Текст книги "Pro темную материю"

Происхождение Вселенной

И тут мы подходим к вопросу происхождения Вселенной, который нельзя не рассмотреть в этой книге, и о котором с новой силой задумались ученые после открытия расширения Вселенной.

Давайте вкратце вспомним самые известные теории. Для начала отмечу, что ученые рассчитали количество времени, прошедшего с того момента, когда Вселенная начала существовать. Оно оказалось равным 13,73 + 0,12 миллиардов лет, и время существования Вселенной получило название «время Хаббла».

Первоначально теория Большого взрыва называлась «динамической эволюционирующей моделью» – название это условное, процесс не был хаотичным, как можно подумать, услышав название.

Стивен Хокинг, выдающийся британский физик-теоретик и популяризатор науки (род. в 1942)

В соответствии с теорией Большого взрыва ранняя Вселенная представляла собой очень однородную среду с необычайно высокими плотностью энергии, температурой и давлением. Раннюю Вселенную можно сравнить с огненным шаром, наполненным излучением и частицами. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам. Температура постепенно падала, один фазовый переход следовал за другим, образовались физические силы и элементарные частицы в их современной форме. Некоторые ученые считают, что потребовалось от 0,01 секунды до трех минут после начала Большого взрыва, чтобы появилось 98 % всей видимой материи и возникла собственно Вселенная. После еще большего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором доминирующей силой стала гравитация.

Физики так тщательно и глубоко разработали теорию Большого взрыва, что могут объяснить процессы, происходившие во Вселенной с момента, когда ей было 10–43 секунды (так называемое «планковское время»), и далее. Однако состояние космологической сингулярности в «допланковское время» классическая общая теория относительности описать не может, поэтому получается, что Большой взрыв имеет сверхъестественную природу. И это внезапное возникновение пространства, энергии, материи и времени можно объяснить только с помощью какой-то трансцендентной причины.

Согласно теории Большого взрыва, 13,73 млрд лет назад нынешней материи и энергии предшествовало сингулярное состояние, то есть плотность, давление и температура имели близкие к бесконечным значения, но, как установил знаменитый физик-теоретик Стивен Хокинг, не может быть одновременно бесконечной плотности и температуры. Если выразиться по-другому, Вселенная возникла «из ничего», точнее, из очень малого невидимого объема, меньшего, чем атом. Но что послужило толчком?

Многие очень серьезные ученые задумывались об этой причине. Она должна быть обязательно – ведь все, что имеет начало, имеет и причину. Скорее всего, она находится вне нашего физического мира. Даже воинствующий атеист Стивен Хокинг вынужден был признать, что «Если Вселенная имеет начало, то следует предположить и наличие создателя». О сверхъестественности, невозможности возникновения из «ничего» и каком-то неизвестном нам «плане» говорил и Арно Пензиас, американский радиофизик и астрофизик, лауреат Нобелевской премии по физике (1978) за открытие микроволнового фонового (реликтового) излучения).

Фред Хойл, известный британский астроном, космолог, популяризатор науки (1915–2001)

Вывод некоторых, причем очень известных, серьезных и уважаемых ученых о сверхъестественной причине возникновения Вселенной и предположение о наличии Создателя оказались столь неожиданными, что далеко не все с готовностью приняли его. Но как атомы могли случайно преобразоваться в живую материю? Необходимо вмешательство Конструктора, или Космического Разума, Абсолютного Начала, Бога – от этого суть утверждения не меняется – необходима внешняя сила для возникновения Вселенной, в том числе и разумной жизни. То есть Большой взрыв что-то должно было подтолкнуть или запустить.

Карл Саган, американский астроном, астробиолог и выдающийся популяризатор науки, один из основателей проекта по поиску внеземного разума SETI (1934–1996)

Те, кого не устроил «толчок Создателя», очень быстро выступили с другими версиями происхождения Вселенной, отличными от теории Большого взрыва. Наиболее известной космогонической моделью является теория стационарной Вселенной или Вселенная стационарного состояния Томаса Голда, Германа Бонди и Фреда Хойла (благодаря которому появился термин «Большой взрыв»), которые утверждали, что по мере разбегания галактик пустоты между ними заполняются новой материей, возникающей из ничего. Необходимая плотность этой материи остается постоянной. У такой стационарной Вселенной нет ни начала, ни конца.

Модель имела довольно серьезную поддержку среди космологов в 1950-е и 1960-е годы, но открытие реликтового излучения резко уменьшило количество ее адептов, в настоящее время сторонников у этой теории практически нет. Также появились «модель пульсирующей Вселенной» Карла Сагана, в соответствии с которой космос расширяется, затем сжимается, опять расширяется – и так до бесконечности; теория Мультивселенной, утверждающая, что имеется множество вселенных; квантовые модели Вселенной, в частности Эдварда Трайона, в соответствии с которой наша Вселенная является только частью другой, материнской, состоящей из квантового вакуума, бесконечной в пространстве и вечной.

Но теория Большого взрыва все-таки принята большинством ученых и существует почти сто лет – пусть и без объяснения первоначального толчка. Возможно, мы никогда не узнаем о том, что это было. Даже если на улице спросить первого встречного о происхождении Вселенной, он вполне может сказать про Большой взрыв, пусть и не знает, что и когда «взрывалось». Принята она была после того, как Хаббл в 1929 году открыл «разбегание» галактик.

Вселенная – голограмма или реальность?

Какое-то время тому назад появилась еще одна теория, связанная с нашей Вселенной, получившая название голографической. Ученые задались вопросом: Вселенная существует в самом деле или это иллюзия? Может, наш мир – это голограмма? То есть получалось, что Вселенная – это, возможно, всего лишь проекция на каком-то плоском экране и только кажется объемной. Этакое изображение на телеэкране или изображение на плоскости, которая только создает иллюзию трехмерного объекта.

Первым о голографической теории заговорил физик Дэвид Джозеф Бом (1917–1992) из Лондонского университета еще в 1980-е годы. На эту мысль его навел французский физик Ален Аспе.

Дэвид Бом родился в США, умер в Лондоне, он работал в Принстонском университете, в Калифорнийском университете в Беркли, в Бристольском университете. Он известен не только работами по квантовой физике, но и философии, и нейропсихологии. В последние годы жизни Бом много работал над голографической моделью Вселенной.

Ален Аспе экспериментально показал, что элементарные частицы могут мгновенно обмениваться информацией на любом расстоянии (даже миллионов световых лет). То есть налицо взаимодействие со сверхсветовой скоростью и преодоление временного барьера. Дэвид Бом высказал предположение, что такое может происходить (вразрез с теорией Эйнштейна) только если наш мир представляет собой голограмму, а каждый ее участок содержит информацию о всей Вселенной.

Ален Аспе, французский физик, специалист по квантовой оптике, теории скрытых параметров и квантовой запутанности (род. в 1947)

Следующим, кто стал заниматься этой теорией, стал голландский физик-теоретик Герард Хоофт, лауреат Нобелевской премии по физике 1999 года, в настоящее время – профессор Утрехтского университета. Потом этой моделью заинтересовался американец Леонард Сасскинд, физик-теоретик, один из создателей теории струн, который также занимался черными дырами, а сейчас преподает в Стэнфордском университета.

Этой теорией усиленно занимались в «Фермилаб» – Национальной Ускорительной Лаборатории имени Энрико Ферми; и в Германии, в частности в Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории в Ганновере. Именно в Ганновере построили гигантский интерферометр, который получил название GEO600.

Принцип действия интерферометра состоит в разделении пучка электромагнитного излучения (света, радиоволн и т. п.) с помощью того или иного устройства на два или большее количество когерентных пучков. Каждый из пучков проходит различные оптические пути и направляется на экран, создавая интерференционную картину, по которой можно установить разность фаз интерферирующих пучков в данной точке картины.

Крейг Хоган, космолог, директор Центра квартовой астрофизики «Фермилаб» полагает, что Вселенная – это голограмма, созданная из пикселов пространства – времени

Интерферометры используются в астрономии и в особенности в радиоастрономии для создания радио– и оптических телескопов с высоким разрешением. Они позволяют заменить телескоп с большой апертурой, необходимой для получения высокого разрешения, на телескопы с меньшими апертурами, соединенными по принципу интерферометра. Лазерный интерферометр, построенный в Ганновере, предназначен для сравнения путей, которые проходит свет в двух независимых 600-метровых каналах. Он лишь немного уступает своими размерами хорошо известному Большому адронному коллайдеру.

С помощью этого интерферометра физики ловят гравитационные волны, которые давно интересуют специалистов. В соответствии с теорией Эйнштейна и рядом других гравитационных теорий эти волны порождаются движением массивных тел с переменным ускорением. Это «рябь» в пространстве – времени, которая должна возникать после каких-то катаклизмов во Вселенной. Гравитационные волны свободно распространяются в пространстве со скоростью света. Гравитационные силы являются относительно слабыми по сравнению с другими, поэтому волны имеют весьма малую величину, с трудом поддающуюся обнаружению. Косвенные свидетельства их существования известны с 1970-х годов. Прямая регистрация гравитационных волн и их использование для определения параметров астрофизических процессов является важной задачей современной физики и астрономии. Впервые они были обнаружены в 2015 году.

В Ганновере действовали следующим образом. Лазерный луч разделяли на два и направляли их перпендикулярно друг другу по трубам, длина каждой из которых составляет 600 м, а потом снова сводили в один. Если волна придет, то сожмет пространство в одном направлении и растянет в перпендикулярном ему, а расстояния, проходимые лучами, изменятся. Это должно быть видно на интерференционной картинке. Предполагалось, что наша Вселенная состоит из крошечных «зерен», то есть ткань пространства – времени – зернистая, подобно фотографии. Если эту «фотографию» увеличивать, то в какой-то момент картинка покажется составленной из пикселей. Длина каждого «зернышка» значительно меньше протона.

Эксперименты на интерферометре в Ганновере показали, что «зернышки» гораздо крупнее, чем предполагалось, причем в миллиарды миллиардов раз, и это скорее кубики, чем зернышки.

О «пикселах» говорил и Крейг Хоган, директор Центра астрофизики частиц «Фермилаб». По его мнению, Вселенная – это сфера, а поверхность этой сферы покрыта крошечными элементами планковской длины, каждый из которых несет в себе единицу информации (бит). Внутри сферы – созданная этими элементами голограмма. В соответствии с голографическим принципом, количество информации на поверхности сферы должно совпадать с количеством информации, содержащимся внутри сферы, а поэтому пиксели внутри должны быть больше пикселей снаружи. Крейг Хоган считал, что большие должны проявиться в экспериментах по ловле гравитационных волн в виде помех.

Его коллеги, проводившие эксперименты на интерферометре под Ганновером, подтвердили, что шум есть, и он искажает результаты. Хоган посчитал этот шум сигналом больших пикселей с ткани пространства – времени. И тогда для проверки его версии в «Фермилаб» построили своей интерферометр, правда, гораздо меньшего размера, но с более мощным лазером. Если бы все получилось так, как предполагали сторонники голографической теории, получилось бы, что в основе мироздания лежат не частицы, а волны и их взаимодействие.

Однако ткань пространства – времени ни разу не вздрогнула, из чего можно сделать вывод, что Вселенная – совсем не голограмма, а реальный объект.

Необходимость уникальных условий

Теория Большого взрыва объясняет и то, что с нами будет дальше: эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра – средней плотности материи нынешней Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого критического значения (оно существует только в теории), Вселенная будет расширяться вечно. Если же плотность превысит критическую, то процесс расширения когда-нибудь остановится, и начнется обратная фаза, сжатия, возвращающая Вселенную к исходному состоянию.

То есть имеются два сценария конца: либо Вселенная сожмется и взорвется, либо умрет «холодной смертью». Если нас ждет первый вариант, то расширение, которое продолжается сейчас, постепенно сменится сжатием, галактики станут сходиться все ближе, пока не сольются в сплошной конгломерат звезд. Небо будет становиться все ярче (но не из-за звезд, которые к тому времени уже умрут), а из-за растущего микроволнового излучения. Оно разогреет всю материю до высочайших температур, и существа, которые еще будут живы, на себе почувствуют, что такое ад. В конце – коллапс. Второй вариант – Вселенная будет расширяться вечно, звезды исчерпают ядерное топливо и остынут. Вселенная станет совершенно темной и холодной, с призрачными галактиками, разлетающимися кто куда в расширяющейся пустоте. Постепенно все объекты превратятся в пыль.

Может, все начнется сначала? И снова через миллиарды лет люди будут читать Книгу Бытия: «Земля была безвидна и пуста, и тьма над бездною; и Дух Божий носился над водою». Что было дальше? «И сказал Бог: да будет свет. И стал свет… и отделил Бог свет от тьмы».

Но Вселенная есть и мы являемся ее частью. Из чего состоит Вселенная? Из планет, звезд, других небесных (астрономических) тел, пустых зон, межзвездного газа и пыли, темной материи и темной энергии. Вся материя собрана в гравитационно связанные системы (галактики), участвующие в движении относительно общего центра масс. Точное количество галактик неизвестно, в настоящее время считается, что их свыше 100 миллиардов. Мы живем в галактике Млечный Путь, в которой, по современным оценкам, от 200 до 400 миллиардов звезд. Все звезды в галактике удерживаются силами гравитации темной материи. Одиночных галактик мало, около 95 % всех галактик образуют скопления, в которых также присутствуют темная материя и темная энергия (от 70 до 90 %), межгалактический газ и пыль (от 10 до 30 %) и собственно звезды (около 1 % от массы группы).

Наш Млечный Путь входит в группу вместе с галактикой Андромеды, объединяющей более 300 млрд звезд и расположенной на расстоянии в 2 млн световых лет от Земли, Большим Магеллановым Облаком, где 15 млрд звезд, а расстояние от Земли составляет 170 тысяч световых лет, и Малым Магеллановым Облаком, насчитывающим 5 млрд звезд, на расстоянии 200 тысяч световых лет, плюс еще 40 более мелких галактик. Наша группа входит в комплекс скоплений галактик, который называется «местным сверхскоплением», туда также входят группы галактик в созвездиях Девы и Большой Медведицы. В сверхскоплениях (которые насчитывают тысячи галактик) силы притяжения недостаточны, чтобы удержать галактики вместе, и они разлетаются под действием силы темной энергии.

Наша галактика входит в 5 % всех наблюдаемых спиральных галактик, остальные 95 % имеют эллиптическую или неправильную форму. В этих галактиках возникновение жизни крайне затруднено, в частности из-за малого количества тяжелых химических элементов и высокого уровня радиоактивного облучения.

Наша Солнечная система в спиральной галактике Млечный Путь оказалась в «нужном» месте спирального рукава и на «нужном» расстоянии от центра галактики (Солнце находится на расстоянии 26000 световых лет от него). В противном случае эта система не получила бы достаточного количества тяжелых химических элементов, которые поставляют сверхновые звезды после своего взрыва, а также фтора, который дают белые карликовые звезды, или жизнь была бы уничтожена мощными излучениями радиации и выбросами материальных частиц.

Также наше Солнце находится далеко и от опасных спиральных рукавов (во внутреннем крае так называемого «рукава Ориона»). В центре Млечного Пути находится черная дыра, в результате деятельности которой высвобождаются огромные количества рентгеновских лучей, гамма-лучей и корпускулярного излучения, а они смертельны для жизни. Также в центре галактики и ее спиральных рукавах взрывается много сверхновых звезд. Солнечная система находится на круге, где период вращения рукавов практически совпадает с периодом обращения системы вокруг ядра галактики – другими словами, наше Солнце очень редко проходит сквозь рукава, в отличие от большинства звезд Млечного Пути. Но при этом наша Солнечная система не находится и на далекой периферии галактики (периферия – не лучшее место для возникновения жизни, так как там мало звезд, скорость возникновения новых, от которых поступает «строительный» материал для планет, намного меньше).

Чтобы на какой-то планете могла существовать жизнь, ее звезда должна обладать уникальным набором характеристик. К ним относятся масса, излучение, состав, орбита, расстояние до планеты, тип галактики и определенная позиция в ней; также звезда должна была сформироваться в строго определенный момент развития галактики. Звезда должна быть одиночной (в нашей галактике таких только 25 %).

Наше Солнце обладает необходимыми характеристиками и является огромной редкостью с точки зрения астробиологии. До настоящего времени, несмотря на многолетние и усиленные поиски, астрономам не удалось обнаружить вторую звезду, характеристики которой совпали бы с параметрами Солнца, которое относится к желтым карликам класса G.

Солнце также входит в 10 % самых массивных звезд нашей галактики, однако отмечу, что чем больше масса звезды (например, на 20 % больше солнечной), тем меньше ее «жизненный цикл» (примерно 2 млрд лет вместо 10 млрд), ее яркость будет меняться сильнее, ультрафиолетовое излучение, вредное для жизни, окажется мощнее.

Солнце – молодая звезда, оно относится к звездам третьего поколения, то есть образовалось из останков звезд первого и второго поколений. Это произошло примерно 4,59 млрд лет назад при быстром сжатии облака молекулярного водорода под действием сил гравитации. По сравнению с другими звездами такого возраста в нашем районе галактики, Солнце отличается высоким содержанием тяжелых элементов, в частности, железа, никеля, магния, алюминия, натрия, кальция, хрома и ряда других, вращается по более циркулярной орбите, совершая полный оборот за 200 млн лет.

Состояние нашей звезды намного стабильнее большинства сопоставимых звезд, так как в течение солнечного цикла интенсивность излучения примерно постоянна, увеличиваясь в момент максимума всего на 0,1 %. В ядре Солнца постоянно происходит превращение водорода в гелий, первый составляет примерно 73 % от всей массы Солнца, а второй примерно 25 %. Если выразиться по-другому, то при температуре более 14 млн градусов осуществляется термоядерная реакция, в результате которой из четырех протонов образуется гелий-4. Каждую секунду около 4 млн тонн вещества превращается в лучистую энергию, генерируется солнечное излучение. Оно несет Земле жизненно необходимую энергию соответствующего спектра и интенсивности.

Уникальным является не только Солнце, но и наша Земля – и звезда, и планета оказались в максимально пригодном для жизни месте. Земля находится на оптимальном расстоянии от Солнца (150 млн километров), в так называемой «околозвездной обитаемой зоне», и постоянное пребывание в этой зоне важно для поддержания и сохранения постоянства климата. Смещение Земли всего на 2 % сделало бы жизнь на ней невозможной. Если бы Земля была ближе к Солнцу, то вся вода испарилась бы, если дальше – замерзла. Умеренная температура земной поверхности позволяет воде находиться в жидком состоянии, чего нет на других планетах. Хотя допустимо небольшое изменение скорости вращения Земли вокруг своей оси без ущерба для высокоорганизованных форм жизни.

Угол наклона земной оси тоже оптимален и составляет 23,5 градуса относительно перпендикуляра к плоскости орбиты. Благодаря углу наклона земной оси обеспечиваются хорошие климатические условия на большей части поверхности планеты. Оптимальными оказались и размеры, и масса нашей планеты. Диаметр составляет 12,5 тысяч км, а масса = 5,97 × 1024 кг. Если бы эти показатели были меньше, то у Земли не было бы атмосферы (как, например, ее нет у Луны). Если показатели были бы больше, то в атмосфере сохранились бы ядовитые газы (метан, аммиак, водород).

Кроме того, планета с недостаточной массой не может удержать внутреннее тепло и быстро остывает. Железное расплавленное ядро планеты создает магнитное поле, защищающее ее биосферу от губительного воздействия космических лучей, заряженных частиц солнечного ветра, жесткого рентгеновского излучения. Наша планета уникальна и своей атмосферой – соотношением в ней объемов кислорода и азота, уровнями углекислого газа, водяного пара, озона. При меньшем количестве кислорода в воздухе (менее 21 % атмосферы) задохнулись бы крупные млекопитающие, при увеличении количества кислорода планета страдала бы от постоянных пожаров. Особенный состав земной атмосферы (в частности, наличие озона) обеспечивает поглощение рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Уникальны наши морская и пресная вода, при этом многие полезные для жизни вещества очень хорошо растворяются в воде, а вредные растворяются плохо. Пары воды легче сухого воздуха, что важно для переноса теплоты и круговорота воды на планете, а атмосфера не дает воде улетучиться в космос.

Из сказанного можно сделать вывод, что для существования Вселенной, галактики и обитаемой планеты необходимы уникальные условия. Регулярные научные наблюдения позволили открыть 26 параметров, которые должны иметь строго определенные значения для существования Вселенной и жизни в ней. Это: постоянная сильного и слабого ядерного взаимодействия, постоянная гравитационного взаимодействия, постоянная электромагнитного взаимодействия; отношение массы нейтрона к массе протона, протона к массе электрона, отношение количества протонов к количеству электронов и ряд других параметров. Они должны иметь строго постоянные значения!

Например, если бы сильное ядерное взаимодействие (сила, определяющая степень притяжения протонов и нейтронов в ядре атома) было всего на 2 % слабее существующего, то протоны и нейтроны не смогли бы удержаться вместе и во Вселенной существовал бы только один элемент. Это был бы водород, ядро атома которого состоит из одного протона, а нейтрона не имеет. Если бы, наоборот, сильное ядерное взаимодействие было всего на 0,3 % сильнее существующего, то протоны и нейтроны притягивались бы друг к другу с такой силой, что во Вселенной не было бы водорода. Жизнь без водорода невозможна и она также невозможна, если единственным элементом является водород. А если бы, например, протоны оказались тяжелее нейтронов, то они превратились бы в нейтроны, но без протонов было бы невозможным существование атомов и молекул. Соотношение между количеством протонов и электронов должно быть точным – галактики, звезды и планеты никогда бы не образовались, если бы количество протонов не равнялось количеству электронов.

Жизнь на Земле была бы невозможна, если бы не 41 физический и космологический параметр, каждый из которых должен иметь вполне определенное значение. Американский астрофизик Хью Росс рассчитал вероятность случайного совпадения 41 такой характеристики и получил величину, равную 10–53. Отмечу, что ученые считают практически невозможной вероятность события, меньшую, чем 10–40. Примерное количество планет во Вселенной составляет 1020. Есть ли где-то условия для возникновения жизни, как в нашей галактике, нашей Солнечной системе, на нашей Земле? Это могло произойти без вмешательства Высшего разума? Отмечу, что в наши дни многие ученые приходят к вере благодаря занятиям наукой, которая вескими научными фактами подтверждает «толчок Создателя».