Темная история темной материи
Создавая общую теорию относительности, Альберт Эйнштейн (Albert Einstein) и не предполагал, что спустя много лет после вывода гениального (но, увы, сомнительного) комплекса уравнений в научном сообществе разгорятся нешуточные баталии вокруг подозрительного элемента – космологической постоянной (лямбда-члена), призванной символизировать воздействие некоего поля на все элементы и объекты Вселенной. Загадочная сущность обладает невероятными характеристиками: не обнаруживается, невидима и черпает энергию из ниоткуда...
Предполагается, что первоначально Вселенная выглядела как сгусток материи, который затем взорвался (см. врезку «Графическая история Вселенной»). Соответствующее событие назвали Большим взрывом (Big Bang). Говоря простым языком, он разметал материю во все стороны с такой силой, что та продолжает разлетаться и спустя миллиарды лет.
А доказал это в 1929 году Эдвин Хаббл (Edwin Powell Hubble), тот самый, в честь которого назвали известнейший телескоп. Он опроверг эйнштейновскую теорию – классик полагал, что расположение объектов в космосе статично, ибо только такой подход позволял объяснить в 1916 году астрофизические процессы.
Но надо сказать, что и до Хаббла советский физик Александр Александрович Фридман (увы, не дожил до открытия американца) построил собственную модель, в которой изначально предполагалось наличие движения. Эйнштейну же пришлось скрепя сердце признать: «Введение космологической постоянной было моей величайшей ошибкой». Как оказалось впоследствии – совершенно напрасно! Ныне астрофизики пользуются уравнениями Фридмана и де Ситтера как наиболее подходящими для описания процесса расширения Вселенной, подгоняя ситуацию под теории Эйнштейна и Ньютона.
Учитывая небезупречность всех теорий – например, ничем не объяснить, что края галактик движутся быстрее, чем должно быть по расчетам согласно Фрицу Цвикки (Fritz Zwicky) и Вере Рубин (Vera Cooper Rubin), – ученые признали существование некоего вещества с загадочными свойствами и принялись искать феномену объяснение. Так, одна из версий гласит, что темная материя действительно не «светится» ни в одном из диапазонов (многие объекты во Вселенной тоже не видны, черные дыры, например, но их существование бесспорно). Другая предполагает, что темная материя состоит из неизвестных науке невидимых частиц (коих только в теории описано великое множество). Но все-таки астрофизики ухитрились обнаружить невидимку, воспользовавшись явлением гравитационного линзирования. Удалось даже построить трехмерную модель распределения в пространстве.
Соответственно, объяснили и поведение галактик, в том числе процесс их образования. Дело в том, что на некоторых участках плотность вещества выше и, благодаря гравитации, они «схлопываются» в звезды (чем объяснили идентичность размеров небесных светил), а аналогичное коллапсирование темной материи (у которой плотность выше, чем у газа) собирает звезды в более крупные структуры – галактики.
Во вторую очередь объяснили поведение Вселенной: благодаря тому что темная материя обладает большой массой, она (согласно законам гравитации опять же) тормозит разлет материи. Тут же возникла еще одна теория, согласно которой этот процесс спустя какое-то время станет обратимым и Вселенная снова схлопнется в комок сверхвещества. До следующего Большого взрыва.
Однако опасения оказались напрасными. В 1998 году американские астрофизики убедительно доказали, что еще 5 млрд лет назад Вселенная начала расширяться со все возрастающим ускорением и процесс не прекращается до сих пор. Итак, теорию схлопывания опровергли – но возникла другая проблема: подобное ускорение можно было объяснить лишь наличием неизвестного источника энергии, подталкивающего частицы Вселенной...
От темной материи до идеи темной энергии было рукой подать, и в 2011 году те же первооткрыватели получили Нобелевскую премию, а пресловутый лямбда-член был возвращен в уравнения ОТО (разумеется, с посмертной реабилитацией репутации автора). Единственный вопрос – непонятны источник этой энергии и ее природа: то ли сам вакуум, то ли непостижимое скалярное поле с динамически меняющейся структурой?
В общем, поиски продолжаются. Свежие новости появились в марте 2013 года, когда пришли результаты от космической обсерватории «Планк». Обработав их посредством космологической модели «Лямбда-CDM», астрофизики вычислили: общая масса-энергия Вселенной состоит из темной материи (26,8%) и темной энергии (68,3%).
Да в общем-то ничего, кроме разве что приятного известия, что в ближайшие 22 млрд лет со Вселенной ничего не произойдет. Но гораздо интереснее, что выйдет у ученых, занимающихся исследованием темной материи и темной энергии. Скептики говорят, что на этом этапе все работы можно сворачивать – у человечества нет ни средств, ни методов, ни приборов для их продолжения. Оптимисты же, напротив, более чем уверены, что в ближайшие 10 лет мы подойдем к порогу грандиозного открытия, которое перевернет все представления о природе бытия, а межзвездные корабли, даровая энергия, телепортация и путешествия во времени станут обыденным делом.
Выводы
Большинство величайших открытий сделаны случайно, что в очередной раз подтвердила история «космогонической лямбды». Похоже, физики-теоретики еще на шаг приблизились к пониманию сущности нашего мира, а практики получили благодатную почву для поиска новых частиц и прочих компонентов темной материи. Правда, пока совершенно непонятно, какую пользу принесет это знание человечеству, но персонал научных городков уж точно без дела сидеть не будет.
Врезка. Графическая история Вселенной
Первый этап – Большой взрыв (примерно 13,75 млрд лет назад), начинает работать современная физика.
Второй этап – Инфляция; происходит резкое увеличение размеров Вселенной, а затем сильный нагрев.
Третий этап – Радиационное доминирование; температура начинает снижаться, образуются кварки, а потом и химические элементы.
Четвертый этап – Доминирование вещества; электромагнитное излучение отделяется от вещества и образуется реликтовый фон, возникают галактики.
Пятый этап – Наша эпоха.Опубликовано 20.05.2014