Текст книги "PRO парадоксы науки"

Глава 16. Соты метагалактики

В последние годы выяснилось, что крупномасштабная структура метагалактики ячеистая. Группы, скопления и сверхскопления галактик расположены главным образом в сравнительно тонких слоях или цепочках. Слои и цепочки пересекаются, соединяются друг с другом и образуют колоссальные ячейки неправильной формы, внутри которых галактик практически нет.

Ф. Ю. Зигель.

Астрономическая мозаика

Экспериментальный космический центр величаво плыл среди мрака внешней границы Солнечной системы. Внутри кипела предстартовая подготовка. Вот-вот должен был начаться величайший опыт в истории космической экспансии человечества. Циклопические УПМ-генераторы готовились изменить окружающую физическую реальность, сделав ее более комфортной для белково-углеродной жизни.

В конференц-зале имени профессора Пустыльникова собрались все свободные участники эксперимента. Шла видеоконференция, передаваемая на все обитаемые миры Солнечной системы. После обсуждения технических деталей, слово взял научный руководитель проекта, академик Золотов:

– Сегодня, коллеги, начнется прорыв в неведомое. Нам предстоит сделать попытку воплотить в реальность вековую мечту о терраформировании галактических просторов. Используя принципы Управляющей Парадигмы Мира, кибернетически разработанной в далеком ХХ веке группой Пустыльникова, мы должны разрушить барьер, отделяющий наш замкнутый солнечный мирок от остальной Вселенной.

– Могут ли быть негативные последствия у проекта УПМ? – задало вопрос голографическое изображение научного обозревателя канала «Марс-1».

– Любой масштабный эксперимент таит в себе некоторую опасность. – Академик взмахнул рукой, и зал заполнило объемное изображение гигантских УПМ-модулей. – Вот и проект нашего уровня затрагивает многие стороны мироздания. Однако еще столетия назад творческий коллектив профессора Пустыльникова разработал схему компенсирующих обратных связей для Управляющей Парадигмы. Включение подобных «тормозов» может не только остановить течение процесса терроформирования метагалактики, но и повернуть его вспять к исходной точке. Ну а теперь, – академик обвел широким жестом панорамный стереоэкран, – давайте посмотрим на результаты нашей работы.

Результат электронного моделирования видимой Вселенной

Все присутствующие и наблюдающие за событиями через десятки миллиардов километров затаили дыхание. Раздались пульсирующие сигналы стартового метронома, и все экраны заполнило переливающееся радужное сияние.

– Сейчас мы увидим общую структуру метагалактики, – голос академика прервался от волнения.

Изображение, обработанное квантовым мозгом, медленно проявилось на стереоэкранах и тут же спроецировалось в объемную голограмму. В едином порыве у всех вырвался восторженный вздох. Казалось, в центре конференц-зала родилась новая Вселенная. Переплетенные нити галактических сверхскоплений, перемежаемые гигантскими пузырями войдов, образовали фантастический узор. Человек впервые увидел, как выглядит со стороны его Вселенная…

С тех самых пор как первобытный троглодит бросил первый более-менее осмысленный взгляд на небосвод, его неустанно преследовал вопрос о безбрежности мироздания. И для астрономов будущего одной из главных задач еще долго будет оставаться поиск границ нашей вселенной. Несколько иной путь предлагает современная кибернетика. Давайте попробуем представить себе, что удалось наконец создать некий сверхкомпьютер с совершенно фантастическими возможностями. Тогда астрономы могли бы ввести в него все, что они знают о доступной нам части вселенной – метагалактике. Эта трудновообразимая по величине область космоса предстала бы в виде электронной модели – небесного глобуса, где на месте созвездий были бы мириады галактик. Надо сказать, что подобные проекты изучает особая наука, формально входящая в астрономию, но претендующая на совершенно особую роль в познании окружающего мира – космология.

Космология в основном изучает крупномасштабную структуру Вселенной, объекты которой луч света обегает за десятки миллионов лет. Прежде всего, тут выделяются скопления и сверхскопления галактик. Космологи считают, что современный вид метагалактики определили первоначальные малые сгущения вещества 13 миллиардов лет назад. Под действием гравитации они обросли веществом, как комья липкого мокрого снега на склоне горы. Затем стали действовать пока еще неясные процессы, и из рыхлых комков материи возникли прекрасные кружева галактических скоплений.

По современным представлениям, основным компонентом межзвездной среды является газ, перемешанный с пылью. Газопылевые облака, подсвеченные звездами и пронизанные космическими лучами, иногда представляют собой совершенно фантастическое зрелище. Однако и они совершенно теряются на фоне метагалактических скоплений галактик, считающихся самыми крупными системами во Вселенной.

На компьютерной модели представлено распределение вещества в метагалактике. Светлые области на этой карте соответствуют уплотнениям, а темные области означают пустоты. Скопление галактик на компьютерной модели является одним из самых плотных в метагалактике. Оно состоит из нескольких тысяч звездных систем с миллиардами обитателей, как и в нашей Галактике Млечный Путь. Даже от этого ближайшего по космическим масштабам звездного архипелага свет идет к Солнечной системе несколько сотен миллионов лет, а от одного его края до другого световой луч путешествует уже миллиарды лет!

Здесь кроются какие-то величайшие тайны мироздания: как образовался «улей» метагалактики? В чем заключается его эволюция при ускоренном разлете нашего мира? Есть ли у ячеистого здания Вселенной какие-то еще сверхструктуры: «стены», «крыша» и «подвал»?

Астрономы-наблюдатели, космологи и физики вместе с математиками-программистами уже выполнили несколько впечатляющих проектов. В них они поистине пытаются «объять необъятное», представляя, как выглядит «со стороны» наша вселенская среда обитания.

Всякое исследование внешнего вида метагалактики наталкивается на недостаток информации о пограничных областях, насыщенных сверхдалекими юными галактиками. Здесь столько загадок и противоположных мнений, что прийти к «астрономическому консенсусу» пока совершенно невозможно. Кто-то считает, что в момент, когда вспыхнула первая звезда, вселенский «улей» представлял собой одну лишь груду «строительных материалов». Другие утверждают, что еще в «темные беззвездные века» воздвиглись основные несущие стены и пролеты ячеистой метагалактики. Третьи относят образование сверхструктуры Вселенной к гораздо более позднему времени, когда равномерный разлет пространства сменился ускоренным расширением.

Между тем исследовать метагалактическое пограничье крайне трудно, ведь очень далекая галактика становится даже для очень сильного телескопа практически неотличимой от более близкой звезды. Как уж тут воссоздать галактические сверхскопления и «соткать» из них кружева метагалактических сот…

Все надежды космологов связаны с новыми инструментами их коллег – астрономов-наблюдателей. Это могут быть стометровые наземные телескопы-рефлекторы, состоящие из множества сравнительно небольших зеркал, управляемых компьютером. Их будут дополнять всеволновые космические обсерватории нового поколения, размещенные в «гравитационных гаванях» точек либрации, где земное тяготение равно лунному или солнечному.

Космические телескопы, как и их старшие земные собратья, будут состоять из многих «компьютеризованных» зеркал, что по расчетам должно их сделать уникальнейшими телескопическими системами. Эти астрономические инструменты смогут колоссально приблизить к нашим глазам самые удаленные уголки метагалактики. Более того, составляя сверхглубокие обзоры космического простора, мы наконец-то сможем осуществить вековечную мечту астрономов о паромном обзоре Вселенной. Это будет не взгляд в одном направлении, напоминающий подглядывание через замочную скважину, а глубокие связанные изображения обширных областей космоса.

Это очень важно по многим причинам, но одна из них просто захватывает воображение!

Дело в том, что ускоренное расширение пространства через сотню миллиардолетий (не такой уж и большой срок в эволюции Вселенной) неузнаваемо изменит облик окружающего мира. Вся метагалактика сожмется для наших далеких потомков в исполинскую сверхгалактику, состоящую из Млечного Пути, Галактики Андромеды и Местной группы. Несмотря на вроде бы впечатляющие размеры, это будет жалкая крупинка сегодняшней зримой Вселенной. Куда же исчезнет все остальное? Оно просто разлетится в пространство вне всякой досягаемости любых, даже самых грандиозных телескопов. Кроме того, неузнаваемо изменится химический состав космоса и исчезнут всяческие признаки реликтового фона – отклика Большого взрыва.

Получается, что космологи далекого будущего будут считать, что вся Вселенная состоит из их медленно стареющего звездного острова, плывущего в вечной и неизменной пустоте космического вакуума. Единственная возможность донести научную правду до будущих астрономов – это оставить им современные знания о Большом взрыве, ускоренно расширяющейся Вселенной и сотовом улье метагалактики. Это делает современных ученых в определенном смысле ответственными за развитие науки будущего.

Атмосфера Земли непрозрачна для многих излучений, поэтому главными инструментами для астрономов, строящих атлас Вселенной, служат разнообразные космические обсерватории. Они довольно успешно ведут наблюдения «края мира» в инфракрасных, ультрафиолетовых и рентгеновских частях электромагнитного спектра. К примеру, сравнительно недавно международная «космическая группа» астрономов уже получила изображение звездных объектов в тысячи раз слабее, чем наблюдаемые в самые мощные наземные телескопы. На таком изображении без труда можно было бы рассмотреть нашу Солнечную систему с окраины соседней галактики – Туманности Андромеды!

Наблюдая с помощью совершенствующихся телескопов сверхдальние космические объекты, ученые не только проникают все дальше в глубины мирового пространства, но и получают возможность путешествовать на своеобразной «машине времени», зрительно проникая на все более ранние стадии эволюции Вселенной. Ведь чем дальше от нас находится тот или иной космический объект, тем больше времени затрачивают световые лучи, чтобы преодолеть расстояние, отделяющее его от Земли. Следовательно, наша астрономическая «машина времени» углуб ляется во все более отдаленное прошлое. Впрочем, космическое прошлое не пропало бесследно и так или иначе проявляет себя и в современной Вселенной. Эти «следы далеких эпох» намечают путь к разгадкам многих тайн происхождения нашей вселенной.

Компьютерные расчеты подтвердили возможность возникновения крупномасштабной ячеистой структуры из первоначально ничтожных случайных возмущений плотности в процессе расширения Вселенной. При определенных физически приемлемых начальных условиях численные модели позволили воспроизвести «на экране» процесс формирования волокон и ячеек, а в них – отдельных галактик. Насколько хорошо и полно такие компьютерные модели описывают реальную Вселенную – вопрос, обсуждаемый в настоящее время. Здесь есть еще немало нерешенных проблем. В любом случае изучение крупномасштабной структуры Вселенной оказалось необходимым звеном, без которого нельзя понять, как возник окружающий нас мир.

Исследования космологов иногда просто могут перевернуть все представления об окружающем. Хорошим примером здесь служат споры об ускоренном расширении нашей вселенной. Это странное ускорение возникло по совершенно непонятным причинам несколько миллиардов лет назад (чаще всего встречаются оценки в 5–6 миллиардолетий) и полностью изменило прогнозы на далекое будущее. По многим причинам возникла полемика, в целом оспаривающая ускоренный разлет галактических скоплений. Контраргументами служит ряд наблюдений, позволяющих считать, что никакого ускоренного расширения нет. Вместо этого наше галактическое окружение оказывается внутри сверхгигантского пузыря – войда. В этом случае все эффекты ускоренного разлета групп галактик связываются со стенками войда. Определить, кто тут прав, – пока очень трудно. Нужны наблюдения близких и сверхдалеких галактик.

Сейчас все мы являемся свидетелями непрекращающегося потока удивительных астрономических открытий. Так случилось, что совпадение развития космических и земных телескопов привело к одновременным прорывам на нескольких направлениях научных исследований. Это вызвало целый ряд уникальных космологических открытий, связанных с загадочными темными материей и энергией, заполняющими нашу вселенную. В скором времени новые космические орбитальные обсерватории, наподобие «Джеймса Уэбба», позволят вплотную приблизиться к пределу наблюдения первых звездных объектов, возникших во Вселенной.

Быть может, наша вселенная – это всего лишь краткая вспышка энергии в какой-то другой Вселенной. К сожалению, четко ответить на вопрос, где находятся все они, наука пока не может, как и объяснить, что было до того, как возник наш мир.

Сегодня, как и в давние времена первых астрономических атласов, возникают первые карты метагалактики с удивительными сотами галактических звездных островов. Можно смело сказать, что космология переживает в наше время настоящую революцию, результаты которой еще предстоит оценить нашим потомкам.

Глава 17. Частица бога

В идеальном случае развиваемые нами представления о мире будут находиться в согласии с положениями физической теории. Однако такое согласие вовсе не обязательно. Когда выявляется противоречие, это значит, что изменяется либо наше представление о мире, либо физическая теория. Обе альтернативы возможны в равной степени.

У. Каспер.

Тяготение – загадочное и привычное

В шестидесятые годы прошлого века Питер Хиггс предположил, что Вселенную наполняет всеобщее поле. Это поле Хиггса определяет массу микрочастиц при взаимодействии с ним, разделяя сильновзаимодействующие частицы на тяжелые, а слабовзаимодействующие – на легкие.

Существование бозонов Хиггса чрезвычайно важно для физики элементарных частиц. Так, недавно физики высказали гипотезу, связывающую инфляционное сверхускоренное расширение новорожденной Вселенной с наличием бозонов Хигг са. Как следствие, квантовые эффекты, вытекающие из этой взаимосвязи, могли бы оказать влияние на микроволновый фон реликтового излучения.

Взаимодействие частиц с полем Хиггса аналогично эффекту движения тела в вязкой жидкости, когда оно за счет взаимодействия с жидкостью приобретает дополнительную эффективную массу. Таким же образом при электромагнитном взаимодействии с атомами кристаллической решетки электрон приобретает эффективную массу, отличную от массы свободного электрона.

Еще академик Сахаров предлагал использовать космологические данные для изучения микромира как замену чисто настольным экспериментам с «божественными частицами» Хигг са. Эта идея получила название программы космомикрофизики.

Бозон Хиггса планируют обнаружить во время экспериментов на Большом адронном коллайдере. БАК – абсолютный рекордсмен среди ускорителей элементарных частиц. Он самый большой, самый точный, самый мощный и, конечно же, самый дорогой научный инструмент. 27-километровый ускоритель чем-то напоминает две гигантские пушки, направленные друг на друга. Стреляют данные научные орудия тяжелыми ядерными частицами – протонами и ионами. Сталкиваясь, эти снаряды-частицы порождают фейерверк иных микрочастиц, среди которых физики надеются встретить необычных незнакомцев. Чем выше энергия столкновения, тем более интересны результаты. Не так давно физики заявили, что уже набрана необходимая статистика данных, чтобы почувствовать бозон Хиггса, что и являлось одной из главных задач постройки этого гигантского научного прибора.

Охота за «божественной частицей» велась без малого полстолетия. Основной проблемой была невозможность в рамках стандартной модели предсказать точную массу бозона Хиггса: чем она выше, тем более высокие энергии нужны для того, чтобы эту частицу обнаружить. Физики с нетерпением ожидали момента, когда энергия пучков БАКа возрастет настолько, что «событие Хиггса» станет возможным… И вот, свершилось!

Международная коллаборация БАКа заявила об открытии частицы Хиггса, или просто хиггсона.

Началась тщательная проверка результатов, и вот, после некоторых колебаний, Нобелевский комитет принял решение присудить самую престижную премию в мире науки Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру, предсказавшим еще в шестидесятые годы прошлого века этот необычный микрообъект, обеспечивающий массу всех других элементарных частиц.

Поле Хиггса пронизывает всю Вселенную. Всплески и рябь «океана Хиггса» и представляют те самые «частицы бога». Все материальные тела вместе с нами плывут по волнам этого безбрежного океана. Именно за счет взаимодействия со средой Хиггса тела становятся массивными. Мы как бы проталкиваемся сквозь эту «среду», а она противодействует движению, тормозя нас. Это очень красивая гипотеза, ее подтверждение бурно праздновали все физики мира.

Важная деталь, часто упускаемая в восторженных репортажах об открытии бозона Хиггса, состоит в том, что эта частица в принципе не наблюдаема. По крайней мере, в диапазоне энергий, достигаемых БАКом. «Частица бога» чрезвычайно неустойчива и распадается на более легкие микрообъекты тотчас после возникновения.

Единственный способ зафиксировать рождение бозона – собрать и проанализировать большой массив информации о столкновениях элементарных частиц.

Наглядно хиггсовский механизм можно изобразить в виде рассыпанных по поверхности пинг-понговых шариков (безмассовых частиц), разлетающихся от порывов ветра. Если их высыпать на водную поверхность, их движение становится связанным. Здесь взаимодействие с жидкостью играет роль вакуумного хиггсовского поля, придающего частицам инертность. А аналогом «частиц бога» будет рябь от дуновения на свободной поверхности воды. Тут надо отметить, что вода мешает любому движению шариков, а поле Хиггса не оказывает влияния на частицы, движущиеся равномерно и прямолинейно, противодействуя лишь их ускорению.

Теория пока еще не позволяет точно установить массу бозона Хиггса. Физики измеряют массы частиц в единицах энергии – электронвольтах, основываясь на известнейшей формуле Эйнштейна: E = mc². Эта формула наглядно показывает, что масса может быть преобразована в энергию, а энергия – в массу. С помощью этого уравнения можно вычислить, сколько энергии будет освобождено, если определенное количество массы преобразовать в энергию.

Справедливости ради нужно напомнить, что в шестидесятых годах гипотезу о существовании нового бозона разрабатывал не только профессор Хиггс. Кроме него гипотезу о том, что Вселенная пронизана незримым полем, состоящим из бозонов – частиц, с помощью которых материя обретает массу, в свое время разрабатывали еще один английский физик и две независимые исследовательские группы из США и Бельгии. Их совместный труд и создал поразительную модель бозонов, наполняющих Вселенную особым полем. В нем микрочастицы фактически прилипают к «божественным бозонам», обретая массивность. В то же время фотоны – кванты электромагнитного излучения – с нулевой массой покоя с бозонами Хиггса не взаимодействуют.

До триумфа теории «божественной частицы» дожили не все ее первооткрыватели. Нет уже в живых бельгийского физика Роберта Браута, соратника Франсуа Энглера. Вместе с Хиггсом на исторической пресс-конференции в ЦЕРНе, где были объявлены первые данные о следах неизвестного бозона, присутствовали и участники третьей группы – американские ученые Джеральд Гуральник, Карл Хаген и британец Том Киббл.

Нобелевский комитет принял поистине соломоново решение, почтив вниманием лишь Хиггса и Энглера, ведь выделить еще одного лауреата из американо-британского коллектива было бы крайне трудно. Не отмечены заслуги и тех, кто руководил и проводил эксперименты на БАКе, а также обрабатывал и анализировал массивы данных. Вероятно, нобелевский комитет надеется, что их вклад будет награжден будущими открытиями. Между тем Хиггс, Энглер и Браут в 2004-м получили премию Вольфа, вторую по престижности после Нобелевской. Еще один американский физик Филип Андерсон уже получил Нобелевскую медаль в 1977 году за теоретическую модель, которую сегодня называют «механизмом Хиггса».

Между тем в ходе экспериментов на БАКе была определена масса «частицы бога». Этот параметр имеет очень важное значение, фактически определяя кривизну нашего мира. При зафиксированной массе «божественной частицы» энергия ее поля, пронизывающего все вокруг, может при определенных условиях просто «свернуть» ее до размеров… футбольного мяча.

В одном известном анекдоте физики каждые 13,7 миллиардолетий (время существования Вселенной) развлекаются тем, что запускают ускоритель, подобный БАКу… Тем не менее еще до начала постройки БАКа то один, то другой ученый, не говоря уже о дилетантах и журналистах, предрекали ужасные катастрофы глобального и даже вселенского масштаба при столкновениях частиц, разогнанных до колоссальной энергии. Не избежала этой участи и концепция «частицы бога».

Надо сказать, что подобные опасения в шутку или всерьез высказал в конце шестидесятых годов прошлого века один из «крестных отцов» бозона Хиггса, ныне покойный профессор Браут. Строя математическую модель Вселенной, пронизанной незримым полем, он натолкнулся на любопытное решение, в котором некоторые микрочастицы могут катастрофически быстро обрастать «божественными частицами», тем самым практически неограниченно обретая массу. Дальше следует хорошо известный и часто обсуждаемый сценарий возникновения множественных черных дыр, которые, сливаясь, превратят всю метагалактику в единый гравитационный коллапсар.

Сегодня к этим страхам добавились еще и «сенсационные» сообщения СМИ. В них всячески обыгрывается информация, что для воссоздания бозонов Хиггса физики пытаются с помощью БАКа создать условия, существовавшие сразу же после Большого взрыва. Однако с тех пор многое изменилось, и известная темная энергия, «расталкивающая» Вселенную, сегодня не сосредоточена в некоей условной точке, а разлита по необъятным космическим просторам. Поэтому нет силы, препятствующей возвращению новорожденной материи обратно в пучину сингулярности.

Несколько более оптимистичный сценарий на суд научной общественности представил американский физик-теоретик Джозеф Ликкен из Фермилаба. Его версия растягивает катастрофические события на многие миллиардолетия, что, впрочем, не меняет конечный результат – гравитационное схлопывание мироздания.

Теория Ликкена лишь несколько приближает неизбежную «кончину» Вселенной, ведь ее ускоренное расширение под действием темной энергии все равно неминуемо приведет к ужасу «Большого разрыва» или альтернативному превращению нашего мира в холодную мертвую пустошь.

В ответ на многочисленные критические замечания доктор Ликкен доказывает, что его космологический сценарий намного более оптимистичный, чем появившиеся гипотезы о нестабильности поля Хиггса. В этом случае дальнейшее расширение пространства в принципе может привести к такой дестабилизации «божественных частиц», что масса будет просто как бы сметена и наш мир в мгновение ока превратится в газ из безмассовых частиц и электромагнитного излучения.

Впрочем, злые языки утверждают, что построения американского теоретика во многом вызваны как многолетней конкуренцией Фермилаба с ЦЕРНом, так и неотмеченным вкладом команды Ликкена в серию экспериментов по «ловле» бозона Хиггса на БАКе. Как бы то ни было, но в список грядущих вселенских катастроф ныне добавилась еще и «нестабильность Хиггса».

При этом объективно надо отметить, что эксперименты на БАКе уже серьезно повлияли на некоторые теории, объясняющие основы мироздания.