Джордж и Большой взрыв - Люси Хокинг

Начнём с цифр: если говорить о Вселенной в целом, то 4,5 % её составляют атомы, 22,5 % – тёмная материя, а 73 % – тёмная энергия. На минутку отклонившись от темы, заметим, что меньше десятой части атомов образует звёзды, планеты или, например, живые организмы; остальные же атомы существуют в виде газа, слишком горячего для того, чтобы образовывать небесные тела.

Итак, тёмная материя. Откуда мы вообще о ней узнали? Что она собой представляет? И почему мы не находим её ни на Земле, ни даже на Солнце?

Мы знаем, что она есть, потому что сила её притяжения удерживает вместе нашу Галактику, Туманность Андромеды и все остальные большие структуры во Вселенной. Видимая часть Туманности Андромеды, как и всех прочих галактик, располагается в середине очень большого – в десять раз больше этой видимой части – шара из тёмной материи; астрономы называют этот шар галактическим гало. Если бы не притяжение тёмной материи, большинство звёзд, солнечных систем и всего остального, что есть в галактиках, просто разлетелись бы по космосу куда попало, и это было бы очень плохо.

Пока что мы не знаем точно, из чего состоит тёмная материя (примерно так же обстояло дело и у Демокрита, который правильно догадался про атомы, но не знал, как они устроены). Однако кое-что мы всё-таки знаем.

Частицы тёмной материи, в отличие от атомов, не состоят из протонов, нейтронов и электронов: это совершенно иная форма материи! Не удивляйтесь: человечеству понадобилось почти 200 лет, чтобы открыть все химические элементы, а со временем было обнаружено много новых форм атомной материи.

Поскольку тёмная материя не состоит из атомов, она не обращает на них никакого внимания – как и они на неё. Больше того, частицы тёмной материи не интересуются даже другими частицами тёмной материи. Физик сказал бы так: частицы тёмной материи взаимодействуют с атомами и между собой очень слабо, если вообще взаимодействуют. Поэтому, когда наша и другие галактики сформировались, тёмная материя оставалась в очень большом и рассеянном галактическом гало, в то время как атомы сталкивались друг с другом и оседали в центр этого гало, постепенно образуя звёзды и планеты, состоящие почти полностью из атомов.

Выходит, звёзды, планеты и мы с вами состоим не из тёмной материи, а из атомов именно из-за этой «застенчивости» частиц тёмной материи.

Тем не менее частицы тёмной материи носятся вокруг нас: в любой момент времени в любой чайной чашке найдётся минимум одна такая частица. И это подсказывает, как можно проверить одну смелую гипотезу. Частицы тёмной материи, конечно, «застенчивы», но всё же способны время от времени оставлять вполне заметный след в очень-очень чувствительном детекторе частиц. Поэтому физики построили большие детекторы и разместили их под землёй (защищая от космического излучения, бомбардирующего поверхность Земли), чтобы выяснить, действительно ли гало нашей Галактики составляют частицы тёмной материи.

Ещё более захватывающая идея – самим создать частицы тёмной материи в ускорителе частиц, превратив энергию в массу по знаменитой формуле Эйнштейна E = mc².

Большой адронный коллайдер в Швейцарии, самый мощный в истории ускоритель частиц, призван создать частицы тёмной материи и проследить за ними.

А спутники в небе ищут части атомов, которые образуются, когда частицы тёмной материи в гало случайно сталкиваются и порождают обычную материю (процесс, противоположный тому, которого пытаются добиться с помощью ускорителей частиц).

Если какие-то из этих методов принесут плоды – а я надеюсь, что хоть один да принесёт, – то подтвердится, что бо́льшую часть материи во Вселенной составляют не атомы, а нечто другое. Представляете? Вот то-то же.

Теперь мы с вами готовы к разговору о величайшей научной тайне всех времён: о тёмной энергии. Уверен, что разгадать эту тайну в ближайшие годы не удастся – это предстоит вашему поколению. Возможно, разгадка даже перевернёт с ног на голову эйнштейновскую теорию гравитации – общую теорию относительности!

Все мы знаем, что Вселенная расширяется и увеличивается в размерах в течение последних 13,7 миллиарда лет, прошедших с Большого взрыва. С тех пор как восемьдесят с лишним лет назад Эдвин Хаббл обнаружил это расширение, астрономы всё пытались измерить, насколько оно замедляется из-за гравитации. Гравитация – сила, которая не даёт нам свалиться с Земли и удерживает планеты на их орбитах вокруг Солнца, – этакий космический клей. Гравитация притягивает объекты друг к другу, замедляет скорость снарядов и ракет, пущенных с Земли; так что и расширение Вселенной должно бы замедляться благодаря тому, что всё в ней ко всему притягивается.

Так вот, в 1998 году астрономы обнаружили, что эта простая, но очень логичная идея совершенно неверна: оказалось, что расширение Вселенной не замедляется, а, наоборот, ускоряется. Обнаружилось это благодаря особому свойству телескопов, роднящему их с машиной времени: поскольку свету требуется время, чтобы долететь до нас через Вселенную, то, глядя на удалённые объекты, мы видим их такими, какими они были давно. С помощью мощных телескопов, таких как знаменитый космический телескоп «Хаббл», учёные сумели определить, что в прошлом Вселенная расширялась медленнее, чем сейчас.

Как такое может быть? Согласно теории Эйнштейна, в нашей Вселенной есть нечто ещё более странное, чем тёмная материя, – нечто обладающее «отталкивающей гравитацией». «Отталкивающая гравитация» – это гравитация, которая не притягивает объекты друг к другу, а, напротив, отталкивает их друг от друга, что очень странно! Она получила название «тёмная энергия» и может оказаться чем-то очень простым: например, энергией квантовой пустоты, – или, напротив, чем-то чрезвычайно странным: например, воздействием дополнительного измерения пространства-времени! А может быть, никакой тёмной энергии вообще нет, и тогда придётся заменить эйнштейнову общую теорию относительности на что-нибудь получше.

Понять, что такое тёмная энергия, важно ещё и потому, что от неё зависит судьба Вселенной. Сейчас тёмная энергия давит на педаль газа, и Вселенная расширяется всё быстрее, из чего можно предположить, что расширяться она будет вечно, и примерно через 100 миллиардов лет небо опять погрузится во тьму.

Поскольку мы пока ничего не знаем о тёмной энергии, нельзя исключить, что в какой-то момент будущего она ударит по тормозам – и это вызовет коллапс Вселенной.

Ответы на все эти вопросы предстоит найти учёным новых поколений. Может быть, даже вам.

Майкл

* * *

Галактика Вертушка почти вдвое больше нашего Млечного Пути.

NASA/CXC/JHU/K.Kuntz et al.

Антенны – пара взаимодействующих галактик в 62 миллионах световых лет от Земли.