Книга Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Физика во многом сложилась как экспериментальная наука, и лишь прошлый век дал импульс развитию ее теоретической части. С течением времени физические эксперименты становились все более сложными и дорогостоящими, поэтому физикам все чаще приходилось извлекать скрытый смысл из природных явлений с помощью математических абстракций. Впрочем, довольно скоро, на протяжении второй половины прошлого столетия, физико-математический авангард теоретиков настолько сильно оторвался от основной массы исследователей, что практически потерял с ними связь. Однако при этом данная группа ученых встретилась уже со своими коллегами — математиками, решающими с помощью математических моделей различные реальные задачи, и вместе с ними ринулась на покорение следующих вершин науки.

Хотя мы часто говорим о смелости научной мысли и беспредельном полете фантазии, наши идеи, даже самые фантастические, по существу, не слишком уж далеко выходят за пределы привычного нам мира. Это проявляется и в теоретической физике, несмотря на всю необычность ее современных представлений. Например, многомерные миры в каких-то отношениях мыслятся как нечто весьма похожее на нашу четырехмерную Вселенную, только с большим числом координат. В одной из своих статей знаменитый американский физик, нобелевский лауреат Стивен Вайнберг иронически заметил, что такие представления сродни уверенности в том, что при любом контакте с космическим разумом мы встретим если не зеленых человечков, то что-нибудь похожее на жука, осьминога или какое-либо другое земное существо.

Хромосомы мира

В середине семидесятых годов прошлого века физики пришли к мысли о том, что если в природе существуют еще более мелкие объекты, чем глюоны и кварки, то они тоже должны быть связаны струнами, которые не дают им разойтись на большие расстояния и делают их, подобно кваркам и глюонам, вечными пленниками внутри самих кварков и глюонов. Их стали называть стрингами («стринг» — по-английски «струна»). Вскоре выяснилось, что такие жгуты напряженного поля могут существовать и сами по себе — как независимые «хромосомы мира».

Следы темной материи и энергии

Темная энергия темна по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, она невидима — не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны.

А. Д. Чернин, «Темная энергия вблизи нас»

«Темные гравиконцентраты» и первые галактики

«Темные века» Вселенной закончились формированием гравитационных зерен светящейся и темной материи, из которых впоследствии возникли первые галактики.

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ

Одним из самых удивительных парадоксов современного естествознания является то, что мы совершенно не знаем, из чего состоит подавляющее большинство массы окружающей нас материи. В середине прошлого века у астрономов стала крепнуть уверенность, что в глубине космоса происходит что-то непонятное, связанное с наличием в Мегагалактике некой скрытой массы, названной впоследствии темной материей. С тех пор в стане астрономов, космологов и теорфизиков (иногда к ним присоединяются и философы) не утихают споры по поводу происхождения и природы темной материи. Особенно сильно полемика о составе и роли темной материи во вселенских процессах разгорелась в последнюю четверть ушедшего века, когда ряд астрономов подвергли детальному изучению динамику вращения гигантских спиральных галактик. Вот тут выяснился еще один космический парадокс, на первый взгляд нарушающий законы небесной механики. Дело в том, что сравнительно высокая скорость вращения (по космическим меркам) должна была бы превратить «звездные острова» Метагалактики в своеобразные галактические центрифуги, выбрасывающие массы легкого межзвездного водорода на периферию. Так вот, спектральное излучение подобных микроскопических спутников, окутывающих паутиной окраины галактик, показывает, что вращаются они гораздо быстрее, чем следовало бы. Получается, что галактические частицы вращаются не как планеты Солнечной системы — по законам Кеплера, а как части некого пространственного галактического «твердого тела», «цементируемого» гравитацией темной материи (рис. 26 цв. вкл.).

Вообще говоря, темная часть вещества Метагалактики может включать и обычные небесные тела, не испускающие собственного излучения, например планеты — газовые гиганты, наподобие Юпитера, Сатурна, Нептуна и Урана.

Их существование достаточно надежно подтверждают уникальные снимки с космического телескопа Хаббла[Телескоп назван именем выдающегося американского астронома Эдвина Пауэлла Хаббла.], сделанные по результатам наземных наблюдений за светимостью ближайших звезд. В ходе подобных наблюдений астрономы иногда отмечают частичные затмения звезд, когда лучи света, идущего от них к нам, пересекают крупные планеты. Можно считать подтвержденным и существование межзвездных затмевающих тел, не обладающих собственной энергией излучения в наблюдаемом диапазоне, — они получили название «массивных компактных галообъектов».

В последнее время среди большинства ученых утвердилось мнение, что именно скрытая масса вместе с еще более таинственной темной энергией возникла почти сразу же после Большого взрыва, когда еще не существовало знакомых нам элементарных частиц и полей. Масло в огонь споров о сущности темной материи добавило открытие конца прошлого века, наглядно показавшее, что галактики — осколки Большого взрыва — не только не замедляют свой разбег, двигаясь «на излете», а, наоборот, продолжают наращивать скорость. Все это ученые связывают именно с влиянием неизвестных «темных» частиц, наполняющих Вселенную.

Сказать что-либо более определенное о материальной основе нашего мироздания пока еще очень трудно. Ведь она очень слабо взаимодействует с различными видами излучения, такими, как радиоволны, инфракрасное излучение, ультрафиолет и особенно видимый свет, чем и объясняется ее название. Однако, как и «нормальная» материя, темная составляющая Вселенной обладает вполне определенной массой, гравитационно взаимодействующей с «обычной» материей звезд, планет, малых небесных тел и газопылевых туманностей.

Все чаще предлагаются сценарии ранней эволюции нашего мира, в которых темная материя играет важнейшую роль первичных «гравитационных зерен». Именно подобные «темные гравиконцентраты» могли бы вызвать локальное увеличение пространственной плотности энергии. Избыточная плотность гравитации в таких областях новорожденного мира притягивала бы к себе все окружающее вещество, становясь зародышами будущих галактик.