Текст книги "100 великих тайн Вселенной"

100 великих тайн Вселенной
Автор-составитель Анатолий Бернацкий

Глава 1. Удивительная Вселенная

Загадка Большого взрыва

Веками и тысячелетиями ученых и богословов волновал вопрос: как появился наш мир? И те и другие хоть и отвечали на этот вопрос по-разному, но тем не менее одновременно придерживались той точки зрения, что Вселенная статична и неизменна. И этот взгляд на мир вполне устраивал и тех и других.

Но все кардинально изменилось в первой трети XX века, когда в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется. Причем скорость удаления галактик друг от друга была тем большей, чем большим было расстояние между ними. Опираясь на скорости разбегания галактик, Хаббл установил, что процесс расширения начался приблизительно 20 миллиардов лет назад. Правда, сегодня считается, что это случилось 13,7 миллиарда лет назад, и именно тогда образовалась Вселенная.

Но из того факта, что Вселенная расширяется, то есть находится в динамике, следовал логический вывод, что она в силу каких-то причин должна была возникнуть. Естественно, вскоре появились и гипотезы, которые попытались объяснить ее появление.

В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется

Можно сказать, что первую из них выдвинул в 1930 году сам Хаббл. Он предположил, что Вселенная возникла в результате взрыва из сингулярности. В результате расширения и остывания первичного горячего газа появились звезды и галактики. Впоследствии эта гипотеза получила статус теории Большого взрыва.

А вскоре эта теория обрела немало сторонников. И этого следовало ожидать, поскольку она достаточно точно объясняла многие астрономические явления и процессы.

Во-первых, галактики разбегались в соответствии с теорией Большого взрыва. Во-вторых, в 1964 году было обнаружено присутствие во всей Вселенной реликтового излучения – электромагнитного излучения, заполняющего наблюдаемую часть Вселенной, которое, как считается, осталось после охлаждения первичного газа. И, в-третьих, в ходе Большого взрыва должно было появиться огромное количество водорода, дейтерия, гелия и лития, и этот факт сегодня подтвержден многочисленными исследованиями.

И тем не менее даже эта классическая теория не могла объяснить ряд очень важных моментов в эволюции Вселенной. Вот только некоторые из них: например, где находится та точка, из которой возникла Вселенная? Как именно из сингулярности появилось такое огромное количество материи и энергии?

Не могла теория Большого взрыва ответить и еще на ряд вопросов. Так, если после взрыва газ, из которого и сформировались звезды и галактики, просто расширялся и остывал, то Вселенная должна была бы быть однородной. Однако в действительности галактики формируют скопления – галактические кластеры, из которых образуются еще более глобальные структуры. Более того, анализ реликтового излучения показал, что уже в то время, когда во Вселенной отсутствовали звезды и галактики, неоднородности первичного газа тоже существовали.

И, возможно, самая главная проблема теории Большого взрыва: те законы физики, с помощью которых ученые описывают окружающий мир, перестают работать при попытке воспользоваться ими для объяснения поведения материи и энергии в первичной сингулярности. То есть сам Большой взрыв или то, что было до него, существующие законы описать не в состоянии.

Но и просто отмахнуться от этих проблем современные ученые тоже уже не могут. Не скажут же они, что говорить о периоде «до» Большого взрыва бессмысленно, потому что «до» просто ничего не было, поскольку вызвать сам Большой взрыв все же должно было некое «нечто». Именно в поисках этого «нечто» и появилось несколько гипотез, на которых мы вкратце и остановимся.

Что было до взрыва?

В 1960 году любопытную гипотезу выдвинул американский физик-теоретик Джон Уилер. Согласно его предположению, когда-нибудь нынешнее расширение Вселенной сменится сжатием в сингулярность. После этого произойдет взрыв, и Вселенная вновь станет расширяться… И такие процессы будут продолжаться до бесконечности. Такой взгляд на эволюцию мироздания получил название теории «пульсирующей Вселенной».

Другая гипотеза предполагает существование так называемой протовселенной. То есть в соответствии с ней еще до Большого взрыва из ничего должна была появиться материя. В основе этой точки зрения лежат белые дыры – теоретические антиподы черных дыр. Именно из белых дыр в противоположность черным, материя должна истекать в неограниченном количестве со скоростью света. То есть иначе говоря, она должна появляться из ниоткуда. И хотя эта теория объясняет некоторые загадки Вселенной, в частности ее неоднородность, она пока не может быть принята на том основании, что до сих пор не обнаружено ни одной белой дыры.

Физик Нейл Турок – один из создателей модели открытой инфляционной Вселенной

В 1981 году американским астрофизиком Аланом Гусом была предложена еще одна гипотеза – инфляционная, тоже пытающаяся ответить на вопрос: что было до Большого взрыва?

Суть ее в том, что внутри быстро расширяющейся и значительно перегретой Вселенной какой-то небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться быстрее остальных. Этот процесс можно в некотором приближении сравнить с тем, как переохлажденная вода стремительно замерзает, при этом расширяясь.

То есть в первые доли секунды после Большого взрыва расширение происходит в форме не арифметической, а геометрической прогрессии, то есть степенной закон расширения меняется на экспоненциальный. При этом расширение происходит с огромной скоростью: за малую долю секунды крошечная область поперечником меньше атома раздувается до размеров, превышающих наблюдаемую сегодня часть Вселенной.

Однако в статье, появившейся в журнале «Сайентифик Америкэн» в 1984 году, Гус и Штайнгарт в отношении своей гипотезы сделали следующее замечание: «Инфляционная модель Вселенной дает нам представление о возможном механизме, при помощи которого наблюдаемая Вселенная могла появиться из бесконечно малого участка пространства. Зная это, трудно удержаться от соблазна сделать еще один шаг и прийти к выводу, что Вселенная возникла буквально из ничего». Это значит, что и инфляционная гипотеза имеет ряд недостатков. Например, в ней ничего не говорится о происхождении перегретой и расширяющейся материи.

В 1995 году физик Нейл Турок в сотрудничестве с Мартином Бучером и Альфредом Голдхабером создал модель открытой инфляционной Вселенной. Турок так объясняет свою теорию: «Процесс формирования Вселенной напоминает образование пузырька в кипящей воде. Внутренняя часть этого пузырька представляет собой бесконечную открытую Вселенную. Представьте себе, что этот пузырек расширяется со скоростью света, увеличиваясь за очень короткий промежуток времени до огромных размеров. А теперь заглянем внутрь него. Особенностью пузырька является то, что в нем пространство и время «спутаны». В некотором смысле он в каждый момент времени содержит не только настоящее Вселенной, но и ее будущее. И поскольку в бесконечно далеком будущем сам пузырек, а значит, и Вселенная будут бесконечно большими, то и сегодняшняя Вселенная представляется безграничной. Таким образом, бесконечная Вселенная умещается в крошечном объеме».

Можно было бы привести немало и других гипотез, выдвинутых в последнее время. Но большого смысла в этом нет, поскольку ни одна из них не дает окончательного ответа на вопрос: что было до Большого взрыва?

Вселенная как гигантская голограмма

Когда-то великий Лейбниц убежденно заявлял, что Вселенная состоит из элементарных структур – монад, каждая из которых содержит информацию обо всей Вселенной. В своей «Монадологии» Лейбниц пишет:

«Каждую частицу материального мира можно представить как сад, полный растений, как водоем, полный рыб. При этом каждая веточка растения, каждая рыбка, каждая капля росы является таким же садом или таким же водоемом».

По прошествии двух столетий, в 1947 году, идеи Лейбница позволили венгерскому физику, лауреату Нобелевской премии Денешу Габору изобрести голограмму.

Что такое голограмма? Главная ее особенность состоит в том, что каждая из ее частей в некотором смысле содержит целое. То есть если голограмму с изображением, например, растения или автомобиля разрезать пополам и осветить лазером, каждая половина будет содержать целое изображение тех же самых растения и автомобиля, причем точно тех же размеров. Если же продолжать разрезать голограмму на более мелкие кусочки, на каждом из них мы вновь обнаружим изображение всего объекта в целом. Правда, качество изображения будет ухудшаться. И если на любую часть голограммы направить луч лазера, то будет восстановлено полное изображение объекта.

Так вот, еще в прошлом столетии соратник Альберта Эйнштейна английский физик Дэвид Бом предположил, что весь мир по своему устройству аналогичен голограмме. Это значит, что, подобно голограмме, где любой ничтожно малый объем содержит в себе все изображение трехмерного тела, каждый существующий объект тоже «вкладывается» в любую из своих составных частей.

Английский физик Дэвид Бом предположил, что весь мир по своему устройству аналогичен голограмме

«Из этого следует, что объективной реальности не существует, – сделал тогда ошеломляющее заключение профессор Бом. – Даже несмотря на ее очевидную плотность, Вселенная в своей основе – гигантская, роскошно детализированная голограмма».

Невероятная гипотеза Бома нашла определенную поддержку также и в нашумевших экспериментах с элементарными частицами, которые в 80-х годах прошлого века проводил французский физик Алан Аспект. Этот ученый в 1982 году обнаружил, что в определенных условиях электроны могут мгновенно сообщаться друг с другом, причем независимо от расстояния между ними. При этом вне зависимости, десять миллиметров между ними или десять миллиардов километров, наблюдаемый эффект один и тот же.

Но эти исследования не вписывались в один из принципов теории относительности Эйнштейна, согласно которому предельная скорость распространения взаимодействия не может быть больше скорости света. А так как в экспериментах Аспекта этот постулат нарушался, соответственно и его исследования вызвали немалые сомнения у физиков.

Но Бом, защищая свою гипотезу, объяснял, что элементарные частицы взаимодействуют на любом расстоянии не потому, что между ними происходит взаимодействие и обмен некими таинственными сигналами, а в связи с тем, что их разделенность кажущаяся.

«Свою замысловатую теорию профессор для лучшего уяснения иллюстрировал следующим примером, – писал автор книги “Голографическая Вселенная” Майкл Талбот. – Представьте себе аквариум с рыбой. Вообразите также, что вы не можете видеть аквариум непосредственно, а можете наблюдать только два телеэкрана, которые передают изображения от камер, расположенных одна спереди, другая сбоку аквариума. Глядя на экраны, вы можете заключить, что рыбы на каждом из экранов – отдельные объекты. Поскольку камеры передают изображения под разными углами, рыбы выглядят по-разному. Hо, продолжая наблюдение, через некоторое время вы обнаружите, что между двумя рыбами на разных экранах существует взаимосвязь. Когда одна рыба поворачивается, другая также меняет направление движения, немного по-другому, но всегда соответственно первой. Когда одну рыбу вы видите в анфас, другую – непременно в профиль. Если вы не владеете полной картиной ситуации, вы скорее заключите, что рыбы должны как-то моментально общаться друг с другом, что это не факт случайного совпадения».

«Явное сверхсветовое взаимодействие между частицами говорит нам о том, что существует более глубокий уровень реальности, скрытый от нас, более высокой размерности, чем наша, как в аналогии с аквариумом, – объяснял Бом феномен опытов Аспекта. – Раздельными мы видим эти частицы только потому, что мы видим лишь часть действительности. А частицы – не отдельные “части”, но грани более глубокого единства. И поскольку все в физической реальности состоит из этих «фантомов», наблюдаемая нами Вселенная сама по себе есть проекция, голограмма».

Какую еще информацию может нести в себе голограмма, пока неизвестно. В то же время Бом говорил, что у нас нет оснований утверждать, что в голограмме больше ничего нет. Кто знает, возможно, голографический уровень мира – одна из ступеней бесконечного мироздания.

Глава 2. Таинственное вещество Вселенной

Загадочное нейтрино

Открытие нейтрино – частицы с удивительными свойствами – является очень важным и вместе с тем довольно трудным этапом в освоении учеными мира элементарных частиц, а значит, и Вселенной.

А происходило все следующим образом. В самом начале XX века, исследуя бета-распад нейтрона, физики пытались свести баланс энергии в этих процессах. Однако их попытки постоянно завершались неудачей: какая-то часть энергии неизвестно куда пропадала. Возможно, в другой ситуации этот факт не очень смутил бы ученых, но в данном случае дамоклов меч завис над фундаментальным законом физики – законом сохранения энергии.

Выход из возникшего тупика нашел швейцарский физик Вольфганг Паули, который в 1930 году выдвинул гипотезу, что при бета-распаде кроме электрона появляется еще какая-то трудноуловимая частица, которая «крадет» и уносит с собой недостающую часть энергии. А «незримой» она остается по той причине, что у нее нет электрического заряда и она не в состоянии отрывать электроны от атома или расщеплять ядра. То есть, иначе говоря, не может заявить о своем существовании теми особенностями, которые позволяют фиксировать появление частицы.

Энрико Ферми в 1932 году дал официальное название новой частице – нейтрино («нейтрончик»)

Кроме того, не имея заряда, эта частица очень слабо взаимодействует с веществом, а потому может пройти через большую его толщу, не оставляя следов своего присутствия.

В 1932 году частица получила свое официальное название – нейтрино, что буквально означает «нейтрончик». А «окрестил» ее Энрико Ферми, после того как была открыта тяжелая нейтральная частица – нейтрон.

Как выяснилось позднее, гипотеза о существовании нейтрино «спасла» не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента количества движения, а также основные принципы статистики частиц в квантовой механике. А сама гипотеза Паули естественным образом вошла в теорию бета-распада, созданную Ферми в 1934 году.

Однако прошло немало времени, прежде чем нейтрино из гипотетической элементарной частицы перешло в разряд реально существующей. И хотя без этой частицы нельзя было объяснить многие превращения в физике элементарных частиц, тем не менее саму ее в течение 20 лет зафиксировать не удавалось. И только тогда, когда были построены ядерные реакторы, появилась возможность наблюдать реакции, в которых участвует нейтрино.

Правда, сначала было обнаружено не само нейтрино, а его античастица – антинейтрино. Именно антинейтрино в огромном количестве испускаются при бета-распаде осколков делящегося урана во время работы реактора. Установили этот факт в 1953 году американские физики Фредерик Рейнес и Клайд Коуэн.

А вообще к 2000 году было теоретически рассчитано и экспериментально доказано существование трех типов нейтрино: электронного, мюонного и тау-нейтрино. Но, конечно же, на этом исследования частиц-невидимок не прекратились. В настоящее время ученые пытаются выяснить, обладают ли они массой.

И это важно знать не только физикам-ядерщикам, но и астрофизикам, поскольку ответ на этот вопрос помог бы разобраться с парадоксом «скрытой массы» и разрешить ряд проблем, связанных с судьбой Вселенной, а также ответить на некоторые другие вопросы астрономии.

Дело в том, что нейтрино появляется из трех различных источников. Первым из них был так называемый Большой взрыв. Он оставил после себя реликтовое нейтрино. И хотя ученым известно, что в одном кубическом сантиметре пространства присутствует около 400 этих частиц, практических способов их регистрации пока не разработано.

Еще одним «поставщиком» нейтрино являются ядерные реакции внутри звезд. Например, Солнце ежесекундно производит количество нейтрино, которое равно 1 с 38 нулями. А сверхновые звезды каждую секунду «выбрасывают» во Вселенную в тысячу раз больше частиц-невидимок, чем наше Солнце производит их за 10 миллиардов лет.

Третьим «творцом» частиц-невидимок являются космические лучи, которые со всех сторон пронизывают Землю.

Как известно, большая часть современных знаний о Вселенной была получена в основном благодаря наблюдениям за фотонами. И связано это прежде всего с тем, что фотоны в огромном количестве вырабатываются различными космическими объектами, они стабильны и электрически нейтральны. Кроме того, спектры фотонов могут дать весьма значительную и точную информацию о химическом составе и физических свойствах их источников. Но беда в том, что плотные области внутри звезд, ядра активных галактик, а также многие другие объекты для фотонов непрозрачны, а значит, никакой информации об этих космических телах они дать не могут. Справиться же с этими задачами могли бы помочь нейтрино. Поэтому физики и астрономы и пытаются «поймать» нейтрино внеземного происхождения.

Темные пятна в темной материи

На исходе минувшего столетия астрофизики пришли к удивительному выводу: оказывается, видимая материя, то есть та, которую можно потрогать, увидеть или услышать, представлена во Вселенной лишь в небольшом количестве. Остальная же часть космического пространства занята так называемыми темными материей и энергией, и обнаружить их современными методами довольно сложно.

Для исследователей Вселенной такой вывод стал полной неожиданностью. И первое время они даже не представляли себе, как подступиться к этой проблеме. Но вскоре все-таки появились некоторые надежды на то, что и к загадочным темным «силам» удастся подобрать ключик.

Теперь уже известно, что в мировом пространстве той материи, из которой сформированы звезды и межзвездный газ, всего лишь порядка 4 %. Остальную же часть Вселенной занимает скрытая масса и темная энергия, причем на скрытую массу приходится 25 %, а на темную энергию – 71 %.

Таинственная скрытая масса волнует ученых с 1931 года. Именно тогда швейцарский астрофизик Фриц Цвикки определил полную массу группы галактик. А сделал он это довольно простым способом: подсчитал количество звезд в галактике, а затем полученное число умножил на среднюю массу звезды. Казалось бы, все достаточно надежно.

После этого по красному смещению спектральных линий ученый определил вариацию скоростей галактик. И к своему немалому удивлению, установил, что скорости очень велики и рассчитанного по светимости количества материи явно не хватает, чтобы порожденным ею гравитационным полем удержать галактики в скоплении. То есть выходило, что они должны разлететься, но они, тем не менее оставались на месте. Почему?

Американская исследовательница Вселенной Вера Рубин больше всего сделала для исследования темной материи

И тогда Цвикки предположил, что в скоплениях звезд находится скрытая масса, которая и удерживает галактики.

Но большинство ученых к гипотезе швейцарца отнеслись скептически.

Не поверил ученый мир и датчанину Яну Оорту, который на основании расчетов пришел к выводу, что масса видимой материи составляет всего 30—50 % от той, которая необходима для удержания звезд в скоплении.

Но все резко изменилось в последней четверти минувшего столетия. Именно в это время у специалистов появилась возможность измерять скорости вращения звезд вокруг центра галактики. Кроме того, в эти же годы астрономы научились определять скорость вращения вещества в галактике в зависимости от расстояния до ее центра.

Больше же всего для представлений о темной материи сделала американская исследовательница Вселенной Вера Рубин. Просканировав с помощью спектрометра галактические диски от центра к краю, она построила кривые вращения, из которых следовало, что скорости заметно возрастают.

Это в свою очередь означало, что каждая галактика окружена оболочкой из несветящейся материи. Невидимое вещество этой оболочки силой притяжения не позволяет звездам вырваться за пределы галактики и тем самым спасает ее от распада.

Сегодня кривые вращения – наиболее веский аргумент в пользу существования темной материи.

В 1998 году астрофизики сделали еще одно удивительное открытие: они установили наличие во Вселенной «темной энергии». А обнаружена она была следующим образом. Дело в том, что именно в 1998 году астрономы получили кривую блеска для сверхновой звезды, которая взорвалась в галактике, находящейся на очень далеком расстоянии от Земли.

Когда ученые определили расстояние до этой галактики, то оно оказалось намного больше того, которое ожидалось в расчетах. Кроме того, звезда во время максимальной светимости выглядела более тусклой, чем предполагалось. Из этого следовал вывод, что Вселенная расширяется с ускорением. Но любое ускоренное движение возможно лишь под действием некоторой силы. В таком случае какая же сила вызывает расширение Вселенной? Именно эту силу астрономы и стали именовать «темной энергией». Но вот что она представляет, никто пока сказать не может.

Сегодня известно лишь то, что «темная энергия» распределена в космическом пространстве равномерно: ее плотность как в скоплениях, так и за их пределами одинаковая. А из этого следует, что «темная энергия» не связана ни с обычным веществом, ни с темной материей…

Но к чему же все-таки привязана «скрытая масса», что является ее носителем? Оказывается, таких структур не одна, а несколько. Всех их ученые разделяют на две группы: массивные астрономические объекты (MACHOs) и элементарные массивные частицы (WIMPs).

Расчеты, а также практика показывают, что массивные объекты практически не светятся, в противном случае их бы давно зафиксировали. Кандидатами на роль MACHOs принято считать черные дыры, нейтронные звезды, а также коричневые и, вероятно, белые карлики.

Но если массивные объекты не излучают световой энергии, то как же их обнаружить вообще? Оказывается, с помощью современных технических средств сделать это хоть и трудно, но можно.

Так, например, когда был выведен на орбиту телескоп «Хаббл», который фиксирует не только видимые, но и инфракрасные лучи, астрономы смогли выявить много коричневых карликов, причем не только в нашей, но и в соседних галактиках. Правда, они составляли всего 6 % от общей массы галактической короны!

Ученые также считают, что искажения картины звездного неба тоже являются следствием присутствия скрытой массы. Это доказали американские исследователи, которые проанализировали изображения 145 000 очень далеких галактик. Итогом этой колоссальной работы стало доказательство существования скрытой массы на огромных межгалактических просторах.

В арсенале астрономов есть еще один способ, с помощью которого можно определить наличие MACHOs. И основан он на гравитационном поле этих объектов.

Так, если исследователь установит, что какая-то из звезд вращается вокруг какого-то невидимого центра, то он делает вывод, что обнаружен новый массивный астрономический объект. Поскольку именно он создает гравитационное поле, в котором перемещается обнаруженная звезда. А если же рассчитать радиус орбиты и скорость вращения данного объекта, то нетрудно найти и его массу.

А вот физики появление темной материи объясняют тем, что пространство внутри галактик заполнено особого рода частицами (WIMPs), которые в сумме и образуют недостающую, или скрытую, массу.

Появились они, как считают ученые, еще в самом начале развития Вселенной, то есть в то время, когда она была молодой и очень горячей. Почему же тогда мы не можем их увидеть? И почему они не образуют скоплений типа белых карликов? Скорее всего это связано с тем, что они не взаимодействуют друг с другом и с обычными частицами, а также не излучают фотонов. И лишь наличие гравитации говорит об их существовании. По этим причинам и доказать существование этих частиц довольно сложно.