Текст книги "Неоткрытые миры"

Генриетта Ливитт (1868–1921) – американский астроном Гарвардской обсерватории. В 1908 году показала, что у цефеид, нового класса переменных звёзд, период пульсаций связан с их светимостью. Эти звёзды позволили впервые измерить расстояния до других галактик.

Эдвин Хаббл (1889–1953) – американский астроном обсерватории Маунт-Вилсон. Измерил расстояние до Туманности Андромеды с помощью цефеид и показал, что скорость роста разбегания галактик растёт с увеличением расстояния до них (закон Хаббла).

Альберт Эйнштейн (1879–1954) – физик, нашедший уравнения современной теории гравитации, описывающей динамику Вселенной. Лауреат Нобелевской премии по физике (1921).

Александр Фридман (1888–1925) – физик и астроном, нашедший решения уравнения Эйнштейна, которые описывают нестационарную, в том числе и циклическую, Вселенную.

Жорж Леметр (1894–1966) – бельгийский астроном. Нашёл нестационарные решения уравнения Эйнштейна для Вселенной и выдвинул концепцию «атомного взрыва» огромного первичного атома, который и стал началом расширения Вселенной.

Ричард Толмен (1881–1948) – американский физик, автор известной книги «Относительность, термодинамика и космология» (1934), в которой обсуждаются изменения энтропии в циклической модели Вселенной.

Георгий Гамов (1904–1968) – физик и астроном, родившийся в России. Вместе с учениками выдвинул концепцию горячей циклической Вселенной и правильно предсказал наличие и уровень реликтового излучения.

Арно Пензиас (р. 1933) – американский астроном и сотрудник компании Белл, открывший реликтовое излучение в 1965 году и получивший за это Нобелевскую премию по физике за 1978 год.

Роберт Вильсон (р. 1936) – американский астроном и сотрудник компании Белл, открывший реликтовое излучение вместе с Пензиасом и разделивший с ним Нобелевскую премию (1978).

Роберт Дикке (1916–1997) – американский астроном и разработчик астрономических приборов. Член Национальной академии США.

Стивен Вайнберг (р. 1933) – американский физик и астроном. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1979 год за работы по объединению электромагнитного и слабого взаимодействия.

Карл Поппер (1902–1994) – философ и социолог. Родился в Австрии, работал в Новой Зеландии и Англии. Один из самых влиятельных философов науки в XX веке. Рыцарь, член Лондонского королевского общества.

Сказка о тёмной материи тёмного космоса

Если человек живёт в большом городе, небосклон которого загромождён высокими зданиями, а вечера утопают в электрических огнях, то он редко видит звёзды и не интересуется ими. Поэтому так много астрономов вышло из пустынь, степей и прерий, великолепное звёздное небо которых пробирает даже самые чёрствые души. Жителям приморских городов тоже повезло: там морской горизонт ничем не загорожен и смыкается с космической бездной, от которой легко кружится юная голова.

В самом начале двадцатого века на берегу синего-синего моря, которое люди почему-то называют Чёрным, жил маленький мальчик. Он слышал вокруг болгарскую речь, потому что приморский городок был болгарским, чешскую – ведь его мать была чешкой, и немецкую – от отца, богатого швейцарского бизнесмена. Многоголосый мир, тёплое шумное море и холодные загадочные звёзды, весёлая мать и рассудительный отец, который ценил честность коммерсанта, – эмоциональное и рациональное слились в юном Фрице Цвикки в удивительный сплав, определивший его яркую жизнь и колоритный характер.

В шесть лет мальчика отправили для обучения коммерческому делу в небольшой швейцарский городок, к бабушке и дедушке. Но мальчик был уже очарован звёздами, он не уставал любоваться ими, когда они поднимались над швейцарскими заснеженными вершинами. Поэтому он решил изучать не коммерцию, а физику и математику – сначала в школе, а потом в Цюрихском политехническом институте – том самом, где учился сам Альберт Эйнштейн.

Мальчик вырос и превратился в молодого способного учёного. В 1925 году он получил стипендию и уехал в Америку, в Калифорнию, где располагался быстро растущий Калифорнийский технологический институт и обсерватории, Маунт-Вилсоновская и Паломарская. Здесь можно было увидеть звёздное небо так близко, как удавалось немногим из землян.

За следующие двенадцать лет Фриц Цвикки получил множество научных результатов, что поставило его в ряд величайших астрономов XX века. Но почти в каждом своём открытии он настолько опережал своё время, что коллеги категорически его не понимали. Поэтому Фриц Цвикки жил в состоянии острого конфликта с научным сообществом. Как вспоминал один из очевидцев, «окружающие видели в нём сумасшедшего, а он их считал глупцами». В результате у Цвикки, который нисколько не скрывал своего мнения о коллегах, возникли проблемы с публикациями трудов, с признанием его приоритета и с получением наблюдательного времени на крупнейших телескопах с диаметром в 2,5 и 5 метров.

Важнейшим открытием Фрица Цвикки является объяснение в 1934 году (вместе с Вальтером Бааде) механизма взрыва сверхновых звёзд. Цвикки и Бааде предположили, что ядро массивной звезды сжимается в плотный нейтронный шар размером в десяток километров. При этом выделяется столько энергии, что внешняя оболочка звезды разлетается в разные стороны, выпуская наружу мощное световое излучение, которое можно заметить на расстоянии даже миллиардов световых лет. Сверхновые рождают не только яркий свет, но и космические лучи, а на месте их взрыва остаётся маленькая нейтронная звезда. Спустя тридцать три года предсказание Цвикки и Бааде о существовании нейтронных звёзд смогла подтвердить Джоселин Белл, открывшая в 1967 году пульсары, которые представляют собой нейтронные звёзды с сильным магнитным полем.

Астроном Цвикки нашёл в небе 129 сверхновых звёзд, установив этим рекорд. Телескопы, снабжённые компьютерами, довели к концу двадцатого века число открытых сверхновых до многих тысяч. Четыре Нобелевские премии по физике были присуждены за работы, связанные с нейтронными звёздами и сверхновыми. Более четверти миллиона научных статей опубликовано о сверхновых, название которым придумали Цвикки и Бааде. Знаменитый физик Кип Торн назвал статью Цвикки – Бааде 1934 года о сверхновых, нейтронных звёздах и космических лучах «одним из самых пророческих документов в истории физики и астрономии».

В 1937 году Цвикки высказал идею о гравитационном линзировании на скоплениях галактик.

– Что это такое? – поинтересовалась Галатея.

– Эйнштейн предсказал, что свет звезды искривляется в гравитационном поле Солнца. Астрономы стали интересоваться: а можно ли заметить искривление звёздного света в поле другой звезды? Но расчёты показали, что это очень маловероятно из-за маленького углового размера звёзд. Цвикки, зная, что скопления галактик имеют гораздо больший размер, предположил, что свет далёких объектов может искривляться на таких скоплениях.

Увы, Цвикки умер за несколько лет до подтверждения этого эффекта в 1979 году. Сейчас гравитационное линзирование на скоплениях галактик является одним из самых мощных современных методов исследования Вселенной.

Но самым интригующим открытием Цвикки стало доказательство существования тёмной материи. В 1933 году он опубликовал исследование скоростей галактик в Скоплении Волос Вероники. Зная скорости движения отдельных галактик, он вычислил массу всего скопления.

– А как он это сделал? – спросила неугомонная Галатея.

– Каждый мальчик, бросая камень вверх, или лучше – в колодец, чтобы случайно ни в кого не попасть, может вычислить массу Земли, измерив время падения камня.

Андрей сказал:

– Я не знаю ни одного мальчишки, который бы замерял время полёта камня. Они их просто бросают – и всё.

– Да, поэтому мало кто из них становится учёным. Вычислив общую массу галактического скопления Комы, Цвикки оценил её вторым способом: подсчитав количество галактик в скоплении и умножив его на типичную массу галактики. Оказалось, что суммарная масса видимых галактик в сотни раз меньше, чем масса скопления, полученная из вычислений, основанных на скоростях движения галактик. Значит, основная масса вещества в Скоплении Волос Вероники является невидимой для наблюдателя? Но что она собой представляет?

До Цвикки такие астрономы, как Джеймс Джинс, Якобус Каптейн и Ян Оорт, изучали возможность наличия в нашей Галактике тёмной материи. Но только после убедительных работ Цвикки существование невидимой составляющей космоса можно было считать доказанным.

Фриц Цвикки опубликовал за свою жизнь десять книг, включая семитомный каталог галактик, написал триста статей и получил пятьдесят патентов на реактивные двигатели. За инженерные работы президент США вручил Цвикки медаль.

В честь Фрица Цвикки назван астероид 1803 и крупный лунный кратер. В отличие от своих соседей, кратер Цвикки оказался не круглым, а многоугольным. Да, Фриц Цвикки был воистину необычным человеком.

Подтвердить существование феномена тёмной материи и привлечь к нему всеобщее внимание смогла маленькая девочка Вера, которой в 1933 году было всего пять лет. Пятилетние дети – самые честные учёные. Их любопытство к явлениям природы не замутнено карьерными соображениями, индексами цитирования и прошениями о финансовых грантах.

Маленькая девочка Вера, с одной стороны, была необыкновенной девочкой, потому что она часто задавала очень интересные вопросы; с другой стороны – она была вполне обычной девочкой, потому что ведь никто не запрещает обычным девочкам и мальчикам задавать интересные вопросы – и тем самым стать необыкновенными. Но интересные вопросы задавать совсем не легко: для этого нужно держать глаза всё время открытыми – когда не спишь, конечно, – и удивлёнными.

Едет маленькая девочка Вера на заднем сиденье автомобиля своих родителей, смотрит в окно и задает такой вопрос:

– Почему луна летит туда же, куда мы едем? Деревья и холмы летят назад, а луна движется вместе с нами. Откуда луна знает, что мы едем из Филадельфии в наш дом?

Это был такой отличный вопрос, что девочка Вера навсегда запомнила удовольствие от него, хотя и не запомнила, что ей ответили родители. И она решила, что вопросы всегда интереснее ответов, и что ей повезло – она живёт в любопытнейшем из миров.

– Мы тоже в нём живём и тоже знаем, какой он интересный! – ревниво сказала Галатея.

– Когда повзрослевшей десятилетней Вере не спалось, она не занималась глупым счётом баранов, а следила в окошко своей крохотной спальни за движением звёзд по северному небосклону. Они двигались хороводом вокруг Полярной звезды, а та важно и неподвижно висела на небе как приклеенная, чувствуя себя центром вращения мира. Девочка лежала, смотрела на движущиеся звёзды и мечтала узнать об их тайнах побольше.

Детские мечты сбываются нечасто, но в данном случае случилось удивительное: девочка Вера выросла и стала изучать именно движение звёзд – правда, не вокруг Полярной звезды, ведь это кажущееся движение, вызванное вращением Земли вокруг своей оси. Вера Рубин стала изучать движение звёзд вокруг центров галактик. Она стала опытным расшифровщиком звёздных спектров.

Научным руководителем диссертации Веры Рубин стал российский иммигрант Георгий Гамов. Родители Веры тоже были иммигрантами из бывшей Российской империи: мать из Бессарабии или Молдовы, отец – из Литвы.

В середине 1960-х годов Вера Рубин стала первой женщиной, которую пригласили в Паломарскую обсерваторию, чтобы вести наблюдения на её телескопах.

– Как это первой? – не поняла Галатея.

– До 70-х годов XX века наблюдения на крупных телескопах в Калифорнии, да и в других обсерваториях, велись только мужчинами. Разрушение этой возмутительной традиции началось с Веры Рубин. Она вместе со своим соавтором Кентом Фордом внимательно изучила вопрос о движении звёзд вокруг галактических центров. Эта тема была важной, но не сулила каких-то сенсаций – может, именно поэтому Вера за неё взялась. Она признавалась, что не любит проблем, где наблюдатели теснятся, как в переполненном вагоне. Но результаты, которые она получила, оказались сенсационными – звёзды, вместо того чтобы двигаться согласно закону Кеплера, то есть уменьшать скорость с увеличением расстояния до галактического центра, двигались примерно с одинаковой скоростью на самых различных расстояниях. Словно каждую галактику обнимало массивное облако тёмной материи, которое весило гораздо больше звёздного диска галактик и заставляло звёзды двигаться гораздо быстрее, чем им вроде бы полагалось, исходя из суммарной массы всех звёзд.

Когда учёные убедились в справедливости результатов Рубин – Форда, начались интенсивные наблюдательные и теоретические исследования природы этой тёмной материи. Что это такое?

Логично было предположить, что астрономы пропустили в космосе какие-то невидимые объекты: например, такие звёзды, как коричневые карлики: размером с Юпитер, но массой в десятки раз больше, чем у него. Действительно, совместными усилиями астрономов и космических телескопов таких звёзд было открыто огромное количество – они оказались самой многочисленной звёздной компонентой нашего Млечного Пути. Но их масса недостаточна для нужного увеличения массы нашей Галактики. Важным открытием стало обнаружение межгалактических холодных облаков, состоящих из водорода и гелия, – они имеют температуру около нуля градуса в Кельвинах и очень прозрачны, поэтому свет звёзд легко сквозь них проходит. Лишь спектральные линии, которые межгалактический водород выгрызает в звёздных спектрах, выдаёт такие невидимые облака. Их масса в скоплениях галактик оказалась в десять раз больше, чем масса всех звёзд. Но этого всё равно было недостаточно, чтобы объяснить результат Цвикки по скоплениям галактик. Может, тёмная материя состоит из крошечных – в несколько километров, – но очень массивных объектов, таких как нейтронные звёзды и чёрные дыры звёздных масс? Астрономы разработали специальную наблюдательную программу для поиска таких объектов, но после многолетних наблюдений установили, что таких объектов звёздных масс слишком мало для объяснения загадки «тёмной материи».

Может быть, «тёмная материя» состоит из элементарных частиц, которых очень много, но они не регистрируются, потому что слабо взаимодействуют с веществом?

Очень перспективным кандидатом на роль «тёмной материи» казались нейтрино – крошечные частицы, предсказанные Вольфгангом Паули в 1930 году и открытые четверть века спустя. Нейтрино вокруг нас очень много, например, через человеческий глаз каждую секунду пролетают сотни миллиардов нейтрино, рождённых на Солнце…

– Кыш, кыш! – Галатея замахала рукой перед лицом, отгоняя вездесущие нейтрино.

– Они так слабо взаимодействуют с веществом, что легко пролетают и человека, и Землю насквозь, как свет сквозь самое прозрачное стекло. Но масса нейтрино оказалась такой крошечной, что стало ясно: сильно повлиять на массу Вселенной эта элементарная частица не в состоянии. Более того, когда учёные попробовали рассчитать, какими скоростями должны обладать частицы тёмной материи, чтобы с их помощью можно было объяснить наблюдаемое вращение и структуру галактики, то оказалось, что они должны двигаться медленно, то есть тёмная материя должна быть «холодной». «Горячие» нейтрино, которые движутся почти со скоростью света, на роль такой «холодной» тёмной материи никак не годились.

Физики назвали гипотетические неуловимые частицы тёмной материи Слабо Взаимодействующими Массивными Частицами и стали искать её повсюду. Они проводили эксперименты на Большом Адронном Коллайдере в Европе, они запускали детекторы частиц на воздушных шарах над Антарктидой. В разных странах было организовано около десятка подземных лабораторий, которые спускали многотонные детекторы в шахты на глубины до двух километров, в надежде зарегистрировать там загадочные частицы. Но ничего не получалось. Детекторы частиц тёмной материи стали выводить в космос – как на отдельных спутниках, так и в качестве приборов на Международной космической станции, где для поиска частиц тёмной материи установлено бочкообразное устройство стоимостью два миллиарда долларов.

– Ну и поймала такая бочка эти частицы? – нетерпеливо спросила Галатея.

– Нет, – покачала головой Дзинтара, – частицы тёмной материи всё ещё остаются неуловимыми. Поэтому возникла собравшая немало сторонников идея, что надо изменить законы гравитации, которые действуют на масштабах галактики и всей Вселенной. Это позволит обойтись без тёмной материи, но цена такого решения будет велика: придётся отказаться от проверенной и красивой теории Эйнштейна – Ньютона.

В 2015 году детектор гравитационных волн ЛИГО поймал первую в истории гравитационную волну от слияния двух чёрных дыр с массой в 29 и 36 масс Солнца. Этот результат поразил учёных: оказывается, в космосе существует большое количество чёрных дыр, гораздо более тяжёлых, чем обычные дыры звёздных масс! Сразу возникло предположение, что тёмная материя – это большое количество чёрных дыр в десятки масс Солнца. Но откуда взялись такие массивные чёрные дыры, ведь обычные модели звёздной эволюции их не предсказывают? Появилась смелая гипотеза, что эти чёрные дыры пришли к нам из предыдущего цикла Вселенной, потому что чёрные дыры – это единственные макроскопические объекты, которые могут пережить коллапс мира и, пройдя через огненную фазу максимально сжатой Вселенной, попасть в следующий цикл её жизни.

Итак, «тёмная материя» (а её, по последним данным, в пять-шесть раз больше, чем обычного газа и звёзд) всё ещё остаётся загадкой, которую предстоит решить учёным будущего. Чёрные ли это дыры? Элементарные ли это частицы? Несомненно, к середине XXI века эта загадка будет разгадана.

Вера Рубин почти всю жизнь проработала в небольшом частном институте Карнеги, расположенном в парковой зоне американской столицы, и была независимым исследователем. Её работы часто встречали непонимание астрономического сообщества, но в конце XX века тёмная материя, которую в 1933 году Фриц Цвикки нашёл в скоплениях галактик, а Вера Рубин и Кент Форд в 1970-х обнаружили внутри отдельных галактик, превратилась в объект активнейших исследований. В начале XXI века уже тысячи учёных изучали проблему тёмной материи. Но ни Фриц Цвикки, обнаруживший тёмную материю в скоплениях галактик, ни Вера Рубин, которая открыла её внутри галактик, не получили Нобелевской премии.

Это вызывало негодование многих, но сама исследовательница не вмешивалась в эти споры. Она скромно говорила: «Мне жаль, что я так мало знаю. Извините, мы все так мало знаем. Но в этом же и состоит всё удовольствие, не так ли?»

Кроме научных результатов, Вера Рубин воспитала четверых детей – они все стали учёными и защитили диссертации в области естественных наук.

– Почему они все выбрали науку своей профессией? – удивилась Галатея.

– Их отец был физиком, мать – астрономом, которая получала столько удовольствия от своей работы, что десятилетний сын как-то спросил удивлённо: «Мама, тебе за твою работу ещё и деньги платят?»

Вера Рубин не только изучала загадки, перед которыми стояла современная ей наука, но и раздумывала над проблемами будущего.

«Какие задачи станут решать астрономы будущего? Какими вопросами будут задаваться астрономы Вселенной через сто лет? Через тысячу лет? Легко перечислить нерешённые вопросы настоящего времени. Каков возраст Вселенной? Какова скорость расширения Вселенной? Какова масса Вселенной? Что такое тёмная материя? Достаточно ли её гравитационного притяжения, чтобы остановить расширение Вселенной и заставить её сжиматься? Есть ли у ближайших звёзд планеты, на которых зародилась жизнь и разум? Достаточно ли они близки к нам, чтобы мы могли установить с ними связь в обозримом времени?

Но есть ещё проблемы, о которых мы знаем так мало, что с трудом можем сформулировать нужные вопросы. Вот очень приблизительный их список: существуют ли другие вселенные? Будем ли мы когда-нибудь общаться с ними? Как изменится наше представление о Вселенной при обнаружении гравитонов? Когда мы вглядываемся во Вселенную, мы смотрим в наше прошлое, но наши „глаза“ слабы, и мы ещё не можем проникнуть взглядом на большие расстояния. Загадки края вселенной превосходят наше понимание. Как Колумбы или викинги, мы заглянули в новый мир и увидели, что он более загадочен и сложнее, чем мы себе представляли. Самые большие загадки Вселенной остаются нерешёнными. Они станут приключениями для учёных будущего. Мне это нравится».

Вера Рубин сказала, обращаясь к молодёжи: «Для тех из вас, кто хочет быть учёным, у меня есть один совет. Не сдавайтесь! Наука трудна и требовательна, но каждый из вас должен верить в то, что вы можете добиться успеха. Сегодня может показаться невероятным, но среди вас нет никого, кто не мог бы внести важный, значительный вклад в мир науки. Наука ревнива, агрессивна, требовательна. Но она также великолепна, вдохновляет и окрыляет. Каждый из вас может изменить мир, потому что вы состоите из звёздного вещества и связаны со Вселенной».

Примечания для любопытных

Фриц Цвикки (1898–1974) – знаменитый швейцарский астроном, родившийся в Варне (Болгария) и почти всю жизнь проработавший в Калифорнии (США). Атеист. Открыл тёмную материю в скоплениях галактик, ввёл вместе с В. Бааде понятие «сверхновой», как взрыва, который превращает обычную звезду в нейтронную. Предсказал гравитационное линзирование галактик друг на друге. Получил в 1949 году за работы в области разработки реактивных двигателей Президентскую модель свободы от американского президента Трумэна. В 1972 году получил золотую медаль Королевского астрономического общества за выдающийся вклад в астрономию и космологию. В честь Цвикки назван астероид номер 1803 и лунный кратер размером в 150 км.

Калифорнийский технологический институт – знаменитый университет в Южной Калифорнии, основанный на частные пожертвования в 1891 году. В его состав входит Паломарская обсерватория, обладающая пятиметровым телескопом, и Лаборатория реактивного движения, которая работает на НАСА. В Калтехе учится всего 2200 студентов и аспирантов. Выпускники и сотрудники Калтеха получили тридцать семь Нобелевских премий.

Вальтер Бааде (1893–1960) – известный немецкий астроном, работавший в 1931–1959 годах в США. Вместе с Ф. Цвикки определил сверхновые звёзды как новую категорию астрономических объектов и предсказал появление нейтронных звёзд на месте взрыва сверхновых. Открыл десять астероидов. Астероид номер 1501 и лунный кратер названы в честь Бааде.

Вольфганг Паули (1900–1958) – физик-теоретик, один из основателей квантовой теории. Лауреат Нобелевской премии по физике (1945).

Кип Торн (р. 1940) – известный американский физик-гравитационист, соавтор классической монографии по теории Эйнштейна и космологии. Один из лидеров проекта ЛИГО, в результате которого открыты гравитационные волны. Лауреат премий Грубера, Шау, Харвея и Кавли (2016). Лауреат Нобелевской премии (2017).

Джоселин Белл (р. 1943) – знаменитая британская женщина-астроном, открывшая в 1967 году пульсары, будучи юной аспиранткой. Не получила за это открытие Нобелевской премии, хотя её научный руководитель получил. Награждена Королевской медалью (2015 год) и другими научными наградами.

Вера Рубин (1928–2016) – знаменитая американская женщина-астроном, которая открыла, что звёзды в галактиках, включая Млечный Путь, движутся быстрее, чем позволяет притяжение видимой материи, – так, словно в галактиках содержится большое количество невидимого вещества. В начале XXI века на эту тему публиковалось полторы тысячи научных статей в год. Вера Рубин получила за свои работы множество наград, включая золотую медаль Королевского астрономического общества (1996) и премию Грубера по космологии (2002).

Закон Кеплера – закон, сформулированный Иоганном Кеплером (1571–1630), согласно которому, скорость обращения планет падает с ростом расстояния от Солнца. Увеличение расстояния в четыре раза вызывает уменьшение скорости обращения в два раза.