Александр Волков - Тайны открытий XX века
Окружающий мир долго казался нам удивительно знакомым. Его слагали камень и металл, воздух и вода. Там, за горизонтом, материальный мир продолжался… Внезапно мир распался. Теперь его составляли отдельные «чистые сущности» — стихии, не соединяемые друг с другом.
Очевидно, темная материя играла особую роль на ранней стадии существования Вселенной, когда она образовывала первые сгустки, вокруг которых скапливалась обычная, видимая нами материя. Со временем эти сгустки превратились в галактики и галактические скопления.
Их расположение очень причудливо. Галактики напоминают бусины, нанизанные на нитки. Между ними зияют огромные пустоты. Мироздание, как кто-то остроумно заметил, похоже на мириаду мыльных пузырей, улетающих вдаль.
Существование темной материи подтверждают не только выкладки теоретиков, но и результаты астрономических наблюдений. В последние десять лет с помощью Космического телескопа имени Хаббла не раз удавалось наблюдать близ галактических скоплений огромные светящиеся дуги, арки или круги. Ведь масса этих скоплений так велика, что отклоняет свет, излучаемый лежащими за ними звездными системами. Астрономы говорят о так называемых «гравитационных линзах». Как показали вычисления, масса этих «линз» должна быть раз в 60 больше суммарной массы звезд, образующих подобные скопления. Таким образом, эти «линзы», предположительно, состоят в основном из темной материи.
Открытие темной энергии
Еще в 1917 году, описывая Вселенную, Альберт Эйнштейн ввел в формулу «космологическую константу» — энергию, свойственную пространству как таковому. В то время ученые были убеждены в статичности Вселенной. Без этой же константы Вселенная неминуемо расширялась или сжималась. Константа уравновешивала действие гравитационных сил, но ее существование удалось доказать лишь в 1998 году.
В конце XX века ученым пришлось вспомнить о самоуправстве Эйнштейна, в котором сам ученый впоследствии раскаивался, называя изобретенную им константу «величайшей глупостью». Теперь в научных кругах утвердилась уверенность в том, что существует некая «энергия», определяющая судьбу Вселенной, ее ускоренное расширение. Неизвестный вид энергии заполняет все пространство — «словно легкий туман», говорят физики, -~ и вызывает взаимное отталкивание материи. Эта энергия, своего рода «антигравитация», соответствует «космологической константе» из уравнений Эйнштейна. Правда, величина ее все-таки не постоянна, однако это не умаляет «последнего триумфа Эйнштейна», как выразился немецкий физик Гюнтер Хазингер, лауреат премии имени Лейбница за 2005 год.
Впрочем, природа этой энергии остается во многом загадочной; она не может быть объяснена с позиций Стандартной модели физики, поэтому ее и назвали «темной энергией». Это определение дал ей в 1998 году Майкл Тернер, астрофизик из Чикагского университета.
«Обнаруженная темная энергия оказалась распределенной в пространстве на удивление однородно, — пишет на страницах журнала «Вокруг света» физик Сергей Рубин, — но если бы эта энергия была заключена в каких-то неведомых частицах, то гравитационное взаимодействие заставило бы их собраться в грандиозные конгломераты, подобные галактикам. Следовательно, энергия спрятана в пространстве-вакууме». Вселенная в основном наполнена ей. Планеты, звезды, галактики — это редкие островки, затерянные посреди моря, моря «темной энергии».
Общая масса этого вида материи должна быть невероятно велика, но, поскольку темная энергия разлита по всему мирозданию, ее плотность, как показывают расчеты, не превышает четырех электронвольт на кубический миллиметр. Для сравнения: масса покоя одного электрона равна 511 тысячам электронвольт.
Открыли эту самую великую и неприметную стихию сразу двумя способами: наблюдая за отдаленными вспышками сверхновых звезд и исследуя космическое фоновое излучение.
Светимость сверхновых звезд типа 1а (это белые карлики с массой до 1,4 массы Солнца, сжавшиеся до размеров Земли) всегда одинакова. Лишь по мере удаления от них видимая яркость их ослабевает. Однако далекие сверхновые звезды светят слабее, чем требует теория. Наблюдения за ними позволили сделать вывод, что Вселенная расширяется все быстрее, а значит, эти сверхновые звезды находятся от нас дальше, чем предсказывали теоретики.
Окончательно сомнения развеяло открытие американского астронома Адама Раиса и его коллег из Space Telescope Science Institute. Исследуя фотоснимки, сделанные Космическим телескопом имени Хаббла, Райе обнаружил самую далекую из известных нам сверхновых звезд: SN 1997ff. Расстояние до нее — 10 миллиардов световых лет. Ее светимость точь-в-точь такова, как того требует теория «расширяющейся Вселенной», но иная, нежели допускают гипотезы скептиков.
В ту отдаленную эпоху Вселенная расширялась медленнее, чем теперь. Силы гравитации сдерживали бег видимой материи. «Судя по поведению сверхновой SN 1997ff, наша Вселенная напоминает обычного автомобилиста: она то тормозит, увидев впереди красный свет, то залихватски мчится, заметив зеленый», — поясняет Райе. Роль светофора поочередно выполняли гравитация и антигравитация. Около пяти миллиардов лет назад последняя — то бишь темная энергия — победила. С тех пор Вселенная расширяется все быстрее. «Результаты астрономических наблюдений, — иронизировал на страницах журнала «Знание — сила» B.C. Барашенков, — убеждают в том, что наш мир катится в будущее с разгоном, как санки с крутой горки!»
Впрочем, это исследование не позволило точно определить содержание темной энергии во Вселенной, хотя и стало ясно, что она преобладает над остальными формами материи. Теперь судьба Вселенной всецело зависит от темной энергии.
…Параллельно этой работе шли исследования фонового космического излучения. Телескопы «Бумеранг» и «Максима», установленные на аэростатах, доказали, что Вселенная имеет плоскую форму. Телескоп DASI («Degree Angular Scale Interferometer»), размещенный в Антарктиде сотрудниками Чикагского университета и Калифорнийского технологического института, не только подтвердил плоскую форму Вселенной, но и позволил в 2001 году оценить содержание в ней темной энергии.
По результатам наблюдений, астрофизики создали новую модель Вселенной — так называемую «Concordance Model» («космическое согласие»). Согласно ей, Вселенная состоит на 70 процентов из темной энергии, на 25 процентов — из темной материи и 5 процентов — из обычной материи. Измерения микроволнового излучения, проделанные в 2001 году американским зондом MAP, подтвердили эти выводы.
Итак, две трети мироздания состоят из темной энергии. Вселенная словно охвачена незримым огнем. Он медленно разгорался, но теперь пылает вовсю. В его темном пламени крупицами пепла разлетаются звезды и галактики. Они летят все дальше, дальше, отодвигая границы космоса. Как описать этот «пожар» на языке физических формул? Ведь они придуманы давно, когда Вселенная представлялась теоретикам иной.
«Мы не понимаем сущности темной энергии, мы не знаем, о чем идет речь, — признает Гюнтер Хазингер. — Ситуация с темной энергией напоминает ту, что сложилась в физике сто лет назад, когда все искали таинственный эфир, потом появился Альберт Эйнштейн и создал совершенно новую физику».
Лишь в самом существовании темной энергии сейчас никто не сомневается. В этом убеждают самые разные феномены, наблюдаемые во Вселенной: поведение рентгеновского газа, вспышки сверхновых звезд, фоновое излучение.
Когда законы физики запрещают пользоваться компьютером
«Мы живем в странной Вселенной, — заявил Майкл Тернер. — Кто ее звал, эту темную энергию?» Она словно «кость, застрявшая в нашем горле», вторил ему нобелевский лауреат
Стивен Уайнберг. Вина этой непрошеной незнакомки в том, что она не укладывается в традиционные теории физики. Она пришла последней на пир науки. Ее здесь явно не ждали. Все эти теории созданы без нее.
Конечно, используя основные модели физики, можно найти место для темной энергии, но в одной модели она не уместится и в полцарства, в другой — ей с избытком хватит наперстка. Судите сами.
Согласно квантовой теории, вакуум никогда не бывает пустым. В нем непрестанно рождаются и исчезают частицы. По словам B.C. Барашенкова, «вполне возможно, что наш мир — что-то вроде заполняющего все пространство кипящего и застывающего в различных формах океана вакуумной пены и жидкости».
Многие ученые полагают, что энергия вакуума и есть темная энергия. «Но когда теоретики, — пишет Адам Райе, — попытались вычислить плотность энергии, связанной с квантовым вакуумом, то получили значение на 120 порядков выше необходимого (по другим подсчетам, на 55 порядков. — А.В.)».
«Пока неизвестно, чем объясняется такой чудовищный разрыв между теоретическими и опытными данными, — отмечает американский физик Лоренс Кросс. — Это самая сверхъестественная и потому самая захватывающая проблема физики». «Никогда прежде за всю историю физики выводы теории и данные наблюдений не разнились так резко», — подчеркивает Стивен Уайнберг.
