Тайны открытий XX века - Александр Волков

В любом случае можно поверить в прозорливость Эдварда Уиттена, сказавшего, что в ближайшие полвека теория струн будет так же определять развитие физики, как в последние полвека его определяла квантовая теория.

Итак, теория струн, по большому счету, создана для того, чтобы сблизить гравитацию с тремя остальными фундаментальными взаимодействиями. Есть и другой подход — создание квантовой теории геометрии. В этом случае можно обойтись без конструирования дополнительных размерностей, чье существование мы пока не можем обнаружить. Зато появляются отдельные «атомы пространства».

«Пространство нельзя считать непрерывным, оно имеет структуру, напоминающую атомарную, — подчеркивает один из поборников этой теории, американский физик Ли Смолин. — В одном кубическом сантиметре, показывает несложный расчет, “атомов пространства” больше, чем кубических сантиметров в наблюдаемой нами Вселенной».

Однако и квантовая геометрия до сих пор не сформулирована окончательно. Можно лишь предположить, что М-теория, как и квантовая теория геометрии, являются лишь частными случаями некой обобщенной модели, описывающей все феномены мироздания. Если бы ее удалось создать, признался как-то британский физик Стивен Хоукинг, «это была бы формула Бога, формула, по которой Он сотворил мир».

Путь к единой формуле мироздания еще долог. Однако если вспомнить, какой путь проделала физика в XX веке — путь, увенчавшийся становлением квантовой механики и общей теории относительности, то можно предположить, что и XXI век станет временем торжества двух фундаментальных физических теорий — квантовой геометрии и обобщенной теории струн.

1.3. ЧТО ТАКОЕ ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ

Звезды, планеты и межпланетный газ составляют лишь малую часть всей массы Вселенной. Астрофизики до сих пор не знают, из чего состоит остальная часть материи. Понять ее природу предстоит в XXI веке.

Шапка-невидимка для целой Вселенной

Что такое материя? Ответ знаком со школьной скамьи. Материя — это «объективная реальность, которая… отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них» (В.И. Ленин). Однако с недавних пор астрофизики наделяют большую часть материи совершенно противоположными свойствами. Эта материя и не видима нами, и не дана нам в ощущениях. Ее можно было бы назвать «абсолютным ничто», если бы она не оказывала такого сильного гравитационного воздействия на окружающий мир. Это — незримая «темная сила», правящая миром, следовало бы сказать, вспомнив фантастический фильм.

Окружающий мир долго казался нам удивительно знакомым. Его слагали камень и металл, воздух и вода. Там, за горизонтом, материальный мир продолжался. В спектрах далеких звезд ученые с умилением обнаруживали все те же химические элементы, что известны нам на Земле. Словно сосуд, наполненный до краев песчинками, Космос был наполнен смесью одних и тех же веществ. За видимым разнообразием скрывался конгломерат электронов, нейтронов, протонов и других знакомых частиц. Расчеты космологов показали позднее, что это не так. «Большая часть мироздания состоит из материи неизвестного нам происхождения — темной материи» — таково было общее мнение. Но и оно было перечеркнуто. Сейчас мы гораздо лучше понимаем, из чего состоит Вселенная. Этому «из чего» и посвящен наш рассказ.

За последние годы мы свыклись с мыслью о том, что видимая материя — ее называют «барионной» — составляет меньшую часть Вселенной. Какими бы громадными ни казались нам звезды и галактики, они — песчинки, брошенные в океан тьмы. Все остальное — невидимый и неведомый мир, сказочное «то, не знаю что». Оно не искажает свет и не улавливает потоки частиц, не излучает электромагнитные волны и не отражает их. Безмерная шапка-невидимка накинута на весь окружающий Космос, и лишь россыпь звезд, разбросанных вокруг этого таинственного Нечто, выдает нам его очертания. Мы ощущаем неимоверную тяжесть, исходящую от него.

Это Нечто разрослось прямо на наших глазах. Первые сомнения в том, что все видимое нами и есть космический мир, зародились, когда ученые измерили скорость вращения спиральных галактик. По законам Кеплера, их центральная часть должна была вращаться быстрее периферийной. Это не подтвердилось. Очевидно, галактики были окружены массивными, но невидимыми нам скоплениями материи.

В восьмидесятые годы во Вселенной были обнаружены обширные скопления галактик. Они тоже не вписывались в привычную теорию. Так, в конце 1980-х годов на небе Северного полушария была открыта так называемая Великая стена — скопление галактик протяженностью 700 миллионов световых лет. Она напоминала полосу пены, взбитую на небосводе, и содержала тысячи галактик. Подобные структуры могли возникнуть вскоре после Большого Взрыва лишь потому, что в космосе гораздо больше материи, чем можем заметить мы. Иначе бы их не было по сей день! Очевидно, сгустки темной материи становились своего рода «центрами конденсации» при образовании галактик.

Астрономы придумывали самые разные теории, пытаясь понять природу темной материи. Недостающую массу мироздания пытались восполнить, суммируя «бурых карликов» — это несостоявшиеся звезды, крупные небесные тела, в недрах которых так и не началась термоядерная реакция, — а еще прибавляя к ним громады черных дыр и пучки нейтрино.

Однако точнейшие измерения космического фонового излучения, проведенные в 2001 году, показали, что темная материя не может быть «горячей», то есть не может состоять из нейтрино — частиц, движущихся почти со скоростью света. Нельзя ее трактовать и как совокупность массивных несветящихся объектов — «бурых карликов». Мы живем в занимательное время, подчеркивают физики, хотя общее количество темного вещества известно довольно точно, его по-прежнему невозможно идентифицировать.

Очевидно, темная материя состоит из не описанных Стандартной моделью и не открытых пока еще — небарионных — частиц, движущихся очень медленно. Эти долгоживущие частицы тяжелее нейтронов и протонов и взаимодействуют с ними посредством гравитации. Никакого иного влияния на обычное вещество они не оказывают; у них нет электрического заряда; они не взаимодействуют даже между собой. Подсчитано, что масса этих загадочных частиц должна превышать массу любой известной нам элементарной частицы. Им подобраны звучные названия: «аксионы», «нейтралино», WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, «слабо взаимодействующие массивные частицы»). «Как океан объемлет шар земной», так видимый мир кругом объят темной материей.

В 2000 году группа исследователей, работавших на итальянском детекторе DAMA под Римом, уже заявляла, что им удалось, наконец, обнаружить некие массивные частицы, из которых, наверное, и состоит темная материя. Однако это заявление не подтвердилось.

Компьютерный анализ распределения темной материи, проделанный пару лет назад американским физиком Чанг-Пэй Ма, показал, что она не рассеяна во Вселенной беспорядочно. Она во многом ведет себя, как обычная материя. Она образует галактики разной протяженности, причем преобладают небольшие галактики. Словно тени, они движутся среди обычных галактик, незримо сопровождая их. В этих галактиках может существовать множество звезд, в недрах которых никогда не начнутся термоядерные реакции.

«В отличие от барионной материи, которая концентрируется к центру Галактики, образуя классический диск, — пишет на страницах журнала «Наука и жизнь» российский астроном Л. Ксанфомалити, — темная масса распределена более равномерно в гало, охватывающем Галактику гигантской сферой.

В этом смысле вокруг и внутри нашей звездной системы находится еще одна галактика».

Различные эксперименты, быть может, позволят прояснить природу темной материи. Так, в 2005 году астрофизики из Вюрцбургского университета, анализируя данные, собранные Комптоновской обсерваторией (в 1991 — 2000 годах она вела наблюдение за гамма-вспышками), обратили внимание на то, что преобладает гамма-излучение определенного уровня энергии. Но именно так должно распределяться гамма-излучение, если в его источнике происходит аннигиляция нейтралино. Что это, первый след Неведомого Невидимого?

Было время, когда ученые говорили, что «во Вселенной есть невидимое вещество», «немалая часть Вселенной сложена из неизвестной для нас материи», «большая ее часть», «90 процентов»… И вот — последний вывод: 95 процентов! Читатель, подобно автору, живущий в стандартной двухкомнатной квартире, легко поймет астрономов, если представит себе, что все в его обители вдруг растворилось в воздухе, и лишь какой-то клочок пространства, к примеру, любимый «обломовский» диван, он еще может разглядеть.