Читать книгу: «Pro темную материю»

© De Сasto V., 2016

© Жукова М., перевод на русский язык, 2016

© «Страта», 2016

Введение

Большинство современных людей, по крайней мере, из развитых стран, уверены в материальности нашего мира, в том, что нас окружает материя и мы сами являемся ею. Мы привыкли считать, что в нашей Солнечной системе и в нашей Вселенной доминирует материя в классическом понимании, то есть вещество, состоящее из атомов, в которых, в свою очередь, находятся протоны, электроны и нейтроны. Люди уже давно наблюдают светящуюся материю, то есть испускающую и отражающую свет – это значит, что ее каким-то образом можно увидеть. Пусть это нельзя сделать невооруженным глазом, но в XXI веке у нас есть множество приборов, позволяющих рассмотреть то, что в прошлые века было невидимым. Одна из моих предыдущих книг посвящена антиматерии – веществу, построенному из античастиц.

А в этой книге мы будем говорить о темной материи, изучением которой занимаются астрономия и космология. Эта форма материи не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Из-за этого свойства ее прямое наблюдение невозможно. Ее «не видно» – в традиционном значении слова. Но присутствие этой формы материи можно обнаружить по создаваемым ею гравитационным эффектам. Темная материя собирается в сгустки, подобно обычной материи. Это объясняется действием сил гравитации, а гравитация, как известно, универсальна. Места скоплений обычной и темной материи совпадают, но между ними практически не происходит столкновений.

Эту форму материи назвали «темной» (от англ. «dark») по нескольким причинам. Во-первых, она далекая и невидимая. Во-вторых, это таинственное и непонятное нам вещество. Английское слово было выбрано очень удачно: оно имеет значения и «темный, черный», и «тайный, неизвестный». Не исключено, что мы никогда не сможем понять этот вид материи до конца.

На обычную материю – то есть нас с вами и все привычное нам и видимое – во Вселенной приходится всего 4 %. Вдумайтесь! Это же так мало! Оставшиеся 96 % состава Вселенной имеют совсем другую природу – необычную и вызывающую много вопросов. Одни ученые считают, что темная материя составляет 22 %, другие – 23 %, соответственно, 74 % или 73 % приходится на нечто еще более таинственное, именуемое темной энергией.

Когда в научных кругах появилась эта цифра – 4 % – родились и шутки, часто понятные только специалистам. Я не буду приводить их здесь, но если задуматься, ведь при такой малой доле в общей массе-энергии во Вселенной мы – и все то, что мы считаем нашим миром, практически не имеет значения. Нас можно рассматривать как некий вид загрязнения, ничего не значащего дополнения к основной массе Вселенной. Если мы исчезнем, мало что изменится. Или все же изменится? 4 % – это, конечно, очень мало, но, может, благодаря им и существует все остальное? Например, отношение массы головного мозга к массе тела у человека составляет 2 %, более того, считается, что мы используем всего 10 % возможностей этого органа. Но ведь человек без мозга – это не человек, и его доля в нашем теле совсем не соответствует его огромному значению. Похоже, что и во Вселенной наша процентная доля играет роль, аналогичную мозгу в человеческом теле.

Говорят, что открытие темной материи и темной энергии стало очередной революцией в науке. Их открыли астрономы, которые не искали никакую темную материю! Но нашли – и привели доказательства. Аргументы стали накапливаться, в этом участвовали уже не только астрономы, и получилось, что известная нам Вселенная – только тень того, что существует в действительности. Мы не видим реальную Вселенную, которая состоит не только из доступного человеческому глазу, пусть и вооруженному самыми современными приборами. И теперь начинается новый этап исследования Вселенной. Что он нам даст? Посмотрим!

Восприятие Вселенной

С самых древних времен, с тех самых пор как человек стал смотреть на небо над головой, он считал (или предполагал), что существует только то, что он видит. И еще он пытался объяснить, «как оно туда попало». Он прогуливался под греющим солнцем или лежал на спине, глядя на звезды, и строил различные версии. Во всех культурах в той или иной форме существуют легенды о борьбе света и тьмы, воды и огня, есть многочисленные божества, «ответственные» за небесные светила, или один бог, который создал все сущее, – китов, черепах, слонов, на которых стоит Земля, и даже рептилию туатару, участвовавшую в создании мира. Потом человек, естественно, задумывался о том, как все это должно закончиться. Что будет? Рай, ад или ничего?

В IV веке до н. э. Платон предложил своим ученикам описать движение небесных тел, которые они видели, с помощью геометрии. Он не ожидал, что ответы стопроцентно покажут то, что фактически происходит в небесах. Это знание было недостижимо: они не могли отправиться на небо и проверить, что там происходит. Платон говорил о приближении к знанию, он хотел, чтобы его ученики нашли математические способы объяснения не фактов, а видимого или кажущегося.

Один из его учеников, Евдокс Книдский (около 408 – около 355 г. до н. э.), математик и астроном, нашел ответ, математическую гипотезу, которая в той или иной форме, в большей или меньшей степени «продержалась» две тысячи лет. Евдокс представил небеса как ряд концентрических прозрачных сфер (вы же помните, что в те времена Земля считалась неподвижной и центром Вселенной). По Евдоксу, в некоторых из упомянутых сфер находились небесные тела, а другие сферы взаимодействовали с первыми, чтобы ускорить или замедлить их движение. Таким образом объяснялось ускорение или замедление движения небесных тел по своим орбитам. И Солнцу, и Луне Евдокс отдал по три сферы. Пяти известным тогда планетам – Меркурию, Венере, Марсу, Сатурну и Юпитеру – он дал по дополнительной сфере для объяснения редкого изменения направления их движения на фоне звезд (в настоящее время мы объясняем это «ретроградное движение» тем, что при движении Земли и других планет вокруг Солнца по своим орбитам Земля иногда обгоняет другую планету, или планета обгоняет Землю). Звездам Евдокс тоже выделил сферу – сферу неподвижных звезд. В целом получилось 27 сфер.

Аристотель внес изменения в эту систему. Он предположил, что сферы являются не математическими конструкциями, а физической реальностью. Получилось 56 сфер – он добавил вращающиеся в противоположных направлениях.

Около 150 года н. э. греческий астроном Клавдий Птолемей упростил систему. В системе Птолемея есть семь светил (Солнце, Луна, пять известных в то время планет) и сфера звезд, которые движутся вокруг неподвижной Земли. Для согласования видимой нерегулярности в движении планет с постулатом физики Аристотеля о равномерном круговом движении небесных светил Птолемей ввел эпициклы (вспомогательные окружности, по которым движутся планеты в геоцентрической системе мира). Таким образом получалось, что наблюдаемое движение планеты оказывалось комбинацией нескольких равномерных круговых движений. Но все равно математика не могла в точности отразить реальность.

Революцию совершил польский астроном Николай Коперник (1473–1549), которого называют основоположником астрономии Нового времени. Астрономией он начал заниматься в Болонье, где проводил наблюдения с 1497 года, в своем самом известном сочинении «О вращениях небесных сфер» (1543) он перечислил 27 наблюдений. Эту работу иногда называют синонимом изобретения новой Вселенной. В ней Коперник изложил свое главное открытие: гелиоцентрическую систему мира, альтернативу общепринятой геоцентрической.

Ущелье между двумя отрогами Млечного Пути. Справа виден хвост созвездия Змия. Слева Дракон извивается вокруг полюса эклиптики. Из книги Historia universalis omnium cometarum, 1681

Коперник считал, что в покое находится не Земля, а Солнце. Коперник также ввел эпициклы для согласования своей системы с данными наблюдений, они усложнили гелиоцентрическую модель, которая все равно оказалась более простой, чем геоцентрическая. Трудности возникли из-за того, что планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам (что в XVII веке показал немецкий астроном Иоганн Кеплер), а Коперник стремился сохранить идею равномерного кругового движения светил. Но, несмотря на этот недостаток, работа Коперника стала революцией в науке и восстанием против учений церкви, а также принесла чрезвычайную пользу развитию астрономии и физики. Не зря его открытие получило название «коперниканской революции».

Упомянутая работа вызвала большие споры как в научных, так и богословских кругах. В частности было высказано предложение считать изложенную в книге теорию математической гипотезой, не отвечающей реальности, но облегчающей вычисления. Такая точка зрения высказывалась, например, в предисловии к первому изданию книги «О вращениях небесных сфер», написанной лютеранским богословом А. Осиандером.

Николай Коперник, великий польский астроном, механик, математик, автор гелиоцентрической системы мира, положившей начало первой научной революции (1473–1543)

Математик, астроном и священник-иезуит Христофор Клавий (1537–1612) признавал допустимость и пользу гипотезы Коперника, если не считать ее описанием реальности. Но в 1616 году комиссия из 11 экспертов-богословов, собранная по инициативе кардинала Роберта Белармина, главного инквизитора священной канцелярии, приняла решение о еретичности учения о неподвижности Солнца, а учение о движении Земли признало не еретичным, но ошибочным. На основании этого книга Коперника была включена в «Индекс запрещенных книг» и пробыла там до 1828 года, хотя официальный запрет поддерживать учение о движении Земли был снят Папой Бенедиктом XIV в 1757 году.

Как и древние, Коперник не предлагал никакую новую Вселенную, причем как «физически», так и философски. Он пытался объяснить существующую, то есть видимую и известную. Но истинные движения этой Вселенной и того, что в ней имеется, оставалось вне пределов досягаемости. Так было всегда и, похоже, будет в дальнейшем. Мы пытаемся объяснить Вселенную и происходящие в ней процессы, имея все больше и больше материала и средств, но не можем это проверить! Такова история нашей Вселенной – или, правильнее будет сказать, нашей цивилизации.

Первые зрительные трубы Галилея. Из астрономических наблюдений 1923 года с помощью этих труб следует, что одна из них имела разрешающую способность 20” и поле зрения 15’

Но до чего-то мы все же добираемся – с каждым годом, веком и поколением видим больше и можем больше объяснить.

Если вернуться в прошлое, то пришло время поговорить о Галилео Галилее (1564–1642), итальянском физике, астрономе, математике и философе. Именно он первым провел астрологические наблюдения с помощью телескопа (зрительной трубы) в 1609 году. Этот телескоп хранится в музее Флоренции. Называть прибор, использованный Галилеем, телескопом, предложил греческий математик Иоаннис Демисианос. Зрительную трубу одновременно изобрели несколько человек. На роль изобретателя претендовали три голландских мастера: Иоганн Липперсгрей, Захарий Янсен и Якоб Метиус, годом изобретения считается 1608. Однако самые первые чертежи простейшего линзового телескопа (причем как однолинзового, так и двухлинзового) были обнаружены в записях Леонардо да Винчи, датируемых 1509 годом.

Галилей создал свою первую зрительную трубу с трехкратным увеличением в 1609 году. В том же году он построил телескоп с восьмикратным увеличением, его длина составляла около полуметра. Позже Галилей создал телескоп с 32-кратным увеличением длиной около метра и диаметром объектива 4,5 см. Это был очень несовершенный инструмент, но с его помощью Галилей сделал ряд важных открытий. Например, открыл спутники Юпитера, горы на Луне, солнечные пятна, фазы у Венеры, сотни звезд. Именно он обнаружил, что Вселенная состоит из гораздо большего, чем видит обычный человек невооруженным глазом. Галилей увидел то, что до него не видел никто.

Зарисовки Луны из рабочей тетради Галилея

Благодаря Галилею у человечества появилась новая Вселенная, а не только видимая невооруженным глазом. В последующие годы и до нашего времени к ней будут добавляться новые луны вокруг других планет, новые планеты вокруг Солнца, сотни планет вокруг других звезд, сотни миллионов звезд в нашей галактике, сотни миллионов галактик. Изобретение телескопа, первого инструмента в истории, усиливающего возможности одного из органов чувств, изменило наше видение космоса.

Галилей подтвердил правильность разработанной Коперником гелиоцентрической системы. Он доказал, что Земля является планетой и вместе с другими планетами вращается вокруг Солнца. Более того, он заявил, что в намерение авторов Библии не входило учить астрономии, а вопросы, решаемые естественнонаучными методами, не относятся к вопросам веры. Он сделал попытку «гелиоцентрического» истолкования тех частей Библии, в которых, как тогда считали богословы, говорится о неподвижности Земли. Инквизиция начала против Галилея судебный процесс после выхода книги «Диалог о двух важнейших системах мира» (1632), которая фактически являлась скрытой защитой учения Коперника. Галилей был вынужден отречься от этого учения и в качестве наказания до самой смерти находился под домашним арестом. Галилей был реабилитирован лишь в 1992 году. Папа Иоанн Павел II заявил, что в вопросах толкования Священного Писания Галилей был ближе к истине, чем профессиональные богословы, его противники. То есть обвинение в ереси было официально снято с ученого только в наше время.

Исаак Ньютон, великий английский физик, математик, механик и астроном (1643–1727)

Но после открытий Галилео Галилея люди все равно не могли отправиться на небеса и проверить, как именно происходит все то движение, которое он описал. Факты требовали объяснений.

В 1687 году два объяснения предложил Исаак Ньютон. Он решил, что раз Земля – это планета, то формулы, которые можно применить к земному пространству, должны относиться и к небесному. Ньютон строил свою работу на математике Кеплера, наблюдениях Галилея и его последователей-астрономов, и пришел к выводу, что движение в небесах можно объяснить не дюжинами сфер или эпициклов, а одним законом, который получил название закона всемирного тяготения.

В 1705 году друг и спонсор Ньютона Эдмонд Галлей (1656–1742), английский астроном и геофизик, применил закон Ньютона к уже имевшимся наблюдениям комет, которые подлетали близко к Земле в 1531, 1607 и 1682 годах. В результате он пришел к выводу, что это одна и та же комета (названная кометой Галлея), которая вернется в 1758 году, уже после его смерти. Так и случилось. Галлей доказал наличие периодичности в движении комет, вычислил орбиты более 20 комет, составил первый каталог звезд Южного неба.

Что мы получили к XVIII веку после всех этих открытий? Если взять закон всемирного тяготения Ньютона, применить его к наблюдениям, которые с помощью телескопов становятся все более и более точными, – получится упорядоченная и предсказуемая Вселенная, в целом не меняющаяся. Космос, который работает как часы.