Астрофизика начинающим: как понять Вселенную - Грегори Мон

Некоторые ученые подозревают, что темная материя состоит из каких-то призрачных частиц, пока нами не открытых. Они используют гигантские машины, называемые ускорителями частиц, чтобы попытаться получить темную материю на Земле. Другие физики проектируют лаборатории глубоко под землей. Если частицы темной материи действительно странствуют в космосе и некоторые из них врезаются в Землю, тогда, возможно, их удастся зарегистрировать в этих подземных лабораториях. Может показаться, что успех подобных попыток крайне маловероятен. Но ученым однажды уже удалось поймать таким способом призрачные неуловимые микрочастицы – нейтрино.

В 1930-х, когда ученые пытались понять природу атомов, несколько ведущих мыслителей пришли к идее о существовании микроскопических частиц, имеющих очень малую массу, а может, и вообще не обладающих массой. Вначале никаких прямых свидетельств присутствия таких частиц не было. Но некоторые атомы выделяли энергию непонятным способом, и ученые предположили, что виной всему именно эти неизвестные частицы: они уносят энергию. И хотя прямых доказательств по-прежнему не было, ученые предсказали существование нейтрино, частиц, которые почти не взаимодействуют с веществом. И вот через несколько десятилетий другая группа ученых нашла-таки доказательства реальности этих частиц. С тех пор нейтрино были много раз найдены и подсчитаны в различных экспериментах. Оказалось, что ежесекундно через каждый квадратный сантиметр вашего тела пролетает сотня миллиардов нейтрино из недр Солнца. И они не оказывают на вас никакого воздействия.

То, что начиналось с интуитивной научной догадки, с объяснения частного явления, казалось бы, не имеющего большого значения, обернулось реальностью. Может, так же как мы нашли нейтрино, мы отыщем и способ регистрировать темную материю. Или, что еще более захватывающе, мы узнаем, что частицы темной материи представляют собой нечто совершенно новое и неизвестное, что они связаны с какими-то неизведанными силами природы.

А пока что мы должны довольствоваться тем, что знаем: темная материя – странный, невидимый наш союзник, помогающий объяснить непонятное доселе поведение Вселенной. И этого уже более чем достаточно для того, чтобы любознательные астрофизики взялись за работу.

Но темная материя – не единственная великая нераскрытая космическая тайна. Есть еще одна грандиозная задача, которую предстоит решить.

Когда я был маленьким, мне очень нравился мультяшный персонаж по имени Майти Маус. Ну да, всего лишь мышь, он всегда находил выход из отчаянных положений. Еще он обладал фантастическим голосом – он замечательно пел! Он всегда держал грудь колесом, был невероятно сильным и умел летать.

Как любопытный малыш, я не мог не думать о том, как именно удается Майти Маусу летать. Крыльев у него не было, как и пропеллеров или спрятанных в поясе реактивных двигателей. Зато у него имелась накидка. Супермен, другой знаменитый летающий герой, тоже носил пелерину. Может, в этом и был их секрет? Неужели способность летать и правда зависит от того, как одеваешься?

Я разработал теорию: накидки наделяют людей и мышей способностью летать.

Хотя я тогда еще не был ученым, я уже начинал думать на ученый манер. Наука ведь не может обойтись одними теориями. Теории надо проверять. Поэтому мне было необходимо провести эксперимент, чтобы проверить мою идею. Я нашел какую-то пелерину, завязал ее потуже на шее и попробовал прыгнуть как можно дальше.

Затем я измерил расстояние, на которое я сумел прыгнуть с помощью накидки.

Потом снял накидку, прыгнул опять и снова измерил длину прыжка.

Никакой разницы не было.

Мне не удалось прыгнуть дальше с накидкой. Я не сумел полететь. Но я получил очень ценный урок: в науке теория должна соответствовать фактам, собранным с помощью опытов. А иначе ее либо надо исправить, либо выбросить на свалку идей. Моя догадка о том, что пелерины позволяют мышам и людям летать, не соответствовала результатам моего опыта с прыжком, и потому мне пришлось отказаться от этой теории и продолжать жить, научившись в конце концов летать, как летает все остальное человечество, – в больших машинах, называемых самолетами.

Но случается иногда, что самые дикие с виду теории успешно проходят экспериментальные испытания. Альберт Эйнштейн вряд ли когда-нибудь заходил в физическую лабораторию. Он был чистым теоретиком – ученым, придумывающим идеи о том, как устроена природа. Он в совершенстве владел искусством мысленного эксперимента, который позволяет разгадывать загадки природы при помощи воображения.

Например, когда ему было шестнадцать лет, Эйнштейн задумался: что было бы, если бы можно было лететь рядом с лучом света. Конечно, это невозможно. Мы уже обсуждали вопрос о предельной космической скорости. Но Эйнштейн продолжал думать над этой странной идеей много лет и в конце концов пришел к одному из своих величайших озарений.

Теоретики вроде Эйнштейна разрабатывают модели устройства Вселенной. Пользуясь этими моделями, они делают предсказания. Если модель неудачная, наблюдатели – ученые, изучающие природу с помощью сложных инструментов, – обнаруживают расхождение между предсказанием и реальностью. «Модель» полета, которую я разработал ребенком, предполагала, что пелерины позволяют людям и мышам летать по воздуху. Затем я испытал свою модель – сложные инструменты для этого не понадобились – и обнаружил несоответствие между теорией и действительностью. Я был расстроен. Правда, ученые обычно очень радуются, когда находят ошибку в модели другого исследователя. Мы все любим находить ошибки в домашней работе кого-то другого.

Эйнштейн разработал одну из самых мощных и всеобъемлющих теоретических моделей в истории – свою общую теорию относительности[4]. Эта модель подробно объясняет, как все во Вселенной движется под воздействием тяготения и как само тяготение изменяет форму пространства. Эта общая теория ведет к предсказаниям, которые ученые и сегодня продолжают проверять.

Модель Эйнштейна предсказывает, что, когда сталкиваются черные дыры, они должны выделять энергию в виде гравитационных волн, которые разносятся по всей Вселенной. Эта рябь пространства-времени похожа на мелкие волны, набегающие на тихий песчаный берег. И конечно, ученые уже поймали такие омывающие Землю волны от столкновений далеких черных дыр – столкновений, случившихся в далеком прошлом. Эйнштейн оказался прав.