Виктор де Касто - Pro темную материю

• Название: Pro темную материю
• Автор: Виктор де Касто
• Жанр: Образовательная литература
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-906150-74-5

Почему 22 % материи во Вселенной называют темной? Потому что ее не видно в традиционном смысле и даже в оптическом диапазоне длин волн, как видно обычную, светящуюся материю. Темная материя не принимает участия в электромагнитном взаимодействии. При этом она однозначно существует.

Еще большую долю, 74 %, в составе Вселенной занимает темная энергия, предположение о существовании которой было высказано после наблюдений за сверхновыми и расширяющейся Вселенной. Свойства этой субстанции оказались очень странными…

По мнению ряда ученых, без темной материи и темной энергии невозможно возникновение и существование самих галактик, звезд в галактиках, звездных систем, планет и жизни.

Автор увлекательно рассказывает об истории изучения Вселенной, о великих астрономах, астрофизиках и космологах, их попытках узнать или, скорее, рассчитать судьбу 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.