Pro темную материю

В 1774 году Шарль Мессье (1730–1817), французский астроном, член Парижской Академии наук, опубликовал первое издание каталога туманностей и звездных скоплений. Этот каталог содержал 45 объектов. Второе издание (1780) включало 68 объектов. В 1781 году вышло третье издание с 103 объектами. В современной версии каталога содержится 110 объектов, и 60 из них были открыты самим Мессье. Ученый считал, что туманности могут отвлечь астрономов, пытающихся увидеть кометы. Его самого называли «охотником за кометами» или «ловцом комет». Он единолично открыл 15 комет, 5 – одновременно с другими наблюдателями, а в целом наблюдал 44 кометы.

Вначале все объекты в каталоге назывались туманностями, потом астрономы определили, что часть из них – это скопления звезд. Другие оставались тайной, даже с усовершенствованием телескопов. Высказывались версии о том, что это облака газа, находящиеся в процессе превращения в звезды в нашей галактике. Другая версия – это скопления звезд, отдельные от присутствующих в нашей галактике, но не уступающие им по масштабности. Астрономическое сообщество раскололось на две части, пытаясь выбрать правильный ответ.

В 1923 году Эдвин Хаббл, о котором речь еще впереди, нашел ответ на вопрос с помощью эмпирических доказательств.

Эдвин Хаббл, выдающийся американский астроном (1889–1953)

До Хаббла большинство ученых считали Вселенную состоящей только из одной галактики Млечный Путь. Кроме туманности Андромеды, он наблюдал еще несколько спиральных галактик. Эти наблюдения, сделанные в 1922–1923 годах, убедительно подтвердили, что туманности находятся слишком далеко, чтобы являться частью Млечного Пути, и в действительности представляют собой отдельные галактики за пределами нашей собственной. Он использовал крупнейший телескоп в мире (на тот момент), диаметр которого составлял 2,5 метра. Телескоп находился в обсерватории Маунт-Вильсон в городе Пасадена, Калифорния. Хаббл сделал фотографию туманности Андромеды, которая в каталоге Мессье значилась под номером М31. Хабблу показалось, что он обнаружил новую звезду, поэтому на следующую ночь сделал еще одну фотографию. Затем сравнил эти снимки и другие фотографии туманности, сделанные в различные даты, и пришел к выводу, что никакой новой звезды он не открыл, а наблюдал вид меняющейся. Она пульсировала, становилась то более яркой, то более темной, причем эти изменения происходили с постоянными интервалами. То есть Хаббл идентифицировал класс пульсирующих переменных звезд (цефеид). Цефеиды – желтые яркие гиганты, в 103–105 раз ярче Солнца, блеск которых меняется с периодом 1–200 суток. Причиной переменности является пульсация внешних слоев, что приводит к изменению радиуса и температуры их фотосфер. В цикле пульсации звезда становится больше и холоднее или меньше и горячее. Одна из самых известных цефеид – Полярная звезда.

Генриетта Суон Ливитт, американский астроном, известная работами по изучению переменных звезд (1868–1921)

Открытия Хаббла фундаментальным образом изменили научное видение Вселенной, хотя очень многие поначалу спорили.

В 1908 году Генриетта Суон Ливитт, американский астроном, работавшая в Гарвардской обсерватории, определила соотношение между периодом пульсации цефеид и абсолютной яркостью переменной звезды: чем дольше период, тем ярче переменная звезда. Фактически Ливитт занималась упорядочиванием каталога фотопластинок с изображениями звезд, определяя их блеск. Ливитт открыла более 2400 переменных звезд, причем большая их часть находится в Магеллановых Облаках. Она в частности использовала снимки, сделанные в одной из обсерваторий Перу, а не только Гарвардской обсерватории, где работала до конца жизни. Открытие ею упомянутой выше зависимости, которую иногда также называют зависимостью между периодом изменения блеска и светимостью звезды, помогло астрономам в измерении расстояний как в нашей галактике, так и за ее пределами.

Астрономы смогли измерять светимость и сравнивать ее с другим количественным взаимоотношением – между яркостью и расстоянием. Источник света, находящийся в два раза дальше, чем другой источник света с такой же светимостью (это звездная величина), имеет одну четверть яркости второго. Источник света, находящийся в три раза дальше, имеет одну девятую яркости. Источник света, расположенный в четыре раза дальше, имеет одну шестнадцатую яркости, и так далее. Если вы знаете, как часто пульсирует переменная звезда (то есть меняется ее блеск), то вы знаете и насколько яркой она является относительно других переменных звезд. Если вы знаете, насколько она яркая относительно других переменных звезд, то вы знаете, насколько она удалена от них.

Весто Мелвин Слайфер, американский астроном, специалист по астроспектроскопии (1875–1969)

Когда Хаббл сравнил период пульсации (изменения блеска) цефеиды, обозначенной у Мессье М31, с периодами пульсации других переменных звезд, то пришел к выводу, что эта переменная звезда находится на достаточном удалении, то есть за пределами островной вселенной – или, как мы сказали бы теперь, «нашей островной вселенной».

Хаббл снова вернулся к изучению фотопластинки, которую сделал в ту памятную ночь, и в результате объявил, что М31 – это отдельная островная вселенная. С этого времени ученые стали говорить о галактиках.

Можно считать, что работающая как часы Вселенная Ньютона стала распадаться на части в 1929 году. Хаббл продолжал исследование островных вселенных, в особенности необъяснимых измерений, которое астрономы делали уже более десяти лет.

В 1912 году американский астроном Весто Мелвин Слайфер начал исследовать туманности с помощью спектроскопии. Большую часть жизни он проработал в частной астрономической обсерватории Лоуэлла, расположенной во Флагстаффе, Аризона. Это одна из старейших обсерваторий США, основанная в 1894 году.

Слайфер считается одним из самых известных – или даже самым известным мастером астроспектроскопии. Он оставил после себя труды по спектроскопии планет, звезд и туманностей. Слайфер изучил спектры излучения ночного неба, полярных сияний, большого числа звезд и комет. Используя методы спектроскопии, Слайфер определил скорости и периоды осевого вращения таких планет, как Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран. Он первым получил фотографии спектров больших планет с достаточно высокой дисперсией, подтверждение присутствия межзвездных линий кальция в спектрах большого числа звезд, открыл межзвездный натрий. Он обнаружил, что некоторые диффузные туманности имеют спектр, схожий со спектром звезд, первым измерил высокие лучевые скорости шаровых скоплений и спиральных туманностей. В 1913 году Слайфер получил для туманности Андромеды (М31) значение лучевой скорости, равное 300 км/с. Он одним из первых пришел к заключению, что спиральные туманности являются очень далекими звездными системами. Открытие им огромных пространственных скоростей галактик явилось наблюдательной основой теории расширяющейся Вселенной, которую предложил Хаббл. Слайфер также впервые получил доказательства вращения галактик и измерил его скорость для туманности Андромеды.

Спектрограф, которым пользовался ученый, измерял длину волн, идущих от источника света. Световые волны во многом напоминают звуковые волны паровозного свистка, который вы слышите, когда поезд приближается к станции или отходит от нее. Световые волны точно так же сжимаются и растягиваются в зависимости от того, приближается к вам свет или удаляется от вас. Скорость световых волн не меняется, она остается одной и той же – 186 282 мили в секунду (или 299 792 км в секунду). Меняется длина волн. А поскольку длина световых волн определяет цвета, воспринимаемые нашими глазами, кажется, что цвет источника света тоже меняется. Если источник света приближается, то волны сжимаются, а спектрометр показывает смещение к фиолетовому (холодному) концу спектра. Если источник удаляется, то волны расслабляются, и спектрометр зафиксирует смещение в красную сторону спектра. То есть красное смещение возникает, когда расстояние между источником излучения и его приемником (наблюдателем) увеличивается.

А поскольку скорость источника света по мере движения к нам или от нас увеличивается, увеличивается и смещение в одну или другую сторону спектра. Слайфер обнаружил красное смещение в спектрах галактик в 1912–14 годах, потом и другие астрономы показали, что в ряде туманностей наблюдается значительное красное смещение, а это показывает, что галактики удаляются от нас на больших скоростях. Наибольшее красное смещение наблюдается в спектрах далеких внегалактических объектов и в настоящее время рассматривается как следствие космологического расширения Вселенной.

Но вернемся к Хабблу. Теперь он уже знал, что туманности – это галактики, и задумался о том, что может означать их движение. Он сравнил скорости восемнадцати туманностей с расстояниями и оказалось, что эти два показателя прямо пропорциональны друг другу: чем дальше галактика, тем скорее она удаляется. Другими словами, Вселенная, похоже, расширяется. Зависимость между красным смещением галактик и расстоянием до них поучила название закона Хаббла.

Внезапно оказалось, что Вселенная не является неподвижной и постоянной. Она меняется! Картинки сменяют друг друга, и никто не знает, что будет в следующую «минуту».

В прошлое вернуться нельзя – можно наблюдать только явления, происходящие в настоящем, пытаться найти математические методы, которые объяснят его и, возможно, помогут предсказать будущее.

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.