Жизнь проста. Как бритва Оккама освободила науку и стала ключом к познанию тайн Вселенной - Джонджо МакФадден

других интересов. Вера ответила, что любит рисовать, и в ответ услышала: «А вы никогда не задумывались о профессии, в которой могли бы заняться рисованием астрономических объектов?»[468] Эти слова стали излюбленной шуткой в ее семье. Стоило кому-нибудь допустить ошибку или совершить промах, как кто-то иронически произносил: «А вы никогда не задумывались о профессии, в которой могли бы заняться рисованием астрономических объектов?»

Непрошеный совет никак не повлиял на решение Веры, и она стала одним из самых выдающихся астрономов своего времени. В 1965 году она получает должность в престижном Институте Карнеги в Вашингтоне, где вместе со своим коллегой Кентом Фордом приступает к работе над проектом, который позволил определить распределение массы внутри галактик за счет измерения скорости вращения звезд. Из законов Ньютона следует, что гравитационная сила пропорциональна массе (скорость кругового орбитального движения в гравитационном поле должна соответствовать массе внутри орбиты), и поскольку предполагалось, что основная масса сконцентрирована в центре галактики, то звезды, находящиеся ближе к центру, должны вращаться быстрее, а звезды на периферии – медленнее, подобно тому, как внешние планеты вращаются вокруг Солнца медленнее, чем внутренние.

Однако когда Рубин и Форд измерили скорость вращения звезд в ближайшей к нам галактике Андромеды, они обнаружили, что удаленность звезд от центра галактики не оказывает никакого влияния на их скорость. Звезды на периферии вращались с той же скоростью, что и звезды, находящиеся близко к центру. Вера Рубин сначала не поверила полученным результатам, однако многократное повторение исследований для разных спектров звезд подтвердило их правильность. Ученые пришли к выводу, что в спиральных галактиках содержание материи в шесть раз больше, чем в видимых звездах, и что именно темная материя является причиной того, что звезды на периферии галактики Андромеды вращаются с большей скоростью[469]. Эти выводы в дальнейшем подтвердились в ходе исследования далеких галактик. Наблюдения показывают, что каждая из них окружена ореолом невидимой холодной темной материи.

Непрекращающееся звездообразование в старых галактиках происходит благодаря этому невидимому ореолу темной материи, который преграждает путь потоку вещества, которое высвобождается в результате вспышек сверхновых, и оно возвращается в галактику. Внутри галактики это вещество уплотняется, и из него образуются новые звезды, например Солнце, или скальные планеты, например Земля. Таким образом, мы с вами – продукт выброса взрывающихся звезд, однако, чтобы содержащиеся в них тяжелые элементы были доставлены в пригодные для жизни места, нужна темная материя.

Итак, разобравшись с тем, какую роль темная материя играет в нашем существовании, осталось определить роль темной энергии. Это не так просто. Загадка по-прежнему не разгадана.

Единственное, что указывает на эту энергию, – ускоряющееся расширение Вселенной. Учитывая, что мы ничего не знаем о природе темной энергии, как можно рассуждать о той роли, которую она играет в нашем существовании? Впрочем, мне кажется, у меня есть одна версия.

В нашей Вселенной есть целый ряд вещей, которые с легкостью можно было бы определить как сущности, в которых нет необходимости. Фундаментальные частицы из поколений II и III в стандартной модели отличаются от частиц поколения I только по массе, и может сложиться впечатление, что это лишние сущности, поскольку они не входят в состав обычной материи. Их роль только предстоит открыть: возможно, они участвуют в синтезе тяжелых элементов внутри звезд или сверхновых или в уничтожении антиматерии[470]. Кроме того, чтобы Вселенная оставалась собой, законам физики приходится отличать частицы от античастиц и видеть разницу между движением времени вперед и назад. Похоже, именно для этого Вселенной требуются как минимум три поколения частиц.

Итак, несмотря на то что некоторые вопросы остаются без ответов, вполне правомерно считать, что мы живем во Вселенной, которая стремится к простоте, оставаясь при этом обитаемой. Почему это так? Чтобы подойти к этому вопросу, нам придется сначала решить проблему тонкой настройки.

НЕПОСТИЖИМАЯ НЕВЕРОЯТНОСТЬ БЫТИЯ

Стандартная модель в физике элементарных частиц описывает не только частицы, такие как кварки, электроны и фотоны, и силы, действующие между ними, но и некоторые крайне маловероятные величины. К ним относятся массы всех фундаментальных частиц и величины сил их взаимодействия. Ни одна из этих величин не предсказана научными теориями. Все значения установлены на основе экспериментальных данных, полученных при помощи коллайдеров, так же как два тысячелетия назад появились эпициклы Птолемея в подтверждение данных астрономических наблюдений. Насколько мы можем судить, все значения этих величин произвольны.

Помните ту воображаемую игру в кости, в которую играли два специалиста по статистике из городка Танбридж-Уэллс Байес и Прайс. Представим, что преподобный Байес хранит свои самые важные бумаги в сейфе, который надежно запирается на кодовый замок. В замке есть 10 ручек, и, чтобы дверца сейфа открылась, нужно повернуть каждую ручку на определенное количество оборотов от 0 до 60. Однако случилось так, что Байес забыл правильную комбинацию и не может открыть сейф. Он в отчаянии оттого, что, возможно, никогда не доберется до своих бумаг, и в этот момент к нему приходит мистер Прайс. Он на всякий случай захватил с собой свой шестидесятигранный кубик и, чтобы как-то отвлечь расстроенного Байеса, предлагает бросить кубик и проверить, нельзя ли с его помощью угадать комбинацию. Байес сначала относится к этой затее скептически, однако поскольку другого выхода нет, соглашается попробовать. Прайс бросает кубик несколько раз и получает комбинацию 55, 23, 48, 5, 76, 22, 35, 59, 41, 8. Байес пробует эту комбинацию на замке, и к его величайшему изумлению, дверца сейфа открывается.

Удивление Байеса вполне объяснимо. Шансы на то, что Прайс правильно угадает числа, составляют 6010. Другими словами, байесовская вероятность того, что Прайс угадает правильно, составляет 600 миллионов к одному. Мы, безусловно, можем считать, что Прайсу повезло, однако преподобный Байес, скорее всего, попытается объяснить это проще, например ловкой проделкой.

Здесь можно провести аналогию с величинами фундаментальных постоянных, значения которых подчиняются законам распределения случайных величин, однако при этом точность их значения важна для нашего существования. Рассмотрим это на примере масс электронов, протонов и нейтронов, из которых состоит атом. Если принять массу протона за 1, то на массу электрона придется всего лишь 0,0543 % массы протона, в то время как масса нейтрона (как и протона) тоже составит 1. Нам нет необходимости знать все эти массы, однако стоит изменить их значения на долю единицы, и наше существование станет невозможным.

Например, масса нейтрона и масса протона не совсем одинаковые. Если мы примем относительную массу протона за 1,000, то масса нейтрона составит 1,001, то есть нейтрон тяжелее протона на 0,1 %. Вам не кажется это немного странным? Как будто какой-то бог или закон физики потребовал,