Видимая материя
Все, что доступно нашему восприятию посредством органов чувств, сделано из атомов, содержащих три типа частиц: протоны, нейтроны и электроны. Вспомните, как в детстве вам показывали модель атома в виде миниатюры Солнечной системы. Если заменить Солнце на ядро из протонов и нейтронов, то электрон выступит в роли планеты, вращающейся вокруг своего центрального ядра. Так традиционно рисуют атом в школьных учебниках физики. Основой подобного изображения служат атомные модели, похожие на Солнечную систему, предложенные в середине прошлого века Резерфордом, Нильсом Бором и отцами квантовой механики – Луи де Бройлем, Эрвином Шредингером и Полем Дираком.
Протоны и нейтроны состоят из кварков – самых маленьких из известных фундаментальных частиц. Электрон, насколько нам удалось выяснить, тоже является элементарной сущностью, то есть не делится на более простые частицы.
Некоторые физики подвергают сомнению идею о фундаментальности кварков. В соответствии с их моделями кварк формируют даже еще более мелкие частицы – так называемые преоны.
До какой степени может дойти это деление? Никто не знает. Существуют, однако, и другие, еще более странные модели, родившиеся в 80-е годы прошлого века. Их авторы утверждают, что кварки на самом деле не относятся к частицам, а являются крохотными одномерными нитями энергии, которые физики окрестили струнами.
Так же как струна скрипки может вибрировать по-разному, порождая звуки, соответствующие тем или иным музыкальным нотам, одномерная струна колеблется на разных частотах, создавая разные типы частиц, каждая из которых обладает свойствами, делающими ее уникальной.
Чтобы закрепить наши знания, давайте пробежимся от самого малого к самому большому. В соответствии с так называемой длиной Планка, значение которой определено примерно в 1,6 × 10–35 м, фундаментальные частицы кажутся нитями энергии, которые движутся, следуя определенной модели вибрации. В более крупном масштабе непрерывно дрожащая струна превращается в компактную точечную частицу, обладающую определенной позицией и скоростью. Эта вселенная точечных частиц создает структуры, известные как атомы. Атомы, в свою очередь, группируются в молекулы. Молекулы составляют базовые единицы элементов периодической таблицы Менделеева. Из элементов формируются разные типы субстанций, из которых состоит наш мир. Если посмотреть на Вселенную в еще более крупном масштабе, привычном для наших органов чувств, то она развернет перед нами разнообразие структур и форм, поражающих воображение. Но на базовом уровне эти структуры – струны, вибрирующие на определенной частоте.
Если задаться вопросом, что же идет за струнами, то можно обнаружить области, где, вероятно, существуют лишь биты информации, фундаментальные математические структуры. Это еще больше все усложнит. Поэтому давайте остановимся на минимуме, необходимом для того, чтобы понять модель, которую я предлагаю.
Это известная Вселенная; Вселенная, о которой говорили Ньютон, Коперник и Галилей, пусть и дополненная самыми последними открытиями физики элементарных частиц; Вселенная традиционной астрономии и космологии; Вселенная, попавшая в объектив телескопа Хаббл, вид которой ошеломил нас, продемонстрировав самые потрясающие и загадочные структуры мироздания.
Невидимая материя
Существует что-то еще, помимо протона, нейтрона, электрона и кварков. Оно где-то там, проникает в них, заполняет их пустые пространства и в то же время оказывает мощное гравитационное воздействие, доступное наблюдению благодаря точным и надежным инструментам астрономического измерения.
Если что-то воздействует силой тяжести на определенные участки нашей Вселенной (а, похоже, так оно и есть), это нечто должно состоять из какой-то неизвестной материи, чьи свойства обуславливают его поведение. Самое интересное заключается в том, что экзотические частицы, из которых складывается этот невидимый материал, не систематизированы в стандартной модели физики элементарных частиц[129], на которую опирается современная наука.
Пусть и недоступная взгляду, эта материя, судя по всему, в изобилии присутствует во Вселенной. Можно найти ее на расстоянии миллиардов световых лет, где она образует огромные короны (или ауры) вокруг внешних границ далеких галактик и их скоплений, или же встретить совсем рядом, вокруг и внутри наших тел, сделанных из видимой материи.
Согласно последним расчетам экспертов, обыкновенная материя, сделанная из электронов, протонов и нейтронов, составляет 3 % от общей критической массы Вселенной – той, которая соответствует инфляционной модели, предложенной Аланом Гутом в начале 1980-х. Это самое нечто, проникающее в видимую материю, обладает массой, от шести до восьми раз превышающей ту, которую имеет вся расчетная обыкновенная материя, – то есть берет на себя 22 % от общей критической плотности. Остальное приходится на еще более загадочную вариацию невидимой материи – на темную энергию (75 %). А ведь нам казалось, что видимая материя занимает все пространство Вселенной. Однако теперь мы знаем, что ей отведены лишь незначительные 3 % от целого, представляющего собой материальную реальность.
Физики и космологи видят в этой потерянной массе причину аномалий, отмеченных в скорости движения некоторых звезд, находящихся в далеких галактиках и их скоплениях. Недвусмысленно выдает ее присутствие так называемый эффект гравитационной линзы, обусловленный гравитационными полями конгломератов звезд и галактик при прохождении света, которые изменяют направление его движения.
Жизнь, как вода, растекается по всему космосу.
Но это еще не все. Ученые предполагают, что часть этой невидимой материи (космологическая константа, или темная энергия), скорее всего, и отвечает за ускоренное расширение Вселенной. Оно заключается в мощной антигравитационной силе, благодаря которой компоненты галактики удаляются друг от друга со скоростью выше ожидаемой. Если так оно и есть, и ускорение продолжится до бесконечности, то это может привести Вселенную к Большому разрыву, при котором все ее структуры, от суперскоплений до атомов, будут в итоге разрушены силой, порожденной этой невидимой энергией. Есть и другой вариант развития событий, которые ждут нашу Вселенную. Если победит притяжение, порожденное суммой массы видимой и невидимой материи, то галактики и звезды начнут обратное движение и вернутся к точке отправления, к так называемой голой сингулярности, их породившей. Весьма вероятно, что этот цикл расширения и сжатия повторяется вечно.
Итак, по всей нашей видимой и невидимой реальности разворачивается настоящая битва титанов. Видимая материя, невидимая материя и ее сестра-близнец – темная энергия, – похоже, держат в своих руках будущее нашего мира, и от них зависит, каким образом наступит его неизбежный конец.
Тем временем мироздание продолжает раскрываться со своей физической стороны. Материя организуется, создавая планеты, солнечные системы и звездные конгломераты. Пожалуй, и жизнь, как вода, растекается по всему космосу. Что же происходит с невидимой стороной?
ebooksa