Гипотезы теории факты 140

Гипотезы теории факты 140

Загадка темного вещества
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, они – песчинки, брошенные в океан тьмы. Все остальное – невидимый и неведомый мир, сказочное «то, не знаю что». Оно не затмевает свет и не улавливает потоки частиц; оно 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 все важнее для астрономов. Оно разрослось на наших глазах. Первые сомнения в том, что все видимое нами и есть космический мир, зародились еще в 1930-е годы, когда нидерландский астроном Ян Хендрик Оорт убедился, что толщина диска Млечного Пути меньше, чем того допускает масса имеющихся здесь звезд, а работавший в США швейцарский астроном Фриц Цвикки, наблюдая за галактическим скоплением Волосы Вероники, пришел к выводу, что массы видимого вещества недостаточно, чтобы объяснить, почему все эти галактики удерживаются вместе. Однако гипотеза того же Цвикки, гласившая, что в этом скоплении галактик содержится какая-то скрытая масса – некое не видимое нами вещество – не встретила понимания у специалистов. Большинство астрономов отнеслись к его идее скептически.
Распределение темной материи в космосе
На протяжении нескольких десятилетий ученые избегали возвращаться к фактам, выявленным Оортом и Цвикки, поскольку объяснить их можно было, лишь радикально пересмотрев научную систему мира и предположив, что огромное количество вещества (или астрономических объектов?) недоступно нашему наблюдению. Точно так же физики не могут истолковать пока результаты опытов, проведенных в 2011 году в ЦЕРН и лаборатории Гран-Сассо (Швейцария / Италия), во время которых нейтрино перемещались со сверхсветовой скоростью. Может быть, и в этом случае ждать придется несколько десятилетий?
Вновь к этой загадке вернулись лишь в начале 1960-х годов, когда американский астроном Вера Рубин, анализируя, как распределяются скорости звезд в спиральных галактиках, убедилась, что они не уменьшаются по мере удаления от галактического центра, а остаются почти неизменными – около 200 километров в секунду. С этого времени в научных кругах всерьез заговорили о существовании темного вещества.
В 1980-ые годы во Вселенной были обнаружены обширные скопления галактик. Они тоже не вписывались в привычную теорию. Подобные структуры могли возникнуть вскоре после Большого взрыва лишь потому, что в космосе гораздо больше вещества, чем мы можем заметить. Иначе бы их не было и по сей день! Очевидно, сгустки темного вещества становились своего рода «центрами конденсации» при образовании галактик. Вокруг них скапливалось обычное, видимое нами вещество. Со временем эти сгустки превратились в галактики и галактические скопления. Они расположены очень причудливо. Они напоминают бусины, нанизанные на нити. Между ними зияют огромные пустоты. Мироздание, как кто-то остроумно заметил, похоже на мириаду мыльных пузырей, улетающих вдаль.
Точнейшие измерения космического фонового излучения, проведенные в 2001 году, показали, что темное вещество не может быть горячим, то есть не может состоять из нейтрино, движущихся почти со скоростью света. Нельзя его трактовать и как совокупность массивных несветящихся объектов – коричневых карликов. Мы живем в занимательное время, подчеркивают физики, хотя общее количество темного вещества известно довольно точно – Вселенная на 23 % состоит из него, его по-прежнему невозможно идентифицировать.
До недавних пор ученые знали о темном веществе лишь одно – что оно должно быть. Появляющиеся в последнее время модели можно назвать первыми бликами в этом темном мире неведомых субстанций. В современных суперкомпьютерах наше мироздание предстает перед нами во всей его полноте и сложности. «Поразительно, что столь изящное расположение галактик не объяснить ничем иным, кроме динамики темного вещества, – отмечает автор одной из таких компьютерных моделей, астрофизик Андрей Кравцов из Чикагского университета. – Результаты подтверждают, что наши представления о том, как формировались структуры Вселенной, – а именно теория Большого взрыва и идея расширения Вселенной, – принципиально верны. Количественный анализ показывает, что именно так шло становление крупных космических структур».
Так, например, исследователи из кембриджского Института астрономии и Базельского университета составили трехмерную модель двенадцати карликовых галактик, входящих в нашу Местную группу. Анализируя движение звезд на экране монитора, ученые попробовали оценить влияние темного вещества – той тайной силы, без которой эти коллекции небесных тел рассыпались бы в беспорядке, как… музейные экспонаты, исчезни вдруг темные остовы стеллажей, удерживающие их. По какому же каркасу скользили компьютерные светила? По пузырям из темного вещества, протянувшимся в среднем на тысячу световых лет.
Тем временем существование темного вещества подтверждают не только выкладки теоретиков, но и результаты астрономических наблюдений. В последние двадцать лет с помощью телескопа «Хаббл» не раз удавалось наблюдать близ галактических скоплений огромные светящиеся дуги, арки или круги. Масса этих скоплений так велика, что отклоняет свет, излучаемый лежащими за ними звездными системами. Астрономы говорят о так называемых «гравитационных линзах». Как показали вычисления, их масса должна быть раз в 60 больше суммарной массы звезд, образующих скопления. Таким образом, эти «линзы», вероятно, состоят в основном из темного вещества.
Первое, как полагают, прямое свидетельство существования темного вещества обнародовали в 2006 году Дуглас Клоув и Максим Маркевич. Группа американских астрономов наблюдала под их руководством за столкновением двух галактических скоплений в 3,8 миллиардах световых лет от Земли. Во время этой коллизии одно скопление прошило другое – пробило его насквозь, как пуля, а потому их конгломерат, помимо официального наименования 1Е0657—56, наградили еще и прозвищем «Пулевидное скопление».
Как известно, в галактическом скоплении масса горячего газа, находящегося между галактиками, намного превышает суммарную массу звезд галактики. Поэтому такие коллизии начинаются с того, что громадные массы газа сталкиваются друг с другом, замедляют свое движение и разогреваются. После столкновения большая часть обычного вещества образовала огненный газовый шар, он расположился посредине Пулевидного скопления, в то время как темное вещество, как и ожидали ученые, окружило его.
Это выяснилось вот почему. Такой массивный объект, как Пулевидное скопление, служит настоящей гравитационной линзой. Однако здесь основной фокусирующий эффект создавала не центральная часть скопления, где и были видны газовые массы, а периферическая, где зримого нами вещества почти не было. Очевидно, там находилось темное вещество. Оно не взаимодействует ни с обычным веществом, ни с самим собой. Поэтому, кстати, оно вообще не заметило столкновения галактик – осталось не потревожено им.
Физики выдвигают различные гипотезы, пытаясь объяснить, какими могут быть частицы, составляющие темное вещество. Однако его происхождение по-прежнему остается загадкой.
Величайшая загадка происхождения жизни
Благодаря достижениям в областях геномики и системной биологии, за первое десятилетие XXI века мы накопили много больше знаний о ключевых аспектах эволюции, чем за предыдущие полтора века. Хоть крупные скачки эволюции, такие как происхождение эукариот или происхождение животных, остаются чрезвычайно сложными проблемами, появляется все больше и больше зацепок для их решения. Вне всякого сомнения, был достигнут значительный прогресс даже в этих трудных областях эволюционной биологии[146]. Мы даже начали разрабатывать сценарии возникновения клетки, выходящие за рамки чистых спекуляций.
Тем не менее происхождение жизни, или, если быть более точным, происхождение первых репликаторных систем и происхождение трансляции, остается великой загадкой, и прогресс в решении этих проблем очень скромен – и даже, если говорить о трансляции, незначителен. Существует несколько потенциально плодотворных наблюдений и идей, таких как открытие вероятных инкубаторов жизни – сетей неорганических ячеек в гидротермальных источниках – и химическая многосторонность рибозимов, поддерживающая гипотезу мира РНК. Однако эти достижения остаются только предварительными, пусть и важными, поскольку мы даже близко не подошли к убедительному сценарию добиологической эволюции от первых органических молекул до первой репликаторной системы и от них до собственно биологических объектов, в которых хранение информации и функция разделены между различными классами молекул (нуклеиновых кислот и белков соответственно).
На мой взгляд, несмотря на все достижения, эволюционная биология является и будет оставаться крайне неполной, пока нет хотя бы правдоподобного, пусть не полностью убедительного, сценария происхождения жизни. Поиск решения этой великой загадки может вести нас в неожиданных (и глубоко противоречащих, с точки зрения биологов, здравому смыслу) направлениях, в частности к полной переоценке важнейших понятий случайности, вероятности и возможного вклада чрезвычайно редких событий, что может быть проиллюстрировано на примере космологического подхода, рассматриваемого в главе 12.
Загадка Большого взрыва
Веками и тысячелетиями ученых и богословов волновал вопрос: как появился наш мир? И те и другие хоть и отвечали на этот вопрос по-разному, но тем не менее одновременно придерживались той точки зрения, что Вселенная статична и неизменна. И этот взгляд на мир вполне устраивал и тех и других.
Но все кардинально изменилось в первой трети XX века, когда в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется. Причем скорость удаления галактик друг от друга была тем большей, чем большим было расстояние между ними. Опираясь на скорости разбегания галактик, Хаббл установил, что процесс расширения начался приблизительно 20 миллиардов лет назад. Правда, сегодня считается, что это случилось 13,7 миллиарда лет назад, и именно тогда образовалась Вселенная.
Но из того факта, что Вселенная расширяется, то есть находится в динамике, следовал логический вывод, что она в силу каких-то причин должна была возникнуть. Естественно, вскоре появились и гипотезы, которые попытались объяснить ее появление.
В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется
Можно сказать, что первую из них выдвинул в 1930 году сам Хаббл. Он предположил, что Вселенная возникла в результате взрыва из сингулярности. В результате расширения и остывания первичного горячего газа появились звезды и галактики. Впоследствии эта гипотеза получила статус теории Большого взрыва.
А вскоре эта теория обрела немало сторонников. И этого следовало ожидать, поскольку она достаточно точно объясняла многие астрономические явления и процессы.
Во-первых, галактики разбегались в соответствии с теорией Большого взрыва. Во-вторых, в 1964 году было обнаружено присутствие во всей Вселенной реликтового излучения — электромагнитного излучения, заполняющего наблюдаемую часть Вселенной, которое, как считается, осталось после охлаждения первичного газа. И, в-третьих, в ходе Большого взрыва должно было появиться огромное количество водорода, дейтерия, гелия и лития, и этот факт сегодня подтвержден многочисленными исследованиями.
И тем не менее даже эта классическая теория не могла объяснить ряд очень важных моментов в эволюции Вселенной. Вот только некоторые из них: например, где находится та точка, из которой возникла Вселенная? Как именно из сингулярности появилось такое огромное количество материи и энергии?
Не могла теория Большого взрыва ответить и еще на ряд вопросов. Так, если после взрыва газ, из которого и сформировались звезды и галактики, просто расширялся и остывал, то Вселенная должна была бы быть однородной. Однако в действительности галактики формируют скопления — галактические кластеры, из которых образуются еще более глобальные структуры. Более того, анализ реликтового излучения показал, что уже в то время, когда во Вселенной отсутствовали звезды и галактики, неоднородности первичного газа тоже существовали.
И, возможно, самая главная проблема теории Большого взрыва: те законы физики, с помощью которых ученые описывают окружающий мир, перестают работать при попытке воспользоваться ими для объяснения поведения материи и энергии в первичной сингулярности. То есть сам Большой взрыв или то, что было до него, существующие законы описать не в состоянии.
Но и просто отмахнуться от этих проблем современные ученые тоже уже не могут. Не скажут же они, что говорить о периоде «до» Большого взрыва бессмысленно, потому что «до» просто ничего не было, поскольку вызвать сам Большой взрыв все же должно было некое «нечто». Именно в поисках этого «нечто» и появилось несколько гипотез, на которых мы вкратце и остановимся.
Загадка космических струн
Как только появилась теория относительности Альберта Эйнштейна, физики стали пытаться объединить все физические взаимодействий в единую теорию поля. Эту же проблему в течение тридцати лет разрабатывал и сам великий физик, но разрешить ее так и не сумел.
И только в 70-е годы прошлого века американский физик С. Вайнберг и пакистанский физик-теоретик А. Салам сумели объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, предложив теорию слабых электрических взаимодействий. За эту работу в 1979 году ученым была присуждена Нобелевская премия по физике…
Эта теория преподнесла физикам много сюрпризов. Например, согласно этой теории в природе должны существовать частицы, получить которые в эксперименте практически невозможно.
Причем среди этих «экзотических» частиц есть такие, которых и частицами трудно назвать. Действительно, разве подходит под привычное определение «частица» объект, поперечный размер которого около 10-37сантиметров: а ведь диаметр атомного ядра равняется 10–13 сантиметрам. Но при этом длина такой удивительной «частицы» не меньше диаметра нашей Вселенной: 40 миллиардов световых лет, или 1028 сантиметров.
Советский академик Я.Б. Зельдович предсказал возможность существования «космических струн»
Возможность существования таких частиц предсказал советский ученый академик Я.Б. Зельдович. Он же назвал их космическими струнами, так как они и впрямь должны быть похожими на гитарные струны огромной протяженности…
Больше 30 лет назад, точнее в 1979 году, астрофизики, анализируя радиоисточник в созвездии Большой Медведицы, посчитали, что эти «сигналы» исходят из двух небольших звездочек. Когда были расшифрованы их оптические спектры, астрономы пришли к выводу, что в каталог можно заносить еще парочку новых квазаров (о квазарах смотрите ниже). Казалось бы, ничего особенного в этом нет: вместо одного квазара нашли два. И тем не менее эти «двойняшки» ученых заинтересовали больше обычного.
Во-первых, тем, что угловое расстояние между звездами было сравнительно очень малым: всего шесть угловых секунд. И хотя к тому времени в каталоге было зафиксировано больше тысячи квазаров, но пар, находившихся на столь близком друг от друга расстоянии, астрономы до этого не встречали.
Во-вторых, и это самое главное, спектры у обоих источников были практически идентичными. Почему же ученые удивились этому совпадению? А все дело в том, что спектр каждого квазара так же уникален, как и отпечатки пальцев у человека. Причем спектры совпадали до малейших деталей, словно являлись зеркальными отражениями друг друга.
Пытаясь разобраться в этом непонятном явлении, астрофизики выдвинули несколько гипотез для объяснения странного феномена. Одни из них посчитали, что это — пара разных, не связанных между собой квазаров. Другие предположили, что на самом деле квазар один, а его «двойник» — просто-напросто «космический мираж».
По мнению ученых, это явление во вселенских масштабах возникает в силу следующих обстоятельств. Вокруг массивных космических объектов существует сильное гравитационное поле, способное изгибать лучи света, которые идут от звезд. И если поле разнородно, то и лучи будут изгибаться под разными углами. И тогда земной наблюдатель вместо одного изображения увидит несколько. При этом, чем искривление луча большее, тем мощнее космическое тело.
Объяснение было простым и вроде бы убедительным, но, тем не менее, оно нуждалось в обосновании. И вскоре гипотеза нашла практическое подтверждение. В том же году была обнаружена эллиптическая галактика, которая и вызывала двойное изображение квазара. Астрономы такие объекты называют гравитационными линзами. Однако сейчас отметим, что вскоре было обнаружено еще четыре подобных объекта.
Прошло еще несколько лет, и астроном из Принстона Э. Тернер тоже обнаружил два космических объекта, спектры, которых были так же похожи друг на друга, как и в открытых до этого двойных системах. Таким образом, Тернер открыл шестую по счету линзу. Ничего особенного в этом вроде бы не было.
И все же это была если и не сенсация, то, по крайней мере, первый к ней шаг. Ведь у этих «близнецов» угол между двойными лучами составлял 157 секунд, то есть в несколько десятков раз больший, чем у других «двойников». Но столь гигантское отклонение могла создать лишь гравитационная линза с колоссальной массой: в тысячу раз большей, чем у тех, которые были известны астрономам. А это уже была сенсация!
«Линза» Тернера, безусловно, одно из выдающихся открытий второй половины нашего века. По важности для астрономической науки его можно без натяжек сравнить с обнаружением пульсаров, квазаров, установлением сетчатой структуры Вселенной.
Правда, следует заметить, что «линза» лишь вычислена, но не обнаружена. То есть она существует тоже лишь на кончике пера. И пока не появятся достоверные факты, подтверждающие ее существование, можно выдвигать самые разные гипотезы, объясняющие ее структуру, происхождение и т. д.
Так, вначале астрофизики выдвинули версию, что необычный объект представляет собой скопление галактик. А Тернер, например, предположил, что линзой может оказаться гигантская «черная дыра», которая в тысячу раз крупнее Млечного Пути. Но, с другой стороны, коль такая дыра имеет место быть, то двойное изображение должно возникать и у других квазаров. Однако ничего подобного астрофизики пока не обнаружили.
И тут-то астрономы вспомнили о давней гипотезе космических струн. Даже постичь их суть довольно сложно, а представить наглядно — вообще невозможно: струны можно только описать, причем с помощью очень сложного математического аппарата.
О них можно сказать только следующее: эти «экзотические» одномерные структуры не излучают света; они обладают невероятной плотностью — один метр такой «нити» весит больше, чем Солнце. Но если они обладают столь непостижимой массой, то и создаваемое ими гравитационное поле, пусть даже и вытянутое в тонкую нить, должно значительно отклонять световые лучи. Но, как известно, линзы уже сфотографированы, а космические струны пока существуют только в уравнениях математиков.
Согласно расчетам, возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть «замкнута» на границе Вселенной. Но граница эта так далека, что середина струны ее «не чувствует» и ведет себя, как кусок упругой проволоки в свободном полете или как леска в бурном потоке.
Струны изгибаются, перехлестываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и отдельные их фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.