Книга Астрофизика начинающим: как понять Вселенную - Грегори Мон

Открытие «ускоряющихся» сверхновых стало первым прямым указанием на то, что странная новая сила, противостоящая тяготению, действует во всей Вселенной. Космологическая постоянная оказалась реальностью. Она заслуживала лучшего имени, и сегодня мы называем ее темной энергией.

Вселенная как горячее какао: чашка горячего какао со взбитыми сливками, посыпанного корицей. Какао: 68 %, взбитые сливки: 27 %, корица: 5 %.

Самые точные на сегодняшний день измерения показывают, что темная энергия занимает во Вселенной главное место. Вселенная состоит из вещества и энергии. Когда мы суммируем всю массу-энергию Вселенной, получается, что на долю темной энергии сейчас приходится 68 %. Доля темной материи составляет 27 %. Обычное вещество – это всего 5 % Вселенной.

Все обычное вещество, все то, что мы видим, ощущаем, вдыхаем, – всего лишь маленький кусочек космоса.

А что же это за таинственная сила? Этого никто не знает. Ближе всего к ее разгадке идея, что темная энергия создается космическим вакуумом. В главе 4 мы обсуждали не только опасности межгалактического пространства, но и все, что происходит в этой с виду пустой космической среде. Частицы и античастицы внезапно появляются из ничего и уничтожают друг друга. Каждая пара таких частиц создает крохотное направленное вовне давление. Возможно, если сложить воедино все эти исчезающе малые толчки, происходящие по всей Вселенной, и получится достаточно, чтобы объяснить темную энергию.

Эта идея выглядит разумной. К сожалению, когда вы оцените общую величину этого «давления вакуума», результат получится абсурдно огромным – намного превосходящим наши оценки полной величины темной энергии. Не считая моего эксперимента с пелериной Майти Мауса, это будет величайшее несоответствие между теорией и наблюдениями в истории науки. Так что «давление вакуума» не может претендовать на роль темной энергии.

Да, мы в растерянности.

Но все же какие-то выходы из тупика намечаются. Ведь идея темной энергии происходит из одной из лучших моделей Вселенной, которая когда-либо была создана: общей теории относительности Эйнштейна. Темная энергия – это космологическая постоянная. И чем бы в конце концов она ни оказалась, мы уже знаем, как ее измерить. Нам известно, как предсказать ее воздействие на прошлое, настоящее и будущее космоса.

Почему это так здорово – быть в растерянности

Вы, возможно, заметили, что я употребляю слово «растерянность» уже не в первый раз. Люди часто думают, что ученые агрессивны и всегда уверены в себе. Но на самом деле нам нравится, когда Вселенная загоняет нас в тупик. Мы любим быть в растерянности и недоумении. Это совершенно восхитительно. Это именно то чувство, которое каждый день гонит нас за работу. Если вы ученый, вы должны научиться принимать состояние незнания и радоваться ему. Ведь если вы знаете все ответы, вам не над чем работать и остается просто сидеть дома.

И охота идет. Теперь, когда мы знаем, что темная энергия – это реальность, множество групп астрофизиков вступили в гонку за то, чтобы разгадать ее секрет. Может быть, они добьются успеха. А может быть, нам потребуется альтернатива общей теории относительности. Возможно, существует теория темной энергии, которая еще ждет, когда ее откроет еще не родившийся на свет умник. А может, будущий гений как раз сейчас читает эту книгу.

7

Мои любимые элементы

В средней школе я как-то задал моему учителю вопрос, который мне казался очень простым, – вопрос о периодической таблице химических элементов. Вы увидите ее на стене в любом школьном кабинете химии или физики. На первый взгляд ее легко принять за очень запутанную настольную игру. Но это не игра. Периодическая таблица рассказывает нам обо всех 118 элементах – видах атомов во Вселенной.

В общем, я спросил учителя, откуда взялись эти элементы.

Из земной коры, ответил он.

Ясное дело. Конечно, они попали в школьную лабораторию именно оттуда. Но мне этого ответа было недостаточно. Я хотел знать, как эти элементы оказались в земной коре

Да, я был еще тот ребенок[5], и я догадывался, что ответ будет астрономическим. Элементы должны были образоваться в космосе. Но надо ли знать всю историю Вселенной, чтобы ответить на этот вопрос?

Да, надо.

Обычное вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны сбиваются в плотную кучку – ядро. Электроны крутятся по орбитам вокруг ядра. Все вместе и есть то, что мы называем атомом. Элемент – это один или больше атомов одного и того же вида, с одним и тем же количеством частиц. Самый простой элемент – водород. Он состоит из одного протона и одного электрона. Один или несколько водородных атомов вместе – это и есть элемент водород.

Водород является одним из всего трех встречающихся в природе элементов – то есть тех, что мы не получаем в лаборатории или при экспериментах, – которые образовались при Большом взрыве. Все остальные сформировались в раскаленных недрах звезд и при звездных взрывах. Периодическая таблица, этакий путеводитель по элементам – очень важное научное достижение. И все-таки то и дело даже ученый не может не думать о ней как о каком-то зоопарке, состоящем из невероятно странных, причудливых, уникальных животных, как будто выдуманных доктором Зойссом[6]. Их необычным свойствам и проявлениям нет конца.

Вот натрий, ядовитый металл, который можно резать ножом, как масло. А в другом месте таблицы – хлор, зловонный, смертельно опасный газ. Периодическая таблица показывает, что эти два смертоносных элемента могут соединяться в одну молекулу. Сама эта идея кажется кошмаром. Но, соединив их вместе, вы получаете хлористый натрий – обыкновенную столовую соль.

А водород и кислород? Первый – это взрывчатый газ. Второй помогает веществам гореть. Направьте струю кислорода на пламя – оно ярко вспыхнет. Но периодическая таблица снова показывает, что они могут соединяться. И когда вы объединяете водород с кислородом, получается просто вода, которая гасит любой огонь.