Помоги проекту - поделись книгой:
Достаточно или нет темной материи для создания плоской вселенной, наблюдения, вроде тех, что получены гравитационным линзированием (напомню, что гравитационное линзирование получается в результате локального искривления пространства вокруг массивных объектов; форма Вселенной определяется глобальной средней кривизной пространства, без учета локальной ряби вокруг массивных объектов) и более поздние наблюдения в других областях астрономии подтвердили, что общее количество темной материи в галактиках и скоплениях намного превышает то, которое учитывается при расчетах нуклеосинтеза Большого Взрыва. Мы сейчас практически уверены, что темная материя — существование которой, я повторяю, было независимо подтверждено в целом ряде различных астрофизических вещей, от галактик до скоплений галактик — должна быть сделана из чего-то совершенно нового, чего-то, чего при нормальных условиях на Земле не существует. Это такой материал, который не является звездным либо земным материалом. Но это кое-что!
Эти ранние заключения о темной материи в нашей Галактике породили целую новую область экспериментальной физики, и я рад сказать, что я сыграл определенную роль в ее развитии. Как я уже упоминал выше, частицы темной материи существуют вокруг нас — в комнате, где я печатаю, так же как и «там», в космосе. Следовательно, мы можем проводить эксперименты по поиску темной материи и нового типа элементарной частицы или частиц, из которых она состоит.
Эксперименты ведутся в шахтах и тоннелях глубоко под землей. Почему под землей? Потому что на поверхности Земли нас регулярно бомбардируют всякие космические лучи, от Солнца и гораздо более дальних объектов. Поскольку темная материя, по самой своей природе, не проявляет электромагнитного взаимодействия, чтобы создавать свет, мы предполагаем, что она взаимодействует с нормальной материей чрезвычайно слабо, так что ее будет чрезвычайно трудно обнаружить. Даже если нас каждый день бомбардируют миллионы частиц темной материи, большинство из них проходит через нас и Землю, даже не «зная», что мы здесь, и не замечая нас. Таким образом, если вы хотите обнаружить проявления очень редких исключений из этого правила, частицы темной материи, которые все-таки отскакивают от атомов вещества, то вам лучше приготовиться регистрировать очень редкие и нечасто случающиеся события. Только под землей вы достаточно защищены от космических лучей, чтобы это было возможно даже в принципе.
Однако пока я это пишу, появляется не менее захватывающая возможность. Как раз сейчас запускают Большой адронный коллайдер поблизости Женевы, Швейцария, крупнейший и самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц. Но у нас есть много оснований считать, что при очень высоких энергиях столкновений протонов в этом устройстве будут воссозданы условия, аналогичные тем, что были в очень ранней Вселенной, хотя лишь в микроскопически малых областях. В таких областях те же взаимодействия, которые в очень ранней Вселенной, возможно, впервые создали то, что в настоящее время является частицами темной материи, сейчас могут создавать подобные частицы в лаборатории! Таким образом, сейчас проходит большая гонка. Кто первым обнаружит частицы темной материи: экспериментаторы глубоко под землей или экспериментаторы на Большом адронном коллайдере? Хорошей новостью является то, что, если одна группа выиграет гонку, никто не проиграет. Мы все выиграем, изучая то, что в действительности представляет собой элементарное вещество материи.
Несмотря на то, что описанные мной астрофизические исследования не раскрыли природу темной материи, они говорят нам, как долго она существует. Окончательный, прямой расчет общего количества материи во Вселенной был выполнен на основе гравитационных измерений линзирования, вроде тех, что я описал, в сочетании с другими наблюдениями рентгеновского излучения из скоплений. Независимые подсчеты общей массы скоплений возможны потому, что температура газа в скоплениях, производящих рентгеновские лучи, связана с общей массой системы, из которой они излучаются. Результаты оказались неожиданными, и, как я уже упоминал, разочаровывающими для многих из нас, ученых. Поскольку, когда все прояснилось, в прямом и переносном смысле, общая масса галактик и скоплений, и вещества вокруг них, была оценена примерно в 30 процентов от общего количества массы, необходимой, чтобы привести к образованию плоской Вселенной сегодня. (Заметьте, что это более чем в 40 раз больше массы, которая могла бы считаться видимой материей, что, следовательно, составляет менее 1 процента от массы, необходимой для образования плоской вселенной.)
Эйнштейн был бы поражен, узнав, что его «небольшая публикация» в конечном счете была далеко не бесполезной. Дополненный новыми замечательными инструментами экспериментов и наблюдений, открывшими нам новые окна в космос, новыми теоретическими разработками, которые бы поразили и восхитили Эйнштейна, и открытием темной материи, которое, наверняка, подняло бы его кровяное давление, маленький шаг Эйнштейна в мир искривленного пространства, в конечном счете, превратился в гигантский скачок. В начале 1990-х годов Святой Грааль космологии, по-видимому, был обретен. Наблюдениями было установлено, что мы живем в открытой Вселенной, которая поэтому будет расширяться вечно. Или нет?
Глава 3: Свет от начала времен
И ныне, и присно, и во веки веков.
Если вы размышляете, пытаясь определить общую кривизну Вселенной, измеряя содержащуюся в ней общую массу, а затем используя уравнения общей теории относительности, отматывание пленки назад имеет огромные потенциальные проблемы. Вы неизбежно должны задаться вопросом, скрыта ли материя так, что мы не можем ее обнаружить. Например, мы можем исследовать наличие материи в этих системах, используя гравитационную динамику видимых систем, таких как галактики и скопления. Если значительная масса каким-то образом находится в другом месте, мы ее пропустим. Было бы гораздо лучше непосредственно измерить геометрию всей видимой Вселенной.
Но как можно измерить трехмерную геометрию всей видимой Вселенной? Легче начать с более простого вопроса: как бы вы определили, что двумерный объект, такой как поверхность Земли, был изогнут, если бы не могли обойти вокруг Земли и не могли подняться над ней в спутнике и посмотреть вниз?
Во-первых, вы могли бы спросить ученика средней школы, какова сумма углов в треугольнике? (Только выбирайте среднюю школу тщательно… Европейская школа подойдет.) Вам бы сказали, что 180 градусов, потому что ученик, без сомнения, изучал евклидову геометрию — геометрию, ограниченную плоским листом бумаги. На изогнутой двумерной поверхности, такой как глобус, вы можете нарисовать треугольник, сумма углов которого намного больше, чем 180 градусов. Рассмотрим, например, линию, нарисованную вдоль экватора, затем идущую под прямым углом, доходящую до Северного полюса, а затем идущую еще под прямым углом на юг к экватору, как показано ниже. Три раза по 90 дает 270, намного больше, чем 180 градусов. Вуаля!
Оказывается, это просто, двумерное мышление распространяется прямо и одинаково на три измерения, потому что математики, которые впервые предложили неплоскую, или так называемую неевклидову, геометрию поняли, что одни и те же возможности могут существовать в трех измерениях. Кстати, самый известный математик девятнадцатого века, Карл Фридрих Гаусс, был так очарован возможностью, что наша Вселенная может быть изогнута, что взял данные карт геодезической съемки за 1820-е и 30-е годы, чтобы измерить большие треугольники между немецкими горными вершинами Hoher Hagen, Inselberg и Bracken, и определить, может ли он обнаружить какую-либо кривизну самого пространства. Конечно, тот факт, что эти горы находятся на изогнутой поверхности Земли, означает, что двумерная кривизна поверхности Земли мешала бы любым измерениям, которые он выполнял, чтобы исследовать кривизну в фоновом трехмерном пространстве, в котором находится Земля, что он должен был знать. Я предполагаю, что он планировал вычесть все такие вклады из своих конечных результатов, чтобы увидеть, мог ли быть связан какой-либо возможный остаток кривизны с искривлением фонового пространства.
Первым человеком, попытавшимся окончательно измерить кривизну пространства, был никому не известный математик Николай Иванович Лобачевский, живший в далекой Казани в России. В отличие от Гаусса, Лобачевский был фактически одним из двух математиков, имевших смелость предположить в печати возможность так называемых гиперболических криволинейных геометрий, где параллельные линии могут расходиться. Примечательно, что Лобачевский опубликовал свою работу по гиперболической геометрии (которую мы теперь называем «отрицательно искривленными» или «открытыми» вселенными) в 1830 году.
Вскоре после этого, рассматривая, может ли наша собственная трехмерная вселенная быть гиперболической, Лобачевский предположил, что есть возможность «исследовать звездный треугольник для экспериментального решения этого вопроса». Он предположил, что можно воспользоваться наблюдениями за яркой звездой Сириус, когда Земля была по разные стороны своей орбиты вокруг Солнца, с интервалом в шесть месяцев. Исходя из наблюдений, он пришел к выводу, что кривизна нашей Вселенной должна быть,
Это большое число, но это тривиально мало по космическим масштабам. К сожалению, тогда как у Лобачевского была правильная идея, он был ограничен технологиями своего времени. Однако сто пятьдесят лет спустя ситуация улучшилась благодаря наиболее важному из всех наблюдений в космологии: измерению космического микроволнового фонового излучения, или реликтового излучения.
Реликтовое излучение — это не что иное, как остаточное свечение Большого Взрыва. Оно дает еще ряд прямых доказательств, если требуются, что Большой Взрыв действительно имел место, потому что это позволяет нам непосредственно оглянуться назад и определить природу очень молодой, горячей Вселенной, из которой позже появились все структуры, которые мы видим сегодня.
Одна из многих замечательных вещей в космическом микроволновом фоновом излучении — это то, что оно было обнаружено в Нью-Джерси, кто бы мог подумать, двумя учеными, которые действительно не имели ни малейшего представления о том, что они искали. Другое дело, что оно существовало практически у всех перед носом в течение многих десятилетий, потенциально наблюдаемое, но совершенно не замечаемое. На самом деле, возможно, вы достаточно старый, что наблюдали его эффекты, не осознавая этого, если вы помните дни до кабельного телевидения, когда каналы использовали, заканчивая вещание в предрассветные утренние часы, а не запускали на всю ночь рекламные ролики. Когда эфир заканчивался, после показа телевизионной таблицы, на экран возвращались помехи. Около 1 процента этих помех, которые вы видели на экране телевизора, было излучением, оставшимся от Большого Взрыва.
Происхождение космического микроволнового фонового излучения относительно ясно. Поскольку Вселенная имеет конечный возраст (напомним, это 13 720 000 000 лет), и поскольку мы высматриваем все более удаленные объекты, мы смотрим все дальше назад во времени (так как свету требуется больше времени, чтобы добраться до нас от этих объектов), и можно представить, что если бы мы взглянули достаточно далеко, мы бы увидели сам Большой Взрыв. В принципе, это не невозможно, но на практике между нами и теми давними временами лежит стена. Не физическая стена, как стены помещения, в котором я это пишу, но стена, которая, в значительной мере, оказывает такое же воздействие.
Я не могу видеть через стены в моей комнате, потому что они непрозрачны. Они поглощают свет. Итак, когда я смотрю в небо все дальше и дальше назад во времени, я смотрю на Вселенную, когда она была все моложе и моложе, а также все горячее и горячее, потому что она охладилась со времен Большого Взрыва. Если я посмотрю назад достаточно далеко, в то время, когда Вселенной было примерно 300 000 лет, температура Вселенной была примерно на 3 000 градусов (по шкале Кельвина) выше абсолютного нуля. При этой температуре окружающее излучение обладало настолько большой энергией, что могло разбивать атомы, преобладающие во Вселенной, атомы водорода, на отдельные составляющие, протоны и электроны. До этого времени нейтральной материи не существовало. Обычная материя Вселенной, сделанная из атомных ядер и электронов, состояла из плотной «плазмы» заряженных частиц, взаимодействующих с излучением.
Плазма, однако, могла быть непрозрачной для излучения. Заряженные частицы в плазме поглощали фотоны и переизлучали их, так что излучение не могло легко проходить через такое вещество беспрепятственно. В результате, если я попытаюсь посмотреть назад во времени, я не смогу увидеть дальше времени, когда материя во Вселенной состояла в основном из такой плазмы.
Еще раз, это как стены в моей комнате. Я вижу их только потому, что электроны в атомах на поверхности стены поглощают свет от освещения в моем кабинете, а затем переизлучают его, при этом воздух между мной и стеной прозрачен, так что я могу видеть на всем протяжении до поверхности стены, излучающей свет. Так же и со Вселенной. Я могу видеть весь путь назад до той «поверхности последнего рассеяния», которая была моментом, когда Вселенная стала нейтральной, и протоны объединились с электронами в нейтральные атомы водорода. После этого момента Вселенная стала в значительной степени прозрачной для излучения, и теперь я могу видеть излучение, которое поглощалось и переизлучалось электронами, когда материя во Вселенной стала нейтральной.
Поэтому картина Большого Взрыва Вселенной предсказывает, что должно быть излучение, идущее ко мне со всех направлений от той «поверхности последнего рассеяния». Поскольку Вселенная с тех пор расширилась примерно в 1000 раз, излучение на пути к нам остыло и теперь имеет температуру около 3 градусов выше абсолютного нуля. И это именно тот сигнал, который обнаружили два незадачливых ученых в Нью-Джерси в 1965 году, и за открытие которого позднее они были удостоены Нобелевской премии.
Вообще-то, совсем недавно была присуждена вторая Нобелевская премия за наблюдение космического микроволнового фонового излучения, и не зря. Если бы мы могли сфотографировать поверхность последнего рассеяния, мы получили бы картину новорожденной Вселенной в возрасте всего лишь 300 тысяч лет от ее возникновения. Мы смогли бы увидеть все структуры, которые в один прекрасный день сжались, сформировав галактики, звезды, планеты, пришельцев и все остальное. Самое главное, эти структуры не изменялись под действием всей последующей динамической эволюции, которая может затруднить понимание природы и происхождения первых крошечных первичных возмущений в материи и энергии, которые предположительно были созданы экзотическими процессами в самые первые моменты Большого Взрыва.
Однако самое главное для нашей задачи, что на этой поверхности был бы характерный масштаб, который был бы запечатлен там ничем иным как самим временем. Можно понимать это следующим образом: если оценивать расстояние, охватывающее примерно 1 градус на поверхности последнего рассеяния, видимое наблюдателем на Земле, оно будет соответствовать расстоянию примерно в 300 000 световых лет. Итак, поскольку поверхность последнего рассеяния отражает то время, когда самой Вселенной было примерно 300 000 лет, и поскольку Эйнштейн говорит нам, что никакая информация не может перемещаться в пространстве быстрее скорости света, это означает, что никакой сигнал с одного места не мог пройти по этой поверхности за это время более чем на 300 000 световых лет.
Теперь рассмотрим комок материи меньше, чем 300 000 световых лет. Такой комок начнет сжиматься за счет собственной гравитации. Но комок больше, чем 300 тысяч световых лет, даже не начинает сжиматься, потому что он еще даже не «знает», что является комком. Гравитация, которая сама распространяется со скоростью света, не может пройти через всю длину комка. Так же, как Хитрый Койот соскакивает с обрыва и висит, подвешенный в воздухе, в мультфильмах Road Runner, комок будет просто находиться там, ожидая, чтобы сжаться, когда Вселенная станет достаточно взрослой, чтобы знать, что он должен делать!
Это выделяет особый треугольник с одной стороной 300 000 световых лет на известном расстоянии от нас, определяемом расстоянием между нами и поверхностью последнего рассеяния, как показано ниже:
Самые крупные куски материи, которые уже начали сжиматься и при этом создают неровности на изображении микроволновой фоновой поверхности, будут охватывать эту угловую величину. Если мы можем получить изображение этой поверхности, какой она выглядела в то время, мы ожидаем, что такие горячие пятна должны быть, в среднем, самыми крупными кусками, которые мы видим на фото.
Тем не менее, то, будет ли угол, охватывающий это расстояние, равен ровно 1 градусу, будет фактически определяется геометрией Вселенной. В плоской Вселенной лучи света идут по прямой линии. В открытой Вселенной, однако, лучи света изгибаются наружу, если проследить их назад во времени. В замкнутой Вселенной лучи света сходятся, если проследить их назад. Таким образом, фактический угол, измеряемый на наших глазах линейкой длиной 300 000 световых лет, находящейся на расстоянии, связанном с поверхностью последнего рассеяния, зависит от геометрии Вселенной, как показано ниже:
Это служит прямым, чистым показателем геометрии Вселенной. Поскольку размер крупнейших горячих пятен или холодных мест в изображении микроволнового фонового излучения зависит только от причинности — факта, что гравитация может распространяться только со скоростью света, и поэтому крупнейшая область, которая может сжаться за это время, определяется просто наибольшим расстоянием, на которое за это время может распространиться луч света — и поскольку угол, который мы видим, перекрываемый определенной длины линейкой на определенном расстоянии от нас, обусловлен лишь кривизной Вселенной, простое изображение поверхности последнего рассеяния может открыть нам масштабную геометрию пространства-времени.
Первым экспериментом с попыткой таких наблюдений был эксперимент с запуском воздушного шара в Антарктиде в 1997 году под названием BOOMERANG. В то время как этот акроним расшифровывается как Balloon Observations of Mllimetric Extragalactic and Geophysics, реальная причина, почему его так называли, проще. Микроволновый радиометр был прикреплен к высотному аэростату, как показано ниже:
Затем воздушный шар облетел вокруг света, что легко сделать в Антарктике. На самом деле, на Южном полюсе это действительно легко сделать, так как вы можете просто развернуться по кругу. Тем не менее, от станции Мак-Мердо полет по кругу вокруг континента с помощью полярных ветров занял две недели, после чего устройство вернулось к исходной точке, отсюда и название BOOMERANG.
Цель полета воздушного шара была проста. Чтобы получить изображение микроволнового фонового излучения, отображающее температуру на 3 градуса выше абсолютного нуля (по шкале Кельвина), не загрязненное намного более горячей материей на Земле (даже в Антарктиде температура более чем на двести градусов жарче, чем температура космического микроволнового фонового излучения), нам нужно подняться как можно дальше от Земли, и даже выше большей части земной атмосферы. В идеале для этой цели мы используем спутники, но высотные воздушные шары могут сделать большую часть работы за гораздо меньшие деньги.
В любом случае, спустя две недели BOOMERANG вернулся с изображением небольшого участка неба в микроволновом диапазоне, показывающего горячие и холодные пятна в картине излучения, поступающего от поверхности последнего рассеяния. Ниже показано одно изображение области, наблюдавшейся в эксперименте BOOMERANG (с «горячими» и «холодными» пятнами, обозначенными темным и светлым соответственно), наложенное на исходную фотографию эксперимента.
Это изображение служит двум нашим целям. Во-первых, оно отображает реальный физический масштаб горячих и холодных пятен, увиденных в небе с помощью BOOMERANG, с основным изображением для сравнения. Но оно также иллюстрирует еще один важный аспект, который можно назвать только нашей космической близорукостью. Когда мы смотрим солнечным днем, мы видим голубое небо, как показано на предыдущем изображении с воздушного шара. Но это лишь потому, что мы эволюционировали, чтобы видеть видимый свет. Причина, без сомнения, в том, что свет от поверхности нашего Солнца достигает пика в видимой области, а также в том, что многие другие длины волн света поглощаются нашей атмосферой, поэтому они не могут достичь нас на поверхности Земли. (Это большая удача для нас, так как большая часть этого излучения может быть вредным.) В любом случае, если бы мы вместо этого эволюционировали, чтобы «видеть» микроволновое излучение, образ неба, который бы мы видели, днем или ночью, при условии, что мы не смотрели бы прямо на Солнце, повторял бы непосредственно изображение поверхности последнего рассеяния, находящееся более чем в 13 млрд. световых лет от Земли. Этот «образ» был получен детектором BOOMERANG.
Первый полет BOOMERANG, сделавший это фото, был удивительно удачным. Антарктика — недружелюбная, непредсказуемая среда. В более позднем полете, в 2003 году, весь эксперимент чуть не провалился из-за неисправности воздушного шара и последующей бури. Принятое в последний момент решение избавиться от шара, прежде чем его унесет в какое-то недоступное место, спасло ситуацию, и поисково-спасательная экспедиция обнаружила научный груз на антарктической равнине и восстановила герметичный сосуд, содержащий научные данные.
Прежде чем проанализировать изображение BOOMERANG, я еще раз хочу подчеркнуть, что реальный физический размер горячих и холодных пятен, зарегистрированных на фотографии BOOMERANG, определяется простой физикой, связанной с поверхностью последнего рассеяния, а измеренные размеры горячих и холодных пятен на изображении обусловлены геометрией Вселенной. Простая двумерная аналогия может помочь в дальнейшем объяснить результат: в двумерном виде закрытая геометрия напоминает поверхность сферы, тогда как открытая геометрия напоминает поверхность седла. Если мы нарисуем треугольник на этих поверхностях, мы наблюдаем эффект, который я описал, когда прямые линии сходятся на сфере и расходятся на седле, и, конечно же, остаются прямыми на плоской поверхности:
Итак, в настоящий момент вопрос на миллион долларов звучит так: насколько велики горячие и холодные пятна на фото, сделанном BOOMERANG? Чтобы на это ответить, сотрудники BOOMERANG подготовили на своем компьютере несколько смоделированных изображений горячих и холодных пятен, которые наблюдались бы в закрытых, плоских и открытых вселенных, и сравнили их с изображением (другого цвета) фактического микроволнового излучения неба.
Если вы посмотрите на изображение смоделированной замкнутой Вселенной в левом нижнем углу, вы увидите, что в среднем пятна крупнее, чем в реальной Вселенной. Справа средний размер пятен меньше. Но, как кровать медвежонка в «Златовласке», изображение посередине, соответствующее моделируемой плоской Вселенной, подходит «в самый раз». Математически красивая вселенная, которую страстно ожидали теоретики, казалось, подтверждалась этими наблюдениями, хотя это, похоже, сильно противоречило оценкам, сделанным путем взвешивания скоплений галактик.
На самом деле, совпадение между предсказаниями для плоской Вселенной и изображением, полученным с помощью BOOMERANG, почти приводит в замешательство. Рассматривая пятна и ища самые крупные, у которых было время значительно сжаться на момент отражения от поверхности последнего рассеяния, команда BOOMERANG создала следующий график:
Данные отмечены точками. Сплошная линия предсказывает плоскую Вселенную, с наибольшим пиком около 1 градуса!
После того, как были опубликованы результаты эксперимента BOOMERANG, НАСА запустило гораздо более чувствительный спутниковый зонд для изучения микроволнового фонового излучения, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Названный в честь покойного физика из Принстона Дэвида Уилкинсона, который был одним из первых принстонских физиков, кто должен был обнаружить реликтовое излучение раньше ученых из Bell Labs, WMAP был запущен в июне 2001 года. Он был послан на расстояние в один миллион миль от Земли, где на противоположной от Солнца стороне Земли он мог наблюдать микроволновое излучение неба, не загрязненное солнечными лучами. В течение семи лет он создал изображение микроволнового излучения всего неба (а не только части неба, как это сделал BOOMERANG, поскольку BOOMERANGу мешало присутствие Земли под ним) с невиданной точностью.
Здесь все небо проецируется на плоскости, так же, как поверхность земного шара может быть спроецирована на плоской карте. Плоскость нашей галактики лежит вдоль экватора, и на 90 градусов выше плоскости нашей галактики на этой карте находится Северный полюс, а на 90 градусов ниже — Южный полюс. Изображение галактики, однако, было удалено с карты, чтобы отразить только излучение, идущее от поверхности последнего рассеяния.
Имея такие превосходные данные, можно гораздо более точно оценить геометрию Вселенной. WMAP построил график, аналогичный графику, показанному на фото BOOMERANG, подтверждающий с точностью до 1 процента, что мы живем в плоской Вселенной! Ожидания теоретиков были правильными. Хотя снова же, мы не можем игнорировать очевидную неувязку этого результата с результатом, который я описал в предыдущей главе. Взвешивание Вселенной с помощью измерения массы галактик и скоплений дает значение в 3 раза меньшее, чем масса, необходимая для плоской Вселенной. Должно быть какое-то решение.
В то время как теоретики, возможно, поздравляли друг друга за то, что догадались, что Вселенная плоская, почти никто не был готов к сюрпризу, который уготовила природа, в решении противоречивых оценок геометрии Вселенной, полученных с помощью сравнения измерений массы с прямыми измерениями кривизны. Недостающая энергия, необходимая для плоской Вселенной, оказалось, буквально скрывается у нас под носом.
Глава 4: Много шума из ничего
Чем меньше, тем лучше.
Шаг вперед, два шага назад, похоже, таковы наши поиски понимания Вселенной и придания ей точного облика. Даже несмотря на то, что наблюдения, наконец, окончательно определили кривизну нашей Вселенной — и по ходу проверили давние теоретические подозрения — даже хотя и было известно, что во Вселенной в десять раз больше материи, чем могло бы быть за счет протонов и нейтронов, даже такого огромного количества темной материи, составляющей 30 процентов того, что требуется для получения плоской Вселенной, было далеко недостаточно, чтобы объяснить всю энергию во Вселенной. Прямое определение геометрии Вселенной и последующее открытие, что Вселенная действительно плоская, означало, что 70 процентов энергии Вселенной все еще не хватает, их нет ни внутри, ни вокруг галактик или даже скоплений галактик!
Все было не настолько шокирующим, как я это представил. Еще до этих измерений кривизны Вселенной и определения общей массы скоплений в ней (как описано в главе 2) появились признаки того, что тогдашняя теоретическая картина нашей Вселенной — с достаточным количеством темной материи (как мы теперь знаем, в три раза большим, чем существует на самом деле), чтобы быть пространственно плоской — просто не согласовывалась с наблюдениями. Действительно, еще в 1995 году мы с моим коллегой Майклом Тернером из Университета Чикаго написали еретическую работу, предполагая, что такая условно принятая картина не может быть правильной, и фактически единственная возможность, которая появилась с учетом плоской Вселенной (нашим теоретическим предпочтением в то время) и наблюдений скоплений галактик с их внутренней динамикой, была гораздо более странная Вселенная, которая уходит корнями к сумасшедшей теоретической идее Альберта Эйнштейна, возникшей в 1917 году, чтобы разрешить кажущееся противоречие между предсказаниями его теории и статичной Вселенной, в которой, как он думал, мы жили, и от которой впоследствии он отказался.
Насколько я помню, нашим стремлением в то время было больше показать, что что-то не так с общепринятыми знаниями, чем предложить окончательное решение проблемы. Предположение казалось слишком сумасшедшим, чтобы действительно в него поверить, поэтому я не думаю, что кто-то был более удивлен, чем мы, когда выяснилось, три года спустя, что наша еретическое предположение было все же абсолютно правильным!
Давайте вернемся в 1917 год. Напомню, что Эйнштейн разработал общую теорию относительности, и его сердце переполняла радость, когда он обнаружил, что может объяснить прецессию перигелия Меркурия, даже когда он столкнулся с фактом, что его теория не могла объяснить статичной Вселенной, в которой, по его мнению, он жил.
Если бы у него было больше мужества отстаивать свои убеждения, он мог бы предсказать, что Вселенная не может быть статичной. Но он этого не сделал. Вместо этого он понял, что может сделать небольшое изменение в своей теории, полностью согласующееся с математическими выводами, которые изначально привели его к разработке общей теории относительности, изменение, которое, похоже, делало статичную Вселенную возможной.
Хотя детали сложны, общая структура уравнений Эйнштейна в общей теории относительности относительно проста. Левая сторона уравнений описывает кривизну Вселенной и вместе с тем силу гравитационных сил, действующих на материю и излучение. Они определяются величиной в правой части уравнения, которая отражает суммарную плотность всех видов энергии и материи во Вселенной.
Эйнштейн понял, что добавление небольшого дополнительного постоянного члена в левую часть уравнения будет представлять небольшую дополнительную постоянную силу
Эйнштейн назвал этот дополнительный член
После того, как он узнал, что Вселенная на самом деле расширяется, Эйнштейн обходился без этого члена и, как говорят, назвал решение добавить его в свои уравнения своей самой большой ошибкой.
Но избавиться от него не так просто. Это все равно что пытаться затолкать зубную пасту обратно в тюбик после того как вы ее выдавили. Все дело в том, что сейчас у нас совершенно иное представление о космологической постоянной, так что, если бы Эйнштейн не добавил этот член, то за прошедшие годы кто-то должен был бы это сделать.
Перемещение постоянной Эйнштейна из левой части его уравнений в правую — маленький шаг для математика, но гигантский скачок для физика. Хотя математически это сделать пустяк, как только этот член оказывается справа, где находятся все члены, вносящие вклад в энергию Вселенной, он представляет нечто совершенно отличное с физической точки зрения, а именно новый вклад в суммарную энергию. Но какого рода материю может отражать такой член?
Ответ —
Под
Итак, это заставляет космологическую постоянную Эйнштейна казаться еще безумнее! Любой четвероклассник скажет вам, сколько энергии содержит ничто, даже если он не знает, что такое энергия. Ответ должен быть нисколько.
Увы, большинство четвероклассников не учили квантовую механику, а также не изучали теорию относительности. Ибо, если учесть результаты специальной теории относительности Эйнштейна в квантовом пространстве, пустое пространство становится гораздо более странным, чем это было раньше. Фактически настолько странным, что даже физики, впервые обнаружившие и проанализировавшие это новое свойство, были почти готовы поверить, что оно на самом деле существует в реальном мире.
Первым человеком, успешно объединившим относительность и квантовую механику, был блестящий, немногословный британский физик-теоретик Поль Дирак, который ранее сам сыграл ведущую роль в развитии квантовой механики как теории.
Квантовая механика была разработана в период с 1912 по 1927 год, в первую очередь благодаря работам гениального и знаменитого датского физика Нильса Бора, блестящего, молодого, энергичного австрийского физика Эрвина Шредингера и немецкого физика Вернера Гейзенберга. Квантовый мир, впервые предложенный Бором и математически уточненный Шредингером и Гейзенбергом, бросает вызов всем здравомыслящим представлениям, основанным на нашем знании объектов в человеческих масштабах. Бор первым предположил, что электроны в атомах вращаются вокруг центрального ядра, как планеты вокруг Солнца, но показал, что наблюдаемые правила атомных спектров (частот света, испускаемого различными элементами) можно понять, только если электроны каким-то образом ограничены наличием стабильных орбит с фиксированным рядом «квантовых уровней» и не могут свободно постепенно приближаться к ядру. Они могут двигаться между уровнями, поглощая или испуская только дискретные частоты, или кванты, света — те самые кванты, которые в 1905 году Макс Планк впервые предложил для понимания формы излучения горячих предметов.
Однако «правила квантования» Бора были довольно узкоспециализированы. В 1920-х Шредингер и Гейзенберг независимо показали, что эти правила можно было получить из основных принципов, если электроны подчинялись правилам динамики, которые отличались от тех, что применяются для макроскопических объектов, таких как бейсбольные мячи. Электроны могут вести себя и как волны, и как частицы, как бы распространяясь в пространстве (отсюда «волновая функция» Шредингера для электронов), и было показано, что измерения свойств электронов дают лишь вероятностные результаты, с различными комбинациями разных свойств, которые не могут быть точно измерены в одно и то же время (отсюда «принцип неопределенности» Гейзенберга).
Дирак показал, что математика, предлагаемая Гейзенбергом для описания квантовых систем (за которую Гейзенберг получил в 1932 году Нобелевскую премию), может быть получена по точной аналогии с известными законами, управляющими динамикой классических макроскопических объектов. Кроме того, позже ему также удалось продемонстрировать, что математическую «волновую механику» Шредингера также можно получить похожим образом, и она была формально эквивалентна формулировке Гейзенберга. Но Дирак также знал, что замечательная квантовая механика Бора, Гейзенберга и Шредингера применима только к системам, где были уместны законы Ньютона (а не теория относительности Эйнштейна), законы, управляющие классическими системами, по аналогии с которыми были построены квантовые системы.
Дирак любил мыслить на языке математики, а не картинных образов, и когда он сосредоточился на попытках заставить квантовую механику согласоваться с законами относительности Эйнштейна, он начал работать с различными уравнениями. К ним относятся сложные многокомпонентные математические системы, которые были необходимы, чтобы учесть тот факт, что электроны имеют «спин», иначе говоря, что они вращаются, как маленькие волчки, и имеют угловой момент, и что они также могут вращаться как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки вокруг любой из осей.
В 1929 году он добился успеха. Уравнение Шредингера было красивым и точно описывало поведение электронов, движущихся со скоростью гораздо более медленной, чем свет. Дирак обнаружил, что если он превращал уравнение Шредингера в более сложное уравнение с помощью объектов, называемых матрицами — что на самом деле означало, что его уравнение в действительности описывало набор из четырех различных взаимосвязанных уравнений — он мог непротиворечиво объединить квантовую механику с относительностью, и, таким образом, в принципе, описать поведение системы, где электроны двигались на гораздо более высоких скоростях.
Однако была одна проблема. Дирак записал уравнение, предназначенное для описания поведения электронов, когда они взаимодействовали с электрическими и магнитными полями. Но для его уравнения, похоже, требовались также новые частицы, почти такие же, как электроны, но с противоположным электрическим зарядом.
В то время в природе была известна только одна элементарная частица с зарядом, противоположным электрону — протон. Но протоны не совсем похожи на электроны. Начнем с того, что они в 2000 раз тяжелее!
Дирак пришел в замешательство. В отчаянии он утверждал, что новые частицы были фактически протонами, но что каким-то образом при перемещении в пространстве взаимодействие протонов заставляло их действовать так, как будто они были тяжелее. Другим ученым, в том числе Гейзенбергу, не потребовалось много времени, чтобы показать, что это предположение не имело смысла.
Природа быстро пришла на помощь. В течение двух лет Дирак предлагал свое уравнение, а через год после того, как он капитулировал и признал, что, если его работа была верна, то должна существовать новая частица, экспериментаторы, наблюдая космические лучи, бомбардирующие Землю, обнаружили свидетельства новых частиц, идентичных электронам, но с противоположным электрическим зарядом, которых окрестили позитронами.
Дирак был оправдан, но он также признал свою прежнюю неуверенность в собственной теории, позже сказав, что его уравнение было умнее, чем он сам!
Мы теперь называем позитрон «античастицей» электрона, потому что оказалось, что открытие Дирака проявлялось повсеместно. Та же физика, что нуждается в античастице для существования электрона, нуждается в таких же частицах для существования почти всех элементарных частиц в природе. У протонов, например, есть антипротоны. Даже некоторые нейтральные частицы, такие как нейтроны, имеют античастицы. Когда частицы встречаются с античастицами, они аннигилируют в чистое излучение.
Хотя все это может звучать как научная фантастика (и антиматерия, несомненно, играет важную роль в «Звездном пути»), мы создаем античастицы все время в наших больших ускорителях частиц по всему миру. Поскольку античастицы в остальном имеют те же свойства, что и частицы, мир, сделанный из антиматерии, будет вести себя так же, как мир из материи, с антивлюбленными, сидящими в антимашинах и занимающимися любовью под анти-Луной. И это простая случайность в нашей жизни, которая, как нам кажется, вызвана гораздо более глубокими факторами, до которых мы дойдем позже, что мы живем во вселенной, которая состоит из материи, а не антиматерии, или во вселенной с равным количеством того и другого. Я хочу сказать, что в то время как антиматерия может показаться странной, она странная в том смысле, что и странные бельгийцы. На самом деле, они не странные, просто мы их редко встречаем.
Существование античастиц делает наблюдаемый мир гораздо более интересным местом, но это также делает пустое пространство гораздо более сложным.
Легендарный физик Ричард Фейнман был первым человеком, который привел нас к интуитивному пониманию того, почему теория относительности предполагает существование античастиц, и который также графически продемонстрировал, что пустое пространство не совсем пусто.
Фейнман понял, что теория относительности говорит нам, что наблюдатели, движущиеся с разной скоростью, будут по-разному измерять такие величины, как расстояние и время. Например, будет казаться, что время замедляется для объектов, движущихся очень быстро. Если каким-то образом объекты могли бы путешествовать быстрее света, они бы, казалось, двигались бы назад во времени, что является одной из причин, по которой скорость света обычно считают пределом космической скорости.
Ключевым принципом квантовой механики, однако, является принцип неопределенности Гейзенберга, который, как я уже упоминал, утверждает, что для некоторых пар величин, таких как местоположение и скорость, невозможно одновременно определить их точные значения для данной системы. С другой стороны, если вы измеряете данную систему только в фиксированный, конечный промежуток времени, вы не можете точно определить его полную энергию.
Все это означает, что, для очень короткого времени, настолько короткого, что вы не можете измерить скорость частиц с высокой точностью, квантовая механика допускает возможность, что эти частицы ведут себя так, как если бы они двигались быстрее света! Но, если они движутся быстрее света, Эйнштейн говорит нам, что они должны вести себя так, как будто они движутся назад во времени!
Фейнман был достаточно храбр, чтобы воспользоваться этой, казалось бы, сумасшедший возможностью серьезно и изучить ее последствия. Он нарисовал следующую схему электрона, движущегося с места на место, периодически ускоряющегося в середине своего путешествия до скорости, большей, чем скорость света.
Он понял, что теория относительности говорит нам, что другой наблюдатель мог бы альтернативно измерить то, что выглядело бы как показано ниже, при этом электрон будет двигаться то вперед, то назад во времени, а затем снова вперед.
Однако отрицательный заряд, движущийся назад во времени, математически эквивалентен положительному заряду, движущемуся вперед во времени! Таким образом, относительность потребовала бы наличия положительно заряженных частиц с такой же массой и другими свойствами, как у электронов.
В этом случае второй рисунок Фейнмана можно интерпретировать следующим образом: движется один электрон, потом в другой точке пространства из ничего создается пара позитрон-электрон, а затем позитрон встречает первый электрон, и оба аннигилируют. Впоследствии остается один движущийся электрон.
Если вас это не смущает, то необходимо учитывать следующее: на некоторое время, даже если у вас вначале только одна частица, и одна частица в конце, в течение короткого времени есть три движущихся частицы:
В краткий момент посредине, по крайней мере на некоторое время, что-то рождается из ничего! Фейнман красиво описывает этот очевидный парадокс в своей работе «Теория позитронов» (1949 г.), используя восхитительную военную аналогию:
Поделиться книгой: