховена и Чака Берри. Это сделало послание более человечным, однако неясно, способны ли уши инопланетян разобрать, что они слышат, даже если предположить, что у них вообще есть уши. Моя любимая пародия на этот жест – шутка из телепередачи «Saturday Night Live» на канале NBC, где показали письменный ответ от инопланетян, обнаруживших космический зонд. В записке лаконично говорилось: «Пришлите еще Чака Берри».

Научному прогрессу способствует не только универсальность физических законов, но и существование и неизменность физических постоянных.

Научному прогрессу способствует не только универсальность физических законов, но и существование и неизменность физических постоянных. Величина гравитационной постоянной, она же постоянная Ньютона, или G, определяет силу гравитационного взаимодействия в ньютоновском уравнении всемирного тяготения. Неизменность гравитационной постоянной в течение огромных периодов времени неоднократно подвергали косвенной проверке. Если проделать некоторые вычисления, можно определить, что от гравитационной постоянной сильно зависит светимость звезд. То есть если бы величина G в прошлом хоть немного отличалась от нынешней, количество энергии, выделяемой Солнцем, изменилось бы так сильно, что это противоречило бы имеющимся у нас биологическим, климатологическим и геологическим данным.

Вот такова однородность нашей Вселенной.

Самая знаменитая постоянная – это скорость света. Как ни несись, луч света не обгонишь. А почему? Не было проведено ни одного эксперимента, который бы показал, что какое-то тело в любой форме достигло скорости света. Об этом говорят – и опираются на это – надежные законы физики. Да, подобные заявления на первый взгляд кажутся косными и узколобыми. В прошлом от имени науки не раз и не два выступали отъявленные ретрограды, и это подорвало репутацию блестящих инженеров и изобретателей: «Мы никогда не полетим», «Полеты никогда не удастся оправдать коммерчески», «Мы никогда не расщепим атом», «Мы никогда не преодолеем звуковой барьер», «Мы никогда не попадем на Луну». Однако у всех этих заявлений есть одна общая черта: им никогда не мешали установленные законы физики. А когда мы говорим, что «никогда не обгоним луч света», это качественно иное высказывание. Оно основано на фундаментальных, проверенных временем физических принципах. На дорожных знаках для звездолетчиков будущего по праву будет написано:

Не просто отличная мысль.

У законов физики, в отличие от ограничений скорости на земных дорогах, есть одна приятная черта: чтобы их соблюдать, не нужна никакая полиция, хотя у меня была когда-то футболка с шуточной надписью «Покорись гравитации».

Все измерения показывают, что известные нам фундаментальные постоянные и соответствующие законы физики не зависят ни от времени, ни от положения в пространстве. Это в буквальном смысле универсальные постоянные величины.

Многие природные явления – результат одновременного действия множества физических законов. А это зачастую осложняет анализ и в большинстве случаев требует мощных компьютеров, чтобы вычислить, что происходит, и при этом не растерять важные параметры системы. Когда комета Шумейкера-Леви-9 в июле 1994 года врезалась в газовую атмосферу Юпитера, а потом взорвалась, самая точная компьютерная модель учитывала законы гидродинамики, термодинамики, кинематики и гравитации. Еще один наглядный пример сложных (и труднопредсказуемых) явлений – погода и климат. Однако в их основе лежат все те же фундаментальные законы. Большое Красное пятно на Юпитере – гигантский антициклон, бушующий на протяжении как минимум 350 лет, – управляется теми же физическими процессами, что и бури и ураганы на Земле или еще где-нибудь в Солнечной системе.

Есть и еще одна разновидность вселенских истин – законы сохранения, согласно которым какая-то измеряемая величина остается неизменной в любых обстоятельствах. Три главных закона сохранения – это сохранение массы и энергии, сохранение линейного и углового момента импульса и сохранение электрического заряда. Эти законы действуют и на Земле, и везде, куда нам пришло в голову заглянуть, – от царства физики частиц до крупномасштабной структуры Вселенной.

Три главных закона сохранения – это сохранение массы и энергии, сохранение линейного и углового момента импульса и сохранение электрического заряда.

Но хвастаемся мы напрасно: даже в раю нет совершенства. Дело в том, что мы не видим, не осязаем, не чувствуем на вкус источник 85 % гравитации, которую намерили во Вселенной. Эта загадочная темная материя, которая не проявляет себя ни в чем, кроме гравитационного воздействия на видимое вещество, вероятно, состоит из экзотических частиц, которые нам еще предстоит открыть. Однако некоторые астрофизики – их меньшинство – не уверены в этом и предполагают, что никакой темной материи нет, нужно просто подправить закон всемирного тяготения Ньютона. Стоит добавить в уравнение несколько слагаемых, и все сойдется.

Мы имеем право говорить о законе с уверенностью лишь в том диапазоне условий, в каком этот закон был испытан и подтвержден.

Возможно, когда-нибудь мы узнаем, что закон всемирного тяготения и правда нуждается в уточнении. Ничего страшного. Такое уже один раз было. Общая теория относительности, которую выдвинул Эйнштейн в 1916 году, расширила принципы гравитации Ньютона, чтобы их можно было применять к сверхмассивным телам. Закон всемирного тяготения Ньютона при таком обобщении перестает действовать, о чем сам Ньютон не знал. Отсюда мораль: мы имеем право говорить о законе с уверенностью лишь в том диапазоне условий, в каком этот закон был испытан и подтвержден. Чем шире диапазон, тем мощнее закон и тем точнее он описывает мироздание. В домашних условиях Ньютоновский закон гравитации работает превосходно. С его помощью в 1969 году мы слетали на Луну и благополучно вернулись на Землю. Однако если дело доходит до черных дыр и крупномасштабной структуры Вселенной, нам требуется общая теория относительности. С другой стороны, когда мы подставляем маленькие массы и маленькие скорости в уравнения Эйнштейна, они буквально (точнее, математически) превращаются в уравнения Ньютона – и это хороший повод быть уверенными в том, что мы все понимаем правильно.

С точки зрения ученого универсальность физических законов делает космос на диво простым. Особенно по сравнению, скажем, с природой человека, сферой интересов психолога: здесь все гораздо запутаннее.

В Америке местные школьные советы определяют голосованием, какие предметы преподавать. В некоторых случаях результаты голосования зависят от прихотей культурной, политической или религиозной моды. Разница в системе убеждений в разных частях планеты привела к политическим различиям, которые не всегда поддаются мирному урегулированию. А красота и мощь физических законов в том и состоит, что они действуют везде и не зависят от того, кто в них верит, а кто нет.

Иначе говоря, все, кроме законов физики, – не более чем мнение.

Красота и мощь физических законов в том и состоит, что они действуют везде и не зависят от того, кто в них верит, а кто нет.

Не то чтобы ученые не спорят друг с другом. Мы спорим. Еще как. Но при этом мы, как правило, выражаем мнения об интерпретации недостаточных или досадных данных, находящихся на переднем крае наших познаний. Если же в качестве аргумента можно привести тот или иной физический закон, ясно, что спор будет кратким: нет, вечный двигатель вашей конструкции никогда не заработает, поскольку нарушает хорошо проверенные законы термодинамики. Нет, нельзя создать машину времени, чтобы вернуться в прошлое и убить собственную мать до своего рождения: это нарушает законы причины и следствия. И невозможно спонтанно взмыть в воздух и воспарить над землей, не нарушив закон сохранения импульса, – даже если сидишь в позе лотоса (хотя проделать такой фокус в принципе возможно, если испускать мощный и постоянный поток газов).

Знание законов физики в некоторых случаях придает уверенности в себе и помогает противостоять высокомерным невеждам. Несколько лет назад я был в Калифорнии и заказал в одном кафе в Пасадене чашку какао. Разумеется, со взбитыми сливками. Но когда заказ принесли, я не увидел ни намека на сливки. А когда я сказал официанту, что мне подали какао без сливок, тот заверил меня, что я их просто не вижу, поскольку они утонули в какао. Однако у взбитых сливок очень низкая плотность, поэтому они плавают во всех жидкостях, которые пьют люди. Так что я предложил официанту на выбор два варианта: либо кто-то забыл положить мне в чашку взбитые сливки, либо в этом кафе действуют альтернативные законы физики. Официанта это не убедило, и он в знак протеста принес ложку взбитых сливок, чтобы доказать свою правоту. Шарик сливок, попрыгав, как мячик в волнах, благополучно всплыл на поверхность. Самое что ни на есть наглядное доказательство универсальности законов физики!

Знание законов физики в некоторых случаях придает уверенности в себе и помогает противостоять высокомерным невеждам.

3. Да будет свет

После Большого взрыва главным занятием Вселенной было расширение, отчего концентрация заполнявшей пространство энергии постоянно падала. С каждым мгновением Вселенная становилась чуть-чуть больше, чуть-чуть холоднее и чуть-чуть темнее. Между тем вещество и энергия вместе составляли своего рода мутный бульон, в котором шальные электроны все время рассеивали во все стороны фотоны.

Примерно так все и шло целых 380 000 лет. В эту раннюю эпоху фотоны не успевали далеко улететь – на пути обязательно попадался электрон. Если бы в эту эпоху вашей задачей было посмотреть сквозь Вселенную, у вас бы ничего не вышло. Любой зарегистрированный вами фотон за несколько нано– или пикосекунд до этого наверняка отразился бы от какого-нибудь электрона прямо у вас под носом (одна наносекунда – миллиардная доля секунды, а пикосекунда – триллионная доля секунды). Поскольку таково было самое большое расстояние, какое могла пройти неискаженная информация, прежде чем достичь ваших глаз, вся Вселенная, куда ни посмотри, была тогда просто светящимся непрозрачным туманом. Сегодня Солнце и остальные звезды выглядят внутри себя точно так же.

Температура Вселенной падает, и частицы движутся все медленнее и медленнее. И вот в тот самый момент, когда температура впервые опустилась за красную отметку в 3000 градусов, электроны замедлились ровно настолько, чтобы их захватывали пролетающие мимо протоны, – и так миру явились полноценные атомы. Это позволило фотонам, к которым раньше все приставали, освободиться и беспрепятственно перелетать через всю Вселенную.

Так получился «космический фон» – остаточный свет ослепительной, раскаленной ранней Вселенной, – и у него есть температура, которую можно измерить, определив, в какой части спектра находится больше всего фоновых фотонов. Космос продолжал остывать, и фоновые фотоны, родившиеся в видимой части спектра, при расширении Вселенной теряли энергию и соскальзывали вниз по спектру, превращаясь в инфракрасные фотоны. Становясь слабее, они все же не переставали быть фотонами.

Какой диапазон у нас еще ниже по спектру? С тех пор, как фотоны освободились, Вселенная расширилась в 1000 раз, так что сегодня космический фон тоже оказался в 1000 раз холоднее. Фоновые фотоны, родившиеся в видимом диапазоне, теперь стали в 1000 раз менее энергичными и оказались в микроволновом диапазоне – отсюда и взялось современное выражение «реликтовое космическое микроволновое излучение». Пройдет 50 миллиардов лет – и астрофизики будущего напишут о реликтовом радиоволновом излучении.

Когда что-то раскалено и светится, оно излучает свет во всех частях спектра, но где-нибудь обязательно будет пик. Обычные лампочки, в которых по старинке еще есть нить накаливания, достигают пика в инфракрасном диапазоне и именно поэтому считаются не очень эффективными источниками видимого света. Инфракрасное излучение наши органы чувств воспринимают только как ощущение тепла на коже. Светодиодная революция в современной технологии освещения позволила получать чистый видимый свет, не тратя ватты на невидимые части спектра. Именно это и означают безумные на первый взгляд рекламные лозунги, которые пишут на упаковке: «Светодиодная лампа в 7 ватт заменяет лампу накаливания в 60 ватт».

Светодиодная революция в современной технологии освещения позволила получать чистый видимый свет, не тратя ватты на невидимые части спектра.

Поскольку реликтовое космическое излучение произошло от сильно нагретого вещества, спектральный профиль у него именно такой, какой бывает у светящегося, но остывающего предмета: где-то у него есть пик, но светится он и в остальных частях спектра. В данном случае, помимо пика в области микроволнового излучения, наблюдаются и фоновые радиоволны, и исчезающее малое количество фоновых фотонов более высокой энергии.

В середине XX века у космологии (не путать с косметологией) было в распоряжении сравнительно мало данных. А когда данных недостаточно, возникает полным-полно конкурирующих гипотез, честолюбивых и хитроумных. Гипотезу о существовании реликтового космического излучения высказала в 40-е годы группа физиков во главе с Георгием Гамовым – американцем русского происхождения. Они основывались на работе бельгийского физика и священника Жоржа Леметра, опубликованной в 1927 году. Кстати, именно Леметра считают отцом космологии Большого взрыва. Однако первую оценку ожидаемой температуры реликтового излучения сделали американские физики Ральф Альфер и Роберт Герман в 1948 году. Их вычисления были основаны на трех столпах:

1) общей теории относительности Эйнштейна (1916);

2) открытии расширения Вселенной, которое сделал Эдвин Хаббл (1927);

3) достижениях лабораторной атомной физики до и во время Манхэттенского проекта, который привел к созданию атомных бомб во время Второй мировой войны.

Герман и Альфер получили температуру Вселенной, равную 5 градусам Кельвина. И, коротко говоря, ошиблись. Точные измерения температуры фонового микроволнового излучения показали, что она равна 2,725 градуса – иногда пишут просто 2,7 градуса, а если вы небрежно относитесь к цифрам, вам простят даже округление температуры Вселенной до 3 градусов.

Здесь мы ненадолго остановимся. Герман и Альфер опирались на скудные данные атомной физики, только что полученные в лаборатории, и применяли их к гипотетическим условиям ранней Вселенной. Исходя из этого, они экстраполировали результаты на миллиарды лет вперед и посчитали, какова должна быть температура Вселенной сегодня. И если их прогноз хотя бы приблизительно напоминал верный ответ, это поразительный триумф человеческого разума и проницательности. Они могли ошибиться в десять или в сто раз и вообще предсказать что-то, чего нет в природе. Американский астрофизик Дж. Ричард Готт заметил по этому поводу: «Предсказать, что фоновое излучение существует, а потом вычислить его температуру и ошибиться всего в два раза – это все равно что предсказать, что на лужайку перед Белым домом приземлится летающая тарелка диаметром 50 футов, и ошибиться только в том, что диаметр тарелки на самом деле окажется 27 футов».

Впервые непосредственно пронаблюдать космическое микроволновое излучение удалось в 1964 году, и сделали это совершенно случайно два американских физика – Арно Пензиас и Роберт Уилсон. Они работали в Телефонных лабораториях Белла – исследовательском подразделении Американской телефонно-телеграфной компании. В шестидесятые годы про микроволновое излучение знали все, но почти ни у кого не было в распоряжении техники, позволяющей его зарегистрировать. Лаборатории Белла были на переднем крае индустрии коммуникаций и придумали для этой цели особую приземистую рогатую антенну.

Начнем с того, что, если вы собираетесь отправлять или принимать какой-то сигнал, первым делом нужно избавиться от источников помех. Пензиас и Уилсон хотели измерить фоновые помехи в своем микроволновом приемнике, чтобы обеспечить чистую, лишенную шума связь в этом диапазоне. Они не были космологами. Обычные технари-кудесники, они всего-навсего налаживали микроволновой приемник и ничего не знали про гипотезы Гамова, Германа и Альфера.

Пензиас и Уилсон и не думали про космическое микроволновое излучение – им просто нужно было открыть для Американской телефонно-телеграфной компании новый диапазон частот.

Пензиас и Уилсон и не думали про космическое микроволновое излучение – им просто нужно было открыть для Американской телефонно-телеграфной компании новый диапазон частот.

Они провели эксперимент и вычли из своих данных все известные земные и космические источники помех, которые смогли определить, однако часть шумового сигнала никуда не делась, и исследователи никак не могли понять, как от нее избавиться. В конце концов они заглянули в тарелку антенны и увидели, что там поселились голуби. Тогда ученые решили, что шум, наверное, вызывает белый диэлектрик (голубиный помет), поскольку сигнал регистрировался отовсюду, куда бы они ни направляли детектор. Пензиас и Уилсон отчистили антенну от белого диэлектрика, шум немного снизился, однако заметный шумовой сигнал все же не исчез. В статье, которую они опубликовали в 1965 году, говорилось лишь о непонятной «избыточной антенной температуре» (A. A. Penzias and R. W. Wilson. «A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s», The Astrophysical Journal 142 (1965):419–21).

Тем временем группа принстонских ученых под руководством Роберта Дикке строила детектор, специально предназначенный для обнаружения фонового космического микроволнового излучения. Однако у них в распоряжении не было таких ресурсов, как в Лабораториях Белла, поэтому работа шла несколько медленнее. И в тот момент, когда Дикке с коллегами узнали о работе Пензиаса и Уилсона, принстонские физики сразу поняли, что это за наблюдаемая избыточная антенная температура. Все сходилось – и величина этой температура, и то, что сигнал шел со всех сторон, со всего неба.

В 1978 году Пензиас и Уилсон получили за свое открытие Нобелевскую премию. А в 2006 году американские астрофизики Джон К. Мазер и Джордж Ф. Смут разделили Нобелевскую премию за наблюдение фонового микроволнового космического излучения в широком спектральном диапазоне, в результате которого космология вышла из пеленок, перестав быть собранием интересных, но непроверенных идей, и перешла в область количественных точных наук, став полноценной отраслью экспериментальной физики.

Поскольку свету нужно время, чтобы дойти до нас из отдаленных уголков Вселенной, то, заглянув в глубокий космос, мы на самом деле видим, что происходило много эпох назад. Так что если разумные обитатели далекой-далекой галактики хотели бы измерить температуру фонового космического излучения в момент, который мы сейчас видим, получилось бы больше чем 2,7 Кельвина, поскольку в этот момент они жили в более молодой Вселенной, меньше и жарче нынешней.

Поскольку свету нужно время, чтобы дойти до нас из отдаленных уголков Вселенной, то, заглянув в глубокий космос, мы на самом деле видим, что происходило много эпох назад.

Оказывается, эту гипотезу можно проверить. Молекула цианида CN (когда-то его использовали как действующее вещество в составе газа, которым умерщвляли приговоренных к смертной казни) под воздействием микроволнового излучения переходит в возбужденное состояние. Если микроволновое излучение теплее, чем наше фоновое реликтовое, молекула возбуждается сильнее. В рамках модели Большого взрыва микроволновое излучение, которому подвергается цианид в далеких, более молодых галактиках, должно быть теплее, чем сегодня в нашей галактике Млечный Путь. Именно эту картину мы и наблюдаем.

Подделать это невозможно.

А почему нас вообще интересует все это? Первые 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная была непрозрачной, поэтому пронаблюдать возникновение вещества было невозможно, даже если бы мы с вами сидели в первом ряду. Нельзя было различить, где начинают формироваться скопления галактик и пустоты. Чтобы кто-то увидел что-то стоящее, фотоны должны были беспрепятственно пролететь через Вселенную и тем самым послужить переносчиками информации.

Первые 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная была непрозрачной, поэтому пронаблюдать возникновение вещества было невозможно, даже если бы мы с вами сидели в первом ряду.

Транс-космическое путешествие каждого фотона начинается в той точке, где он налетел на последний электрон, очутившийся у него на пути, – в «точке последнего рассеяния». По мере того как фотоны беспрепятственно разбегаются в разные стороны, они создают расширяющуюся «поверхность» последнего рассеяния – глубиной примерно 120 000 лет. Это та самая поверхность, на которой родились все атомы во Вселенной: электрон присоединяется к атомному ядру, и крошечный выброс энергии в виде фотона улетает прочь в бурную алую даль.

К этому времени некоторые области Вселенной уже начали уплотняться благодаря гравитационному притяжению составляющих их частей. Фотоны, последними рассеявшиеся на электронах в этих областях, имеют несколько более холодный спектр, чем те, которые рассеялись на менее общительных электронах, болтающихся в пустоте. Там, где накапливается вещество, растет сила тяжести, благодаря чему туда стягивается еще больше вещества. Эти области стали зародышами сверхскоплений галактик, а в других областях по-прежнему было относительно пусто.

Если составить подробную карту фонового космического микроволнового излучения, окажется, что она не совсем ровная. Там есть участки чуть теплее и чуть холоднее среднего. Если изучить эти отклонения температуры фонового космического излучения, то есть поискать закономерности на поверхности последнего рассеяния, можно сделать выводы о структуре и составе вещества в ранней Вселенной. Чтобы определить, как возникали галактики, скопления и сверхскопления, мы опираемся на самые точные данные о фоновом излучении, мощную капсулу времени, которая дает астрофизикам возможность реконструировать историю Вселенной. Изучение его закономерностей – это что-то вроде космической френологии: мы ощупываем шишки на черепе новорожденной Вселенной.

Если сопоставить данные фонового космического излучения с другими наблюдениями современной и далекой Вселенной, можно выявить всевозможные фундаментальные свойства космоса. Сравните распределение размеров и температур теплых и холодных участков – и станет понятно, какой была сила гравитации в те времена, как быстро накапливалось вещество, и это, в свою очередь, подскажет, сколько во Вселенной было обычного вещества, темного вещества и темной энергии. А отсюда можно сделать непосредственный вывод о том, будет ли Вселенная расширяться вечно.

Обычное вещество – это вещество, из которого состоим все мы. Оно чувствительно к гравитации и взаимодействует со светом. Темное вещество – это таинственная субстанция, чувствительная к гравитации, но не взаимодействующая со светом никакими известными нам способами. Темная энергия – это загадочное давление вакуума (пустого пространства), которое действует противоположно гравитации и вынуждает Вселенную расширяться все быстрее. Наше френологическое обследование показывает, что мы понимаем, как вела себя Вселенная в эпоху последнего рассеяния, но оказывается, что эта Вселенная в основном состоит из субстанции, о которой нам ничего не известно. Однако, несмотря на наше глубочайшее невежество, сегодня у космологии наконец появилась зацепка, поскольку фоновое космическое излучение показывает, из какого портала вышли мы все. Именно здесь физика становится особенно интересной, именно так мы можем узнать, что творилось во Вселенной и до, и после того, как свет в ней обрел свободу.

Темное вещество – это таинственная субстанция, чувствительная к гравитации, но не взаимодействующая со светом никакими известными нам способами.

Само по себе открытие космического микроволнового излучения вывело космологию из сферы мифологии. Однако чтобы превратить ее в современную точную науку, потребовалась подробная карта фонового микроволнового излучения. Космологи очень высокого мнения о себе. Еще бы! Ведь их работа – выяснить, какова причина возникновения Вселенной! Но без данных их объяснения были лишь гипотезами. А теперь каждое новое наблюдение, каждая крупица данных служит сразу двум целям: во-первых, дает космологии такую же плодородную почву и надежный фундамент, как и у всех других точных и естественных наук, а во-вторых, отсеивает теории, которые люди выдумывали, когда данных было недостаточно и невозможно было сказать, правы они или нет.

Без этого никакая наука не может считаться зрелой.

4. Между галактик

При масштабной инвентаризации Вселенной и ее составляющих в первую очередь обычно подсчитывают галактики. По последним оценкам, в наблюдаемой Вселенной их примерно сто миллиардов. Галактики – яркие, красивые, набитые звездами – украшают темные пустые бездны пространства, будто города – ночной пейзаж под крылом самолета. Но насколько на самом деле пусты эти пустые бездны? (Насколько пусты поля и луга между городами?) Если галактики бросаются в глаза и убеждают нас, что все остальное неважно, это не значит, что в пространстве между галактиками не таится много такого, что труднее пронаблюдать. Не исключено, что это даже интереснее или важнее для эволюции Вселенной, чем сами галактики.

Наша собственная спиральная галактика Млечный Путь названа так за то, что и правда похожа на молоко, пролитое на ночное небо, если смотреть на него с Земли невооруженным взглядом. Само слово «галактика» происходит от древнегреческого «галактос» – «молоко». Две наши ближайшие соседки-галактики, расстояние до которых меньше 200 000 световых лет, маленькие и неправильной формы. Эти космические объекты наблюдал Фернан Магеллан во время своего знаменитого кругосветного путешествия в 1519 году и написал об этом в своем судовом журнале. В честь великого мореплавателя мы назвали их Большое и Малое Магелланово облако, и видны они в основном в Южном полушарии в виде пары облачков на небе где-то за звездами. Ближайшая галактика больше нашей находится в двух миллионах световых лет от нас, за звездами, составляющими созвездие Андромеды. Эта спиральная галактика, исторически названная Великая туманность Андромеды, несколько массивнее и вдвое ярче Млечного Пути. Примечательно, что во всех этих названиях вовсе не говорится о звездах: Млечный Путь, Магеллановы облака, Туманность Андромеды. Все они были окрещены до изобретения телескопов, поэтому люди не могли разглядеть их в подробностях и не знали, что они состоят из звезд.

Галактики – яркие, красивые, набитые звездами – украшают темные пустые бездны пространства, будто города – ночной пейзаж под крылом самолета.

Галактики, запечатленные телескопом Хаббла

Как рассказано в главе 9, если бы не телескопы, работающие в различных диапазонах спектра, мы бы до сих пор считали, что в космосе между галактиками пусто. Однако при помощи современных детекторов и современных теорий мы исследовали космические луга и поля и обнаружили там самые разные «скрытые» объекты: темную материю, карликовые галактики, тусклые голубые галактики, убегающие из галактик звезды, в том числе взрывающиеся, вездесущие газовые облака, потрясающие высокоэнергичные частицы разного рода, загадочную квантовую энергию вакуума и раскаленный до миллионов градусов газ, испускающий рентгеновские лучи.

Впечатляющий список: можно сказать, что все самое интересное во Вселенной происходит между галактиками, а не в них самих.

Если тщательно исследовать любой объем пространства, окажется, что карликовых галактик в нем раз в десять больше, чем крупных. Моя первая научно-популярная статья, которую я написал в начале 80-х, называлась «Галактика и семь гномов» и была посвящена миниатюрному семейству, проживающему в ближайших окрестностях Млечного Пути. С тех пор поблизости от нас насчитали уже десятки карликовых галактик. Полнокровные большие галактики содержат сотни миллиардов звезд, а карликовые могут содержать всего-то миллион, а следовательно, зарегистрировать их в сто тысяч раз сложнее. Неудивительно, что мы до сих пор открываем их прямо у себя под носом.

Если тщательно исследовать любой объем пространства, окажется, что карликовых галактик в нем раз в десять больше, чем крупных.

Карликовые галактики, где больше не рождаются звезды, обычно похожи на крошечные скучные пятнышки. Если же в карликовой галактике еще возникают новые звезды, она обязательно будет иметь неправильную форму и, откровенно говоря, выглядеть не слишком привлекательно. У карликовых галактик есть три свойства, мешающие их обнаружить. Во-первых, они очень маленькие, и их легко затмевают соблазнительные спиральные галактики, которые соревнуются за наше внимание. Во-вторых, они тусклые, поэтому не попадают во многие исследования, где рассматриваются объекты с яркостью выше некоторого порога. А в-третьих, у них невысокая плотность звезд, поэтому они плохо видны на фоне свечения ночной атмосферы Земли и других источников. Все это так. Но поскольку карликовых галактик гораздо больше, чем «нормальных», наше определение нормального, пожалуй, стоит пересмотреть.

Большинство известных нам карликовых галактик держатся поблизости от более крупных галактик и вращаются вокруг них по орбите, будто спутники. Оба Магеллановых облака – это часть карликового семейства Млечного Пути. Однако жизнь галактик-спутников трудна и полна опасностей. Почти все компьютерные модели их орбит указывают на медленные изменения, которые в конце концов приведут к тому, что большая галактика сначала растерзает, а потом попросту съест незадачливого карлика.

Галактика Млечный Путь за последний миллиард лет лично участвовала по крайней мере в одном акте каннибализма – она поглотила карликовую галактику, чьи жалкие останки еще заметны в виде потока звезд, вращающегося вокруг галактического центра за звездами созвездия Стрельца. Эта система называется Карликовая эллиптическая галактика в Стрельце, но лучше было бы назвать ее просто Ужин.

В плотных недрах скоплений галактик то и дело сталкиваются две-три, а то и больше крупных галактик, после чего остается титаническая груда обломков: спиральные структуры, искаженные до полной неузнаваемости, свежие очаги звездообразования, порожденные яростными столкновениями газовых облаков, и сотни миллионов звезд, разбросанных во все стороны и только что вырвавшихся из тенет гравитации обеих галактик. Некоторые из этих звезд перегруппируются и образуют скопления неправильной формы, которые можно назвать карликовыми галактиками. Прочие так и остаются дрейфовать. Примерно 10 % всех крупных галактик носят следы серьезных гравитационных столкновений с другими крупными галактиками, а среди галактик в составе скоплений эта доля, вероятно, в пять раз больше.

Примерно 10 % всех крупных галактик носят следы серьезных гравитационных столкновений с другими крупными галактиками, а среди галактик в составе скоплений эта доля, вероятно, в пять раз больше.

Да уж, настоящая мясорубка. Сколько же галактических ошметков болтается по межгалактическому пространству, особенно в скоплениях? Неизвестно. Измерить это трудно, поскольку одиночные звезды тусклые, и по отдельности их не пронаблюдать. Приходится исходить из наблюдений слабого свечения, которое испускают все звезды вместе. В сущности, наблюдения скоплений галактик позволяют зарегистрировать именно такое свечение между галактиками, которое показывает, что бродячих бездомных звезд, возможно, столько же, сколько звезд в самих галактиках.

Подольем масла в огонь: мы обнаружили (не нарочно) более десятка сверхновых, взорвавшихся, как мы полагаем, далеко от своих «родных» галактик. В обычных галактиках на каждую взорвавшуюся звезду приходится от ста тысяч до миллиона звезд, которые не взрываются, поэтому одиночные сверхновые, вероятно, выдают существование целых популяций звезд, которых мы не видим. Сверхновые – это звезды, которые взорвались и разлетелись на мельчайшие кусочки, и при этом их светимость временно (на несколько недель) возросла в миллиард раз, так что их стало видно с другого конца Вселенной. Поскольку десяток бездомных сверхновых – это относительно немного, вероятно, многие из них еще ждут, когда мы их откроем, ведь большинство исследований сверхновых основано на систематических наблюдениях известных галактик, а не пустого пространства.

Сверхновые – это звезды, которые взорвались и разлетелись на мельчайшие кусочки, и при этом их светимость временно (на несколько недель) возросла в миллиард раз, так что их стало видно с другого конца Вселенной.

Скопления галактик – это не просто сумма составляющих их галактик и бродячих звезд.

Измерения при помощи рентгеновских телескопов показывают, что пространство внутри скоплений заполнено газом, раскаленным до десятков миллионов градусов. Этот газ такой горячий, что служит мощным источником рентгеновских лучей. Когда богатые газом галактики проходят через этот горячий газ, они лишаются большей части собственного газа, а значит, и способности создавать новые звезды, что объясняет многие наблюдательные особенности таких «ободранных» галактик. Но если подсчитать полную массу раскаленного газа, то в большинстве скоплений она окажется больше совокупной массы всех галактик в скоплении в целых десять раз. Хуже того, скопления погружены в темное вещество, масса которого в десять раз больше массы всех остальных (видимых) компонент. Иными словами, если бы в телескопы было видно не свет, а массу, наши драгоценные галактики в скоплениях показались бы невзрачными точечками в гигантской гравитирующей сфере.

Все остальное пространство вне скоплений населено галактиками, пик расцвета которых давно прошел. Как уже упоминалось, смотреть в дальний космос – все равно что геологу глядеть на слоистые осадочные породы, которые излагают всю историю формирования гор.

Галактики тусклые не только потому, что до них так далеко, но еще и потому, что доля ярких звезд в них невелика.

Расстояния в космосе так огромны, что свет долетает до нас за миллионы, а то и за миллиарды лет. Когда Вселенная была вдвое моложе, чем сейчас, была широко распространена очень тусклая разновидность очень голубых галактик среднего размера. Мы видим их. Они взывают к нам из далекого прошлого – те самые «далекие-далекие галактики». Голубой цвет – это свечение только что образовавшихся звезд, недолговечных, горячих, массивных и ярких. Галактики тусклые не только потому, что до них так далеко, но и потому, что доля ярких звезд в них невелика. Подобно динозаврам, которые пришли и ушли, и единственные их потомки в наши дни – это птицы, тусклые голубые галактики давно вымерли, но, вероятно, имеют аналог в современной Вселенной. Все ли их звезды выгорели? А вдруг они превратились в невидимые трупы, разбросанные по всей Вселенной? Или эволюционировали и стали привычными нам современными карликовыми галактиками? Или их всех поглотили крупные галактики? Этого мы не знаем, зато можем точно определить их место в космической хронологии.

Если между крупными галактиками в космосе находится так много вещества, можно ожидать, что оно будет отчасти заслонять от нас остальной пейзаж. Это и в самом деле мешает наблюдать самые далекие объекты во Вселенной, например, квазары. Квазары – это очень яркие ядра галактик, чей свет, как правило, добирается до наших телескопов, проделав по Вселенной путь в миллиарды лет. Поскольку квазары – необычайно далекие источники света, из них получаются идеальные подопытные кролики для обнаружения всяческого мусора в пространстве между нами.

Квазары – очень яркие ядра галактик, чей свет, как правило, добирается до наших телескопов, проделав по Вселенной путь в миллиарды лет.

И в самом деле, если разложить свет квазара на спектральные компоненты, в нем окажется полным-полно следов газовых облаков, через которые свет успел пройти. Все известные нам квазары, в какой бы части неба их ни обнаружили, содержат в своем спектре отпечатки изолированных водородных облаков, разбросанных в пространстве и времени.

Этот уникальный класс межгалактических объектов был обнаружен в восьмидесятые годы ХХ века и до сих пор остается предметом активных исследований. Откуда они взялись? Какова содержащаяся в них масса?

Спектры всех известных квазаров содержат следы водорода, а значит, облака водорода есть во Вселенной повсюду. И, как и ожидалось, чем дальше находится квазар, тем больше водородных облаков накладывают отпечатки на его спектр. Некоторые отпечатки (менее одного процента) – просто следствие того, что луч нашего зрения проходит через газ, содержащийся в обычной спиральной или неправильной галактике. Разумеется, можно ожидать, что по крайней мере некоторые квазары окажутся позади обычных галактик, которые мы не видим, потому что до них слишком далеко. Однако другие объекты, поглощающие свет квазаров, с галактиками не спутаешь.

Однако свет квазаров нередко проходит сквозь области пространства, содержащие чудовищные источники гравитации, отчего видимый облик квазара катастрофически искажается. Обнаружить эти источники зачастую непросто, поскольку они могут состоять из обычного вещества, которое находится слишком далеко от нас и потому очень тусклое, а могут представлять собой скопления темного вещества – например, около центров скоплений галактик. Так или иначе, где масса, там и гравитация. А где гравитация, там, согласно общей теории относительности Эйнштейна, и искривление пространства. А искривленное пространство вполне может вести себя как обычная стеклянная линза и изменить путь проходящего сквозь него света. И в самом деле, далекие квазары и целые галактики видны нам сквозь «линзу» из-за массивных объектов, оказавшихся на луче зрения земных телескопов. В зависимости от массы такой линзы и искривленной геометрии луча зрения гравитационная линза может увеличивать, искажать и даже расщеплять далекий источник света на несколько изображений – точь-в-точь кривые зеркала в парках развлечений.

Среди самых далеких из известных нам объектов во Вселенной есть даже не квазар, а обычная галактика, чей слабый свет существенно усилен под действием гравитационной линзы, находящейся между нами. Так что, если мы хотим заглянуть туда, куда не позволяют обычные телескопы, нам придется рассчитывать на эти «межгалактические» телескопы – и с их помощью обновлять рекорды дальности.

Межгалактическое пространство – это, конечно, очаровательно, но гулять там вредно для здоровья. Даже если пренебречь тем фактом, что вашему теплому организму придется замерзнуть насмерть, чтобы достичь равновесия с царящей во Вселенной температурой, равной 3 Кельвина (–270°С). И тем, что клетки вашей крови лопнут, когда вы задохнетесь от отсутствия атмосферного давления. Все это заурядные опасности, не требующие особого внимания. Есть и более экзотические: например, межгалактическое пространство постоянно прошивают высокоэнергичные скоростные заряженные субатомные частицы. Мы зовем их космическими лучами. Самые высокоэнергичные частицы обладают энергией в сто миллионов раз больше, чем можно достичь в самых крупных ускорителях на Земле. Откуда они берутся, остается загадкой, однако большинство из этих заряженных частиц – это протоны, ядра атомов водорода, и движутся они со скоростью 99,9999999999999999999 процента скорости света. Примечательно, что каждая из этих субатомных частиц иногда несет столько энергии, что ее хватит, чтобы забить в лунку мячик для гольфа с любой точки лужайки.

Но самое, пожалуй, экзотическое явление между (и среди) галактик в вакууме пространства-времени – это бурлящий океан виртуальных частиц, пар вещества и антивещества, которые невозможно зарегистрировать, поскольку они постоянно возникают и тут же аннигилируют. Этот поразительный феномен, предсказанный квантовой физикой, назвали «энергией вакуума», и она проявляется в виде направленного наружу давления, противодействующего гравитации, которое прекрасно себя чувствует даже при полном отсутствии вещества. Вероятно, расширение Вселенной – воплощение темной энергии – объясняется именно воздействием энергии вакуума.

Вероятно, расширение Вселенной – воплощение темной энергии – объясняется именно воздействием энергии вакуума.

Да, в межгалактическом пространстве и вправду происходит самое интересное. И так будет всегда.

5. Темное вещество

Самая знаменитая из сил природы – гравитация – отвечает и за самые понятные, и за самые загадочные природные явления. Чтобы понять, что загадочное «дистанционное воздействие» гравитации коренится в природных свойствах всех частиц вещества и силу притяжения между любыми двумя телами можно описать простым алгебраическим уравнением, потребовался самый блестящий и влиятельный ум тысячелетия – гений Исаака Ньютона. А чтобы показать, что еще точнее дистанционное воздействие гравитации описывается как искажение ткани пространства-времени, вызванное любым сочетанием вещества и энергии, потребовался самый блестящий и влиятельный ум прошлого столетия – гений Альберта Эйнштейна. Эйнштейн показал, что теория Ньютона нуждается в некотором видоизменении, чтобы описать гравитацию точно – то есть, например, предсказать, насколько искривится луч света, проходя мимо массивного тела. Уравнения Эйнштейна сложнее ньютоновых, зато они прекрасно описывают вещество, которое мы знаем и любим. Все то вещество, которое мы видим, ощущаем, осязаем, нюхаем и иногда пробуем на вкус.

Кто будет следующим в этой череде гениев, неизвестно, но мы уже почти сто лет ждем, когда появится кто-то, кто объяснит, почему подавляющее большинство гравитации, которую мы намеряли во Вселенной, – почти 85 процентов! – обеспечивается субстанцией, которая больше никак не взаимодействует с «нашими» веществом и энергией. А может, избыток гравитации вообще порожден не веществом и энергией, а чем-то концептуально иным? Так или иначе, мы не имеем об этом ни малейшего представления. И ни на шаг не приблизились к ответу с 1937 года, когда проблему «недостающей массы» впервые проанализировал американский астрофизик швейцарского происхождения Фриц Цвики. Он преподавал в Калифорнийском технологическом институте более сорока лет и сочетал глубочайшие познания в физике космоса с исключительным красноречием и поразительной способностью критиковать коллег.

Цвики исследовал движение отдельных галактик в пределах огромного скопления, расположенного на большом расстоянии за нашими соседками-звездами Млечного Пути, составляющими созвездие Волосы Вероники (в честь древнееврейской царевны). Скопление Волос Вероники, как мы называем его сегодня, – это изолированный густонаселенный ансамбль галактик примерно в 300 миллионах световых лет от Земли. Тысяча его галактик вращаются вокруг центра скопления на первый взгляд довольно суматошно, будто рой пчел вокруг улья. Цвики изучил движение нескольких десятков галактик в качестве меток гравитационного поля, которое связывает скопление воедино, и обнаружил, что их средняя скорость на удивление велика. Поскольку высокая скорость притягиваемых тел обычно объясняется большой гравитацией, Цвики предположил, что в центре скопления Волос Вероники находится какая-то гигантская масса. Чтобы сопоставить такую оценку с реальным положением дел, можно вычислить сумму масс всех видимых галактик в скоплении. И хотя Волосы Вероники считаются одним из самых крупных и массивных скоплений во Вселенной, видимых галактик в нем недостаточно, чтобы объяснить скорости, которые измерил Цвики.

Насколько все плохо? Неужели известные законы гравитации нас подвели? В Солнечной системе они, однако, действуют бесперебойно. Ньютон показал, что всегда можно однозначно рассчитать скорость, которую должна поддерживать планета, чтобы сохранять стабильную орбиту на той или иной дистанции от Солнца, не упасть на Солнце и не улететь на более далекую орбиту. Оказывается, если бы мы могли разогнать Землю по орбите со скоростью больше нынешней в корень квадратный из двух (1,4142…) раз, наша планета достигла бы «второй космической скорости» и покинула бы Солнечную систему. Те же расчеты можно применить к системам гораздо более крупным, например, к нашей галактике Млечный Путь, в которой звезды движутся по орбитам, соответствующим гравитации всех остальных звезд, и к скоплениям галактик, в которых каждая галактика ощущает гравитацию всех остальных галактик. Именно поэтому в записных книжках Эйнштейна на страничке с формулами появилась эпиграмма в честь Исаака Ньютона (она приведена в книге Károly Simonyi, A Cultural History of Physics (Boca Raton, FL: CRC Press, 2012)):

(Взгляните на звезды, которые учат, как надо слушаться учителя: каждая вечно и спокойно движется согласно расчетам Ньютона по своему предписанному пути.)

Если мы, как это сделал Цвики в 30-е годы, изучим скопление Волосы Вероники, то окажется, что все галактики, которые в него входят, движутся со скоростью больше второй космической для этого скопления. Оно должно было быстро разлететься на части, всего за несколько сотен миллионов лет не должно было остаться ни следа от нынешнего роя. Однако этому скоплению уже больше десяти миллиардов лет – они почти что ровесники с самой Вселенной. Так в астрофизике появилась самая старая на сегодня задача без ответа.

На протяжении десятилетий, прошедших после публикации работ Цвики, ту же особенность выявили и у других скоплений галактик, так что речь идет не о какой-то удивительной особенности Волос Вероники: это скопление ни в чем не виновато. А кто виноват? Или что? Ньютон? Он вне подозрений. По крайней мере, пока. Его теории изучались 250 лет и прошли все проверки. Эйнштейн? Нет. Колоссальная гравитация скоплений галактик все же не настолько велика, чтобы требовать полномасштабного применения общей теории относительности Эйнштейна, которой во времена Цвики исполнилось всего двадцать лет. Возможно, «недостающая масса», удерживающая галактики в скоплении Волосы Вероники, и в самом деле существует, просто в какой-то неизвестной невидимой форме. Сегодня мы довольствуемся выражением «темное вещество»: оно не намекает, что нам чего-то недостает, но все же предполагает, что должна существовать какая-то иная разновидность вещества, просто мы ее еще не открыли.

Едва астрофизики смирились с существованием темного вещества в скоплениях галактик, как загадка снова заявила о своем незримом присутствии. В 1976 году покойная Вера Рубин, астрофизик из Института Карнеги в Вашингтоне, открыла похожую аномалию масс внутри самих спиральных галактик. Она изучала скорости вращения звезд вокруг центров галактик и сначала обнаружила то, что и ожидала: внутри видимого диска каждой галактики звезды, находящиеся дальше от центра, движутся быстрее, чем ближние. Чем дальше звезды, тем больше вещества (звезд и газа) находится между ними и центром галактики, поэтому у них выше орбитальная скорость. Однако за пределами светящегося диска галактики можно обнаружить изолированные газовые облака и несколько ярких звезд. Вера Рубин проследила движение этих объектов, использовав их как метки гравитационного поля вне самых ярких частей галактик, где нет видимого вещества, вносящего вклад в общую массу, и обнаружила, что их орбитальные скорости, которые должны были здесь, в глухой провинции, постепенно уменьшаться с увеличением расстояния, оставались по-прежнему высокими.

Эти пустые по большей части объемы пространства – дальнее захолустье каждой галактики – содержат так мало видимого вещества, что аномально высокие орбитальные скорости звезд-меток невозможно объяснить. Вера Рубин совершенно законно предположила, что в этих дальних областях, далеко за пределами видимого края каждой спиральной галактики, находится какая-то разновидность темного вещества. Благодаря работам Рубин мы теперь называем эти загадочные области «гало темного вещества». Загадочные гало существуют у нас прямо под носом, здесь, около Млечного Пути. Расхождение между совокупной массой видимых объектов и массой, которая объясняла бы общую гравитацию, налицо во всех галактиках и во всех скоплениях; иногда они различаются в несколько раз, а иногда – в несколько сотен. В среднем по Вселенной получается, что темное вещество в космосе обеспечивает примерно в шесть раз больше гравитации, чем все видимое вещество.

Дальнейшие исследования показали, что темное вещество не может состоять из обычного вещества, которое почему-то светится тусклее или не светится вообще. К этому выводу подводят две логические цепочки. Во-первых, мы можем практически с полной уверенностью исключить всех знакомых нам кандидатов – в точности как подозреваемых при опознании. Может быть, темное вещество залегает в черных дырах? Нет, мы бы наверняка обнаружили такое большое количество черных дыр по гравитационному воздействию на ближайшие звезды. Может, это темные облака? Нет, они бы поглощали свет далеких звезд или еще как-то взаимодействовали с ним, а добропорядочное темное вещество так никогда не поступает. А может, это бродячие планеты, астероиды и кометы в межзвездном (или межгалактическом) пространстве, ведь все эти тела сами не светятся? Трудно поверить, чтобы во Вселенной производилось в шесть раз больше массы в виде планет, чем в виде звезд. Получается, что на каждую звезду в Галактике должно приходиться 6000 Юпитеров, хуже того – 2 000 000 Земель. Но, к примеру, в нашей Солнечной системе все вместе, кроме Солнца, весит меньше одной пятой процента от массы Солнца.

О странной природе темного вещества говорят и более прямые данные – например, соотношение гелия и водорода во Вселенной. Это число дает представление о том, как выглядела ранняя Вселенная. По достаточно точным оценкам, в процессе ядерного синтеза в первые несколько минут после Большого взрыва на каждые десять ядер водорода (которые представляют собой просто протоны) образовалось одно ядро гелия. Расчеты показывают, что если бы в ядерном синтезе участвовала значительная доля темного вещества, отношение гелия к водороду было бы гораздо выше. Из этого можно сделать вывод, что большая часть темного вещества, а следовательно, большинство массы во Вселенной не участвует в ядерном синтезе, а значит, не подходит под определение «обычного» вещества, которое по сути своей готово участвовать в атомных и ядерных взаимодействиях, формирующих вещество в том виде, в каком мы его знаем. Этот вывод – темное вещество и ядерный синтез никак не связаны – независимо подтверждают и тщательные наблюдения фонового микроволнового излучения.

Темное вещество – это не просто вещество, которое почему-то темное. Нет. Это что-то принципиально иное.

Таким образом, насколько мы можем судить, темное вещество – это не просто вещество, которое почему-то темное. Нет. Это что-то принципиально иное. Темное вещество создает гравитацию по тем же самым законам, что и обычное вещество, но больше никак себя не проявляет – не делает ничего такого, что мы могли бы зарегистрировать. Разумеется, эта логика ущербна, поскольку мы не знаем, что, собственно, темное вещество собой представляет. Если любая масса создает гравитацию, следует ли из этого, что за любой гравитацией стоит масса? Этого мы не знаем. Возможно, с веществом-то все нормально, просто мы не до конца понимаем, что такое гравитация.

В различных астрофизических средах различается и степень несоответствия между темным и обычным веществом, однако это несоответствие становится заметнее, когда имеешь дело с крупными объектами – галактиками и скоплениями галактик. У самых маленьких объектов – лун и планет – никакого несоответствия не наблюдается. Например, гравитация на поверхности Земли полностью объясняется обычным веществом, по которому мы ходим. Так что если у вас на Земле избыточный вес, темное вещество тут ни при чем. Оно никак не влияет ни на вращение Луны по орбите, ни на движение планет вокруг Солнца – но, как мы уже видели, его приходится учитывать при расчетах движения звезд вокруг центра Галактики.

Может быть, на галактических масштабах действуют иные законы гравитации? Едва ли. Скорее всего, темное вещество состоит из вещества, природу которого нам еще предстоит разгадать, вещества менее сконцентрированного, чем обычное. Иначе мы зарегистрировали бы гравитацию отдельных концентрированных сгустков темного вещества, испещряющих Вселенную: комет из темного вещества, планет из темного вещества, галактик из темного вещества. А насколько мы можем судить, это не так.

Зато мы знаем, что вещество, которое мы видим и любим, то самое, из которого состоят звезды, планеты и живые существа, – это лишь тоненькая глазурь на космическом торте, скромные льдинки в огромном космическом океане, состоящем из чего-то, которое выглядит как ничто.

В первые полмиллиона лет после Большого взрыва – сущий миг по сравнению с хронологией космической истории, насчитывающей 14 миллиардов лет, – вещество во Вселенной уже начало образовывать сгустки, которым предстояло превратиться в скопления и сверхскопления галактик. При этом в следующие полмиллиона лет космос увеличился вдвое и продолжал расти. Так что во Вселенной противоборствуют две силы: гравитация хочет, чтобы все слиплось, а расширение – чтобы все рассеялось. Если все сосчитать, становится понятно, что гравитация обычного вещества в одиночку не выиграла бы эту битву. Ей нужна помощь темного вещества, без которого мы жили бы – то есть не жили бы – во Вселенной, где не было бы никаких структур: ни скоплений, ни галактик, ни звезд, ни планет, ни людей.

Сколько же нужно было гравитации темного вещества? В шесть раз больше, чем дает обычное вещество само по себе. То есть именно столько, сколько мы обнаруживаем во Вселенной. Эта оценка не говорит нам, что такое темное вещество, а лишь подтверждает, что оно и в самом деле играет роль, которую не может сыграть одно лишь обычное вещество, как ни старайся.

Так что темное вещество – наш закадычный враг и лютый друг. Мы понятия не имеем, что это такое. Это несколько раздражает. Но без него наши расчеты не дают точной картины мироздания.

В общем и целом ученых смущает, что приходится опираться в расчетах на концепты, которых мы не понимаем, но надо – значит надо. Причем темное вещество – не первое препятствие такого рода на пути научного прогресса. Например, в XIX веке ученые измерили энергию солнечного света и показали, как именно она влияет на наш климат и смену времен года, не подозревая, что за выработку этой энергии отвечает термоядерный синтез. В то время в перечень самых лучших гипотез входила, например, смешная с нашей точки зрения идея, что Солнце – это горящая глыба угля. В том же XIX веке мы наблюдали звезды, измеряли их спектры и классифицировали их задолго до того, как появилась квантовая физика (это произошло уже в ХХ веке), которая позволила нам разобраться, почему эти спектры выглядят так, а не иначе.

Закоренелые скептики зачастую сравнивают сегодняшнее темное вещество с гипотетическим эфиром: в XIX веке считали, будто космический вакуум пронизан невесомой прозрачной субстанцией, проводящей свет, однако в наши дни эта теория списана со счетов. До 1887 года, когда Альберт Майкельсон и Эдвард Морли в Университете Кейс-Вестерн-Резерв в Кливленде провели свой знаменитый эксперимент, показавший, что никакого эфира нет, ученые были убеждены, что он существует, хотя не было ни единого доказательства этой гипотезы. Считалось, что поскольку свет – это волна, ему нужна среда, чтобы распространять свою энергию, примерно как звуку необходим воздух или какое-то другое вещество, в котором распространяются его волны. Однако, как выяснилось, свет прекрасно распространяется в вакууме космического пространства, где нет никакой среды-переносчика. В отличие от звуковых волн, представляющих собой колебания воздуха, световые волны, как выяснилось, представляют собой сгустки электромагнитной энергии, распространяющиеся сами собой, без посторонней помощи.

Однако незнание бывает разным, и наше незнание природы темного вещества – совсем не то, что незнание природы эфира. Эфир был своего рода заплаткой на том месте, где мы не знали ровным счетом ничего, а существование темного вещества – не просто предположение: мы наблюдаем, как оно воздействует на видимое вещество. Мы не выдумали темное вещество на пустом месте, а сделали вывод о его существовании на основании данных наблюдений. Темное вещество так же реально, как множество экзопланет, обнаруженных на орбитах вокруг далеких звезд: мы открыли их исключительно потому, что заметили их воздействие на блеск звезд, а не потому, что наблюдали их собственный свет.

Темное вещество так же реально, как множество экзопланет, обнаруженных на орбитах вокруг далеких звезд: мы открыли их исключительно потому, что заметили их воздействие на блеск звезд, а не потому, что наблюдали их собственный свет.

Самое скверное, что может случиться, – это если окажется, что темное вещество вообще не вещество, а что-то иное. Может быть, мы наблюдаем воздействие сил из других измерений? Может быть, мы так ощущаем обычную гравитацию обычного вещества, пересекающего мембрану фантомной Вселенной, примыкающей к нашей? Если да, это может оказаться просто одна из бесконечного множества Вселенных, составляющих мультиверс – множественную Вселенную. На первый взгляд это как-то слишком диковинно и неправдоподобно. Но разве менее дико звучали первые предположения о том, что Земля вращается вокруг Солнца? Или что Солнце – всего лишь одна из ста миллиардов звезд в галактике Млечный Путь? Или что Млечный Путь – всего лишь одна из ста миллиардов галактик во Вселенной?

Но даже если одна из этих фантастических гипотез окажется верной, это никак не повлияет на тот факт, что учет гравитации темного вещества в соответствующих уравнениях позволяет нам прекрасно рассчитать ход формирования и эволюции нашей Вселенной.

Другие закоренелые скептики заявляют, что «лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать»: этот жизненный принцип прекрасно зарекомендовал себя в самых разных ситуациях, в том числе в инженерном деле, механике, рыболовстве, а также при знакомствах с представителями противоположного пола. И, разумеется, среди жителей Миссури, которые славятся своим скептицизмом. Однако в науке все иначе. Наука не сводится к тому, чтобы убедиться в чем-то своими глазами: дело науки – измерять, причем лучше всего – именно не на глаз, а при помощи каких-нибудь инструментов, поскольку глаза неразрывно связаны с мозгом и всем его багажом. И чаще всего этот багаж – склад предубеждений, предрассудков, устаревших идей и откровенной предвзятости.

Хотя темное вещество вот уже три четверти века сопротивляется любым нашим попыткам его пронаблюдать, из игры оно не выходит. Физики-ядерщики убеждены, что темное вещество состоит из еще не открытых частиц-призраков, которые взаимодействуют с веществом только гравитационно, а больше почти или совсем никак не влияют ни на вещество, ни на свет.

Если вы склонны заключать пари на физические открытия, советую ставить на этот вариант. Крупнейшие ускорители частиц на Земле пытаются выработать частицы темной материи, сталкивая обычные частицы и регистрируя, так сказать, осколки. А специальные подземные лаборатории пытаются зарегистрировать частицы темного вещества пассивно – вдруг они залетят к нам из космоса? Слой земли служит естественным щитом, не пропускающим известные космические частицы, которые могут обмануть датчики и выдать себя за темное вещество.

Конечно, может оказаться, что все это – много шума из ничего, однако у гипотезы о неуловимом темном веществе есть и хорошие прецеденты. Например, существование нейтрино сначала было предсказано теоретически и лишь затем подтвердилось экспериментально, хотя нейтрино взаимодействуют с обычным веществом очень слабо. Мощный поток нейтрино с Солнца – по два нейтрино на каждое ядро гелия, возникшее из водорода в ходе термоядерного синтеза в ядре Солнца, – истекает с нашего светила, которое никак не влияет на этот поток, пронизывает космический вакуум с околосветовой скоростью, а затем проникает сквозь Землю, как будто ее не существует. В результате через каждый квадратный дюйм вашего тела каждую секунду, днем и ночью, проходят сто миллиардов солнечных нейтрино, никак не взаимодействуя с атомами вашего организма. Казалось бы, нейтрино неуловимы, однако и их при определенных условиях удается остановить. А остановить частицу – значит так или иначе зарегистрировать ее.

Не исключено, что частицы темного вещества тоже проявляют себя в результате очень редких взаимодействий, а может быть, все еще удивительнее и они участвуют во взаимодействиях принципиально нового вида, помимо сильного, слабого и электромагнитного. Три эти взаимодействия плюс гравитационное – это великая четверка фундаментальных сил Вселенной, которая описывает все взаимодействия между всеми известными нам частицами.

Итак, выбор ясен. Либо нам еще предстоит открыть новое взаимодействие или класс взаимодействий, присущих частицам темного вещества, и изучить их, либо частицы темного вещества взаимодействуют как обычные, но невероятно слабо.

Подведем итоги. Темное вещество оказывает совершенно реальное воздействие на наш мир. Просто мы не знаем, что это такое. Похоже, темное вещество не вступает в сильное взаимодействие, поэтому не образует атомных ядер. В слабое взаимодействие оно тоже не вступает, в отличие даже от неуловимых нейтрино. И в электромагнитное тоже – то есть оно не создает молекул и не концентрируется в плотные шары. Еще оно не поглощает, не испускает, не отражает и не рассеивает свет. Как мы знали с самого начала, темное вещество создает гравитацию, которую чувствует обычное вещество. Но на этом все. Прошло столько лет, а мы так и не обнаружили, что еще оно делает – и делает ли. Пока придется довольствоваться тем, чтобы тащить за собой темное вещество – этакого странного невидимого друга, которого можно задействовать, как только этого потребует от нас Вселенная.

Темное вещество оказывает совершенно реальное воздействие на наш мир. Просто мы не знаем, что это такое.

6. Темная энергия

Вот уж не было печали: в последние десятилетия мы обнаружили во Вселенной какое-то загадочное давление вакуума, противоположное космической гравитации. Более того, в конце концов эта «отрицательная гравитация» победит в перетягивании каната, поскольку она заставляет Вселенную экспоненциально расширяться.

За самые головоломные идеи физики XX века скажите спасибо Эйнштейну – он во всем виноват.

За самые головоломные идеи физики XX века скажите спасибо Эйнштейну – это он во всем виноват. Альберт Эйнштейн в лабораториях не бывал, не ставил опытов, чтобы изучать какие-то явления, не использовал сложное оборудование. Он был чистым теоретиком и предпочитал «мысленные эксперименты», когда изучаешь природу в воображении – придумываешь ситуацию или модель, а потом выясняешь следствия какого-нибудь физического принципа. В предвоенной Германии экспериментальная физика ценилась в глазах ученых-арийцев куда выше теоретической. А физиков-евреев по большей части считали учеными второго сорта, однако до поры до времени давали им возможность «копаться в своей песочнице». И что это стала за песочница!

Если физик – например, Эйнштейн, – строит модель, которая должна представлять Вселенную в целом, то манипулировать с этой моделью – это, в сущности, все равно что манипулировать самой Вселенной. А потом наблюдатели и экспериментаторы идут и смотрят, происходят ли явления, предсказанные этой моделью. Если модель неверна или теоретики ошиблись в вычислениях, экспериментаторы найдут несоответствие между предсказаниями модели и тем, что происходит в реальной Вселенной. Для теоретика это будет причиной снова сесть за стол и либо исправить ошибки в старой модели, либо разработать новую.

Одна из самых мощных и масштабных теоретических моделей в истории науки уже упоминалась на этих страницах: это общая теория относительности Эйнштейна, для друзей просто ОТО. ОТО была выдвинута в 1916 году и математически описывает, как все во Вселенной движется под воздействием гравитации. Каждые несколько лет ученые-экспериментаторы изобретают новый, еще более тонкий способ проверить ОТО и лишний раз убеждаются, насколько она точна. Совсем недавно, в 2016 году, мы снова убедились, как прекрасно описывают природу законы, которые подарил нам Эйнштейн: в специально созданной для этого обсерватории открыли гравитационные волны (речь идет о Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, расположенной в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана). Существование этих волн предсказал Эйнштейн, и это рябь, со скоростью света пробегающая по ткани пространства-времени и возникающая в результате сильных гравитационных возмущений, например, столкновения двух черных дыр.

Именно это ученые и наблюдали. Первыми удалось зарегистрировать гравитационные волны от столкновения черных дыр в галактике, находящейся от нас в 1300 миллионов световых лет, которое произошло тогда, когда Земля была заселена исключительно сонмом одноклеточных организмов. Пока эта рябь расходилась во все стороны, за следующие 800 миллионов лет на Земле развилась сложная жизнь – цветы, динозавры, летающие существа, а также класс позвоночных под названием млекопитающие. У одного подкласса млекопитающих развились лобные доли, а в нагрузку к ним – способность к сложным размышлениям. Мы называем этих существ приматами. Отдельная ветвь этих приматов в результате генетической мутации научилась говорить, и эта ветвь – homo sapiens – изобрела сельское хозяйство, цивилизацию, философию, искусство и науку.

И все это за последние десять тысяч лет.

И вот наконец один ученый, живший в ХХ веке, выдумал из головы теорию относительности и предсказал существование гравитационных волн. Прошло еще сто лет – и появились технические методы, позволяющие проверить это предсказание, и произошло это за считанные дни до того, как гравитационная волна, мчавшаяся сквозь пространство 1300 миллионов лет, накатила на Землю – и ее удалось зарегистрировать.

Зараза он был, этот Эйнштейн.

Большинство научных моделей поначалу формулируются вчерне – в них оставлен простор для подгонки параметров, которая позволит лучше соответствовать известной Вселенной. В гелиоцентрической Вселенной, которую описал математик Николай Коперник, живший в XVI веке, планеты вращались вокруг Солнца по идеальным окружностям. То, что планеты вращаются вокруг Солнца, соответствует реальности, более того, это огромный шаг вперед по сравнению с «геоцентрической» моделью, где все вращалось вокруг Земли, а вот с окружностями Коперник промахнулся – все планеты вращаются вокруг Солнца по вытянутым, эллиптическим орбитам, но и это лишь приближение, на самом деле форма орбит сложнее. В целом Коперник выдвинул верную гипотезу, и это главное. Просто потребовалось несколько доработать ее, чтобы она точнее описывала действительность.

Однако в случае теории относительности, основные принципы этой теории требуют, чтобы все происходило точь-в-точь как предсказано. В сущности, может показаться, будто Эйнштейн выстроил карточный домик: два-три простых постулата держат на себе всю структуру. Более того, когда Эйнштейн в 1931 году узнал о существовании книги «Сто авторов против Эйнштейна» (R. Israel, E. Ruckhaber, R. Weinmann, et al. «Hundert Autoren Gegen Einstein», Leipzig: R. Voigtlanders Verlag, 1931), он заметил: «Если бы я ошибся, хватило бы и одного».

Так были посеяны семена одного из самых удивительных ляпсусов в истории науки. В новые формулы гравитации, выведенные Эйнштейном, входила так называемая «космологическая постоянная», которую он обозначил заглавной греческой буквой «лямбда» – λ. Наличие этого члена уравнения с математической точки зрения было не обязательно, но допустимо, и добавленная в уравнения Эйнштейна космологическая постоянная позволяла получить в качестве решения статическую Вселенную.

В те времена никто и представить себе не мог, что Вселенная не просто существует, а еще и что-то делает. Поэтому единственная роль λ сводилась к противодействию гравитации в рамках модели Эйнштейна: космологическая постоянная удерживала Вселенную в равновесии и сопротивлялась естественному стремлению гравитации слепить все в один массивный ком. В этом смысле Эйнштейн изобрел Вселенную, которая не сжимается и не расширяется, что соответствовало преобладавшим в его время представлениям.

Подобно мячику на вершине холма, которому достаточно легчайшего толчка, чтобы скатиться в ту или другую сторону, или карандашу, стоящему на острие, Вселенная Эйнштейна пребывала в шатком равновесии между расширением и полным коллапсом.

В дальнейшем русский физик Александр Фридман математически доказал, что Вселенная Эйнштейна хоть и сбалансирована, однако не стабильна. Подобно мячику на вершине холма, которому достаточно легчайшего толчка, чтобы скатиться в ту или другую сторону, или карандашу, стоящему на острие, Вселенная Эйнштейна пребывала в шатком равновесии между расширением и полным коллапсом. Более того, теория Эйнштейна была новой, а если даешь чему-то название, это не обязательно существует на самом деле, так что Эйнштейн и сам понимал, что его «лямбда» как сила отрицательного тяготения не имела соответствия в физической Вселенной.

Общая теория относительности Эйнштейна радикально отличалась от всех предыдущих представлений о гравитационном притяжении. Эйнштейна не удовлетворяла мысль Исаака Ньютона, что гравитация непостижимым образом действует на расстоянии (она и самому Ньютону не нравилась). Поэтому в ОТО гравитация считается реакцией массы на местное искривление пространства и времени, вызванное какой-то другой массой или энергетическим полем. Иначе говоря, концентрация массы вызывает искажения (вроде ямок) на ткани пространства-времени. Эти искажения ведут движущиеся массы по так называемым геодезическим кривым, которые в наших глазах выглядят как искривленные траектории, которые мы называем орбитами. Мудреным словом «геодезическая» математики обозначают кратчайшее расстояние между двумя точками на кривой поверхности, то есть в нашем случае это кратчайшее расстояние между двумя точками искривленной четырехмерной ткани пространства-времени. Пожалуй, изящнее всех сформулировал основную мысль Эйнштейна американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уилер: «Вещество диктует пространству, как искривляться, пространство диктует веществу, как двигаться». Кстати, на старших курсах я ходил на спецкурс Джона Уилера по общей теории относительности (и познакомился там со своей будущей женой), где он частенько это повторял.

В целом общая теория относительности описывает две разновидности гравитации. Одна прекрасно нам знакома – это сила тяготения между подброшенным мячиком и Землей или между Солнцем и планетами. А еще ОТО предсказала другую разновидность – загадочное антигравитационное давление, связанное с вакуумом самого пространства-времени. Лямбда оберегала истинность представлений самого Эйнштейна и всех до единого физиков его времени: статус-кво статической Вселенной – нестабильную статическую Вселенную. А считать нестабильность естественным состоянием физической системы – это нарушение научного кредо. Нельзя утверждать, что целая Вселенная – это какой-то частный случай, почему-то уравновесившийся на веки вечные. В истории науки еще не бывало ничего, что вело бы себя подобным образом, такого не дают ни наблюдения, ни вычисления, ни воображение. Так что статическая Вселенная не имела надежного прецедента.

Прошло 13 лет, и в 1929 году американский астрофизик Эдвин Хаббл открыл, что Вселенная нестационарна. Он обнаружил – и подтвердил убедительными данными – что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется от Млечного Пути. То есть Вселенная расширяется. Тогда Эйнштейн, которого с самого начала смущала космологическая постоянная, не имевшая соответствий среди сил природы, и который огорчился, что сам упустил возможность предсказать расширение Вселенной, отмёл идею лямбды, назвав ее «величайшей ошибкой» в своей жизни.

Удалив лямбду из своей формулы, он приписал ей значение ноль: ведь если, предположим, A = B + C, а потом узнаешь, что A = 10 и B = 10, получается, что A по-прежнему равно B плюс C, только C равно 0 и поэтому не нужно в этом уравнении.

Источник