Текст книги "100 знаменитых загадок природы"

ТЕОРИЯ СУПЕРСТРУН

В нашем сознании заложен стереотип: все значительное имеет большие размеры. Именно поэтому богов и героев изображали гигантами. Однако реальность часто преподносит исследователям сюрпризы. Наиболее выдающиеся достижения человечества были сделаны в микромире. Благодаря гипотезе об атомарном строении мира стало возможным открытие различных химических элементов. Биология сделала огромный рывок вперед после того, как ученые занялись генетическими исследованиями. Но наиболее загадочным и непостижимым является мир элементарных частиц. Ученые, занимающиеся их исследованием, оперируют минимальным расстоянием, которое можно измерить, – 10^-35 метров (для сравнения: атом водорода в десять триллионов раз больше). И именно в этом «микромире», возможно, кроется ответ на вопрос: а что же представляет собой наша Вселенная?

Проблема устройства этого мира волновала человечество с того момента, как первые люди подняли головы и обнаружили над собой ночное небо. Какие только модели устройства Вселенной ни изобретались учеными и философами! В центре мира помещали то Землю, то Солнце, и лишь с развитием научных представлений стало возможным постичь очевидную истину: ни Земля, ни Солнце центром Вселенной не являются. Более того, возможно, что и сама Вселенная – это лишь очередная «комната» огромного неисследованного мира. Вполне вероятно, что сейчас ученые находятся на пороге нового открытия, способного изменить наши представления об устройстве реальности не менее сильно, чем переход от геоцентризма к гелиоцентризму.

Из школьного курса физики и астрономии мы знаем, что Вселенная, в которой мы существуем, постоянно расширяется. Этот процесс происходит со времени Большого Взрыва, который примерно 14 миллиардов лет назад произошел в некой первичной «особой точке», заключавшей в себе тогда все вещество будущей Вселенной в невообразимо сжатом состоянии. Большой Взрыв выбросил спрессованное вещество с одинаковой скоростью сразу во все стороны. С тех пор оно продолжает движение под воздействием инерции, попутно расширяя для себя пространство, в котором разлетается. При этом внутри массы вещества происходит борьба двух сил. Первая – это инерция, сохранившаяся со времен Большого Взрыва, а вторая – гравитация. Частицы вещества, притягиваясь друг к другу, тормозят расширение Вселенной.

В свое время велись ожесточенные споры по поводу будущего Вселенной. Одни ученые полагали, что расширение необратимо и будет продолжаться до тех пор, пока все вещество не распылится до нулевой плотности. Другие считали, что на смену расширению неминуемо придет сжатие, за которым последует новый взрыв. При этом и те и другие исходили из предположения, что наша Вселенная – единственная.

Сравнительно недавно, в середине прошлого века, появилась гипотеза о совершенно ином строении нашей Вселенной. Прежде всего было отмечено, что расширение границ нашего мира происходит с некоторым ускорением. Чем больше времени проходит с момента Большого Взрыва, тем быстрее отдаляются друг от друга галактики. А это означает, что на движение материи влияет какая-то внешняя сила, которая нейтрализует гравитационное притяжение. Андреас Альбрехт из Калифорнийского университета назвал этот неизвестный фактор «антигравитацией», просачивающейся в наш трехмерный мир из других вселенных, параллельных нашей.

Сразу же стоит заметить: речь идет не о фантастическом романе, где герои немыслимым образом проходят через портал в иные вселенные, а о научной теории. Предположение о существовании параллельных миров впервые прозвучало с научной кафедры в 1957 году от молодого физика Хью Эверетта в ходе защиты докторской диссертации. Эверетт выдвинул эту гипотезу для объяснения некоторых феноменов квантового мира. Большинство из них может быть описано только при помощи математического аппарата, но вот пример с «поведением» элементарных частиц известен почти всем любителям фантастики. Суть явления состоит в том, что элементарная частица теоретически находится сразу во многих местах пространства, в то время как измерение обнаруживает ее в конкретном месте. В свое время ходило немало шуток на тему влияния наблюдателя на ход эксперимента, однако явление нужно было объяснить. Представители Копенгагенской школы утверждали, что в момент измерения частица «мгновенно стягивается» в определенное место благодаря воздействию измерительного прибора. Эверетт высказал другое предположение: каждая частица в действительности является совокупностью множества частиц, существующих в параллельных вселенных. В каждой из них «клон» частицы находится на определенном месте, а в момент измерения измерительный прибор делает реальной одну из этих параллельных вселенных. Другими словами, при каждом измерении происходит взаимодействие, в момент которого происходит выбор между несколькими параллельными реальностями. Исходя из этой теории, не только будущее, но и прошлое обладает вероятностью в зависимости от того, кто его изучает.

Параллельные миры Эверетта располагались рядом друг с другом в одном и том же трехмерном пространстве. Альбрехт предположил другой вариант: не множество вселенных, а одна – но многомерная. По мнению ученого, в нашей Вселенной пространство не трехмерно, а десятимерно. Остальные семь «лишних» измерений компактно упакованы. Компактизацию измерений можно проиллюстрировать хорошо знакомой физикам и математикам шуткой – ответом на вопрос, как найти в Африке слона. Вместо того чтобы бродить по бескрайним просторам, можно поступить иначе. Поверхность Африки трехмерна. Но ее можно спроецировать на плоскость – именно так и поступают при составлении географических карт. Любую плоскость можно спроецировать на прямую, а прямую, в свою очередь, – «свернуть» в точку. Именно в этой точке и будет находиться слон. Еще один пример, объясняющий «свертывание» лишних измерений: возьмем несколько очень тонких листочков бумаги, свернем их в трубочку. Если сделать это тщательно, у нас получится очень тоненький цилиндрик, который можно при желании представить как одномерную линию. Если капнуть на один из листков каплю чернил, она появится и на остальных листках. Примерно то же самое происходит и с антигравитацией – она, по мнению ученого, «просачивается» из других измерений.

При чем же здесь теория суперструн? Дело в том, что именно с ее помощью можно объяснить все приведенные феномены – и с поведением элементарных частиц, и с «просачиванием» антигравитации. Эта научная гипотеза вызвала мощный резонанс в научных кругах. Критики называли ее «всеобщей теорией всего», а сторонники полагали, что она может объяснить все не решенные до сих пор физические загадки.

Если не вдаваться в подробности и не использовать специальной терминологии, то струны – это первичные творения в видимой Вселенной. «Струнами» их можно назвать только условно, поскольку эти объекты не материальны. Их можно представить в виде замкнутых в петли струн или нитей, находящихся под чудовищным напряжением. Колебания суперструн с разной частотой порождают разную энергию (а следовательно – и массу) элементарных частиц. Таким образом, все разнообразие частиц в природе – это просто разные октавы одного и того же творения – струны. А следовательно, открывается масса возможностей для развития теории единого поля, которая будет охватывать все устройство мироздания.

Теория суперструн дает объяснение природе элементарных частиц, которые существенно отличаются от всего, к чему мы привыкли. Их нельзя считать «кирпичиками мироздания» – простейшими составляющими, из которых образуется все остальное, поскольку они способны к взаимным превращениям. Превращения происходят практически непредсказуемо: одна и та же элементарная частица может распасться несколькими способами, образовав при этом разные наборы других частиц. Но и это еще не все: у каждой из элементарных частиц (за исключением абсолютно нейтральных) есть античастица. При столкновении они аннигилируют. Элементарные частицы обладают также целым рядом характеристик (достаточно абстрактных), которые неспециалисту кажутся чем-то загадочным: «красота» («прелесть»), «очарование», «странность», «цвет».

Число обнаруженных элементарных частиц уже превысило 350 (вместе с античастицами). Лишь некоторые из них изучены сравнительно хорошо. А часть существует только в теории. В частности, гравитон – квант гравитационного поля – пока что не был обнаружен экспериментально. Впрочем, сторонники теории суперструн не теряют надежды доказать, что их точка зрения на устройство Вселенной – явление того же порядка, что и теория Эйнштейна. Ведь не напрасно же этот великий ученый предсказывал появление полного описания реальности и считал квантовую механику и теорию относительности лишь временным ее «заменителем».

Создание теории, которая бы полностью описывала реальность, – заветная мечта многих великих деятелей науки. Поэтому в последнее время ставятся многочисленные эксперименты, направленные на изучение гравитации. Профессор Эрик Эдельберг из Вашингтона пытается проверить теорию суперструн, исследуя гравитационное воздействие на сверхмалых расстояниях. Технически эксперимент довольно сложен. Он осуществляется при помощи крутильных весов, которые могут измерять действие гравитации под различными углами к притяжению Земли. Их диски подвешены на сверхтонкой проволоке из вольфрама. Один из дисков вращается, создавая гравитационный эффект, угол вращения отслеживается с помощью лазерного луча. Пока что группа профессора Эдельберга сумела сблизить диски крутильных весов на расстояние 100 микрон, но этого оказалось недостаточно ни для подтверждения теории, ни для ее опровержения. Сейчас ученые пытаются уменьшить расстояние до 10 микрон. Если при этом гравитационное взаимодействие между дисками будет отличаться от предсказанного общепринятой теорией, теория суперструн справедлива.

Академик Виталий Гинзбург не исключает, что при сверхмалых расстояниях, возможно, действуют иные законы, чем на больших расстояниях: «Что происходит с гравитацией на расстояниях в доли миллиметра? Неизвестно. Может быть, там другие законы. Может быть, какое-нибудь пятое измерение появится. Удастся это проверить – тогда будет сделано важнейшее фундаментальное открытие современности».

Поиски «свернутых» измерений продолжаются…

ФАЭТОН – ЗАГАДКА ИСЧЕЗНУВШЕЙ ПЛАНЕТЫ

Миллионы лет звездное небо влекло человека своей загадочностью. Наши далекие предки были уверены в том, что все, происходящее на Земле, ниспослано свыше. Со временем люди научились читать звездное небо, как книгу. Но многие тайны космоса остались неразгаданными поныне. Одна из них связана с исчезновением планеты Фаэтон…

Давняя загадка для ученных астрономов – поле астероидов, находящихся в пространстве между Марсом и Юпитером. Еще в древности звездочетов удивляла такое расположение космических тел. Многие сходились во мнении, что на этом месте должна быть еще одна планета.

Так, в Грузии хранится копия документа 1561 года, в которой упоминается, что около Марса имеется еще одна звезда. На глиняных табличках древних шумад (V–IV тыс. до н. э.) зафиксированы сведения, из которых следует, что между орбитами Марса и Юпитера люди наблюдали «планету-невидимку». Подобные тайны можно встретить и в древнекитайских летописях.

Пролить свет на поиск загадочной планеты помогла случайность. В 1766 году немецкий астроном, физик и математик Иоганн Тициус сформулировал, а другой немецкий астроном, Иоганн Боде, обосновал числовую закономерность в расстояниях планет от Солнца. По этой закономерности между Марсом и Юпитером должна существовать «планета № 5». То что правило Тициуса-Боде работает, доказали последующие открытия Урана, Нептуна и Плутона. В конце XVIII века на конгрессе в немецком городе Готе было решено начать поиск недостающей планеты. Однако никому из тех астрономов, которым поручили наблюдения, не повезло. Планету обнаружил в 1801 году Джузеппо Пьяцци, директор обсерватории в Палермо (о. Сицилия). Когда вычислили орбиту этого космического тела, оказалось, что оно движется точно на том расстоянии от Солнца, которое предсказано правилом Тициуса-Боде. Астрономы ликовали: найдена недостающая планета. Ее назвали Церерой, в честь богини – покровительницы Сицилии.

Однако вскоре радость ученых была омрачена цепью новых открытий. В 1802 году была обнаружена между Юпитером и Марсом еще одна малая планета – Паллада. В 1804 году – третья планета – Юнона, а в 1807 году – Веста. Итак, там, где ожидали найти одну большую планету, обнаружили 4 маленькие. Между тем поток открытий малых планет (их еще называют астероидами, то есть «звездоподобными») не прекращался, и к 1890 году их было известно уже свыше 300. Астрономы пришли к твердому убеждению, что между Марсом и Юпитером по орбитам вокруг Солнца вращается целый рой малых планетарных тел. На сегодняшний день известно около 2000 астероидов. И по некоторым оценкам их число может превышать 7000.

Все они двигались примерно на одном и том же расстоянии от Солнца, что и Церера, – 2,8 астрономической единицы (одна астрономическая единица равна расстоянию Земли от Солнца, что составляет 150 млн километров). Именно это обстоятельство позволило немецкому астроному Г. Ольберсу еще в 1804 году высказать гипотезу о том, что малые планеты произошли в результате распада на куски одной большой планеты, которой он дал имя Фаэтон.

Так, согласно древнегреческому мифу, звали сына бога Солнца Гелиоса. Однажды Фаэтон упросил отца позволить ему управлять золотой колесницей Солнца, в которой Гелиос совершал свой каждодневный путь по небосводу. Отец долго не соглашался, но наконец уступил желанию юноши. Но Фаэтон потерял путь среди небесных созвездий. Кони, почувствовав неуверенную руку возницы, понесли. И когда колесница приблизилась на опасное расстояние к Земле, пламя охватило нашу планету. Бог Зевс-Громовержец, чтобы спасти Землю, метнул молнию в колесницу. Фаэтон упал на Землю и погиб.

Таким образом красивая легенда получила реальное научное обоснование. Хотя некоторые современники Г. Ольберса (В. Гершель, Лаверье, П. Лаплас) высказывали другие предположения о происхождении астероидов, но наибольшей популярностью пользовалась точка зрения Ольберса, которая наилучшим образом объясняла все известные к тому времени факты.

Гипотеза немецкого ученого оказалась настолько правдоподобной, что существование Фаэтона считалось общепризнанным до 1944 года, до появления космологической теории О. Ю. Шмидта, который трактовал возникновение астероидов иначе. Согласно этой теории, астероиды – не обломки Фаэтона, а материя некой необразовавшейся планеты. На заре рождения планет, примерно 4 миллиарда лет назад, молодое Солнце было окружено газопылевым облаком. Из-за относительно небольших скоростей пылинки начали быстро слипаться, образовав космические тела, по размерам сравнимые с современными астероидами. Быстрее всего процесс рождения этих тел шел в районе орбиты нынешнего Юпитера, где образовалась самая крупная планета. Растущий Юпитер со временем стал выталкивать протоастероиды из зоны своего влитания, породив среди них хаотическое движение. Они уже не могли объединиться, процесс дробления стал преобладать над процессом роста. Часть протоастероидов покинула Солнечную систему, другая часть время от времени возвращается в виде комет, достигая Земли.

Изучение упавших метеоритов стало одним из способов выяснить, существовала ли планета Фаэтон. Академик А. Заварницкий, опираясь на анализ состава метеоритов, попытался реконструировать строение погибшей планеты. Железные метеориты он считал осколками планетного ядра, каменные – остатками коры, а железокаменные – мантии.

Наука, доказывая реальность существования в прошлом Фаэтона, опирается на тот факт, что выпавшие на Землю метеориты имеют только два класса значений средних плотностей, которые могли возникнуть только при разрушении оболочки и ядра небесного тела, то есть метеориты являются частью одной планеты, в составе которой они прошли процессы уплотнения, переплавки, смешивания и кристаллизации.

Палеонтологи обнаружили в каменных материях окаменевшие бактерии, похожие на земные цианобактерии. Подобного рода микроорганизмы живут в горных породах и горячих источниках, питаясь за счет химических реакций и не нуждаются в кислороде и солнечном свете. Этот факт доказывает, что метеоритное вещество было образовано на крупном небесном теле и на нем существовала жизнь.

Несмотря на вышеизложенные аргументы, большинство современных ученых ставят под сомнение теорию Г. Ольберса. В 70-х годах XX века стало преобладать мнение, что Фаэтона не существовало, а были остатки непрореагировавшего первичного вещества протосолнечной туманности, из которого и возникло Астероидное кольцо между Марсом и Юпитером.

Московский астроном А. Н. Чибисов, используя методы небесной механики, попытался «собрать» астероиды вместе и определить приблизительную орбиту родительской планеты. Он пришел к выводу, что невозможно определить ни область, где взорвалась планета, ни орбиту, по которой она двигалась до взрыва.

Азербайджанский ученый И. Ф. Султанов подошел к этому вопросу с другой стороны. Он рассчитал, как должны распределиться в пространстве осколки при взрыве планеты. Полученные данные сравнили с существующим распределением астероидов. Результат оказался не в пользу теории Г. Ольберса.

Но в начале 70-х годов XX века астрономы вычислили гипотетическую массу планеты и предположили, что разрушение произошло приблизительно 16 млн лет назад. За столь длительное время под воздействием планет орбиты астероидов запутались настолько, что восстановить начальные условия просто невозможно.

Многие защитники Фаэтона ставят под сомнение эту дату. Если Фаэтон взорвался 16 млн лет назад, то откуда взялся след от астероида, упавшего на Землю 65 млн лет назад? В качестве альтернативы они предлагают более позднюю дату – 4 млрд лет.

Нет единства среди специалистов и относительно причин гибели планеты. Одни считают, что Фаэтон погиб в результате вулканической активности, другие – что планету разорвала центробежная сила из-за слишком быстрого суточного вращения. Некоторые видят причину ее гибели в столкновении с собственным спутником или опасным сближением с Юпитером.

Рад астрономов связывают гибель Фаэтона с движением солнечной системы сквозь струйные потоки Млечного пути. Проходящая мимо звезда силой своей гравитации разрушила Фаэтон.

С таким развитием событий не согласны сторонники звездной теории, которые считают Фаэтон не обычной планетой Солнечной системы, а звездой-карликом.

Роковую роль в гибели планеты сыграл струйный поток, который был буквально нашпигован кометами. Самая большая из них нанесла по Фаэтону сокрушительный удар, в результате которого произошел взрыв. Куски разорвавшейся звезды, смешавшись с кометами, разлетелись в разные стороны. Уходя с орбиты между Марсом и Юпитером, они сталкивались с планетами Солнечной системы, оставляя на них чудовищные кратеры. Такие столкновения до неузнаваемости изуродовали ближайшую планету – Марс. Земля, по сравнению с Марсом, пострадала от столкновений меньше. Некоторые ученые связывают взрыв Фаэтона с гибелью динозавров и началом нового эволюционного витка жизненных форм на Земле.

Специалисты исследовательского центра космического агентства NASA причину гибели планеты Фаэтон видят в неустойчивости ее орбиты между Юпитером, Марсом и полосой астероидов. В результате взаимодействия планеты и астероидов последние также начали менять свои орбиты. Часть этих астероидов стала пересекать орбиту Земли и бомбардировать ее и Луну. Внеся хаос во внутреннюю часть Солнечной системы, Фаэтон исчез сам: скорее всего, двигаясь по сильно вытянутой орбите, эта планета опасно приблизилась к Солнцу и была им проглочена.

В настоящие время активно разрабатывается гипотеза, согласно которой планета Фаэтон не погибла, а продолжает существовать на внешней орбите Плутона. При переходе на новый этап развития (из планеты в звезду) около 4 млрд лет назад она «сбросила» около 10 % своей массы (кору или «скорлупу»), которая и стала поясом астероидов Солнечной системы.

До сих пор все попытки обнаружить Фаэтон заканчивались ничем, хотя присутствие в Солнечной системе постороннего гравитационного поля замечено давно. В 80-х годах прошлого века американские космические аппараты «Пионер» и «Вояджер» по мере приближения к границам Солнечной системы начинали все больше отклоняться от расчетных траекторий. Расчеты показали, что отклонения вызваны наличием гравитационного поля неизвестной планетной массы за орбитой Плутона. А в 1997 году американские астрономы объяснили, что обнаружили небольшую планету на периферии Солнечной системы. Она вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, приближаясь к нему на минимальное расстояние в 35 и удаляясь на максимальное – в 130 астрономических единиц. Возможно, эту планету и стоит считать Фаэтоном? И именно эту звезду 2000 лет назад видели волхвы с Востока, а ее описание встречается в древних хрониках? Ответы на эти вопросы и множество других, связанных с тайнами «планеты-невидимки», еще предстоит дать ученым в будущем.